管殼式換熱器的應(yīng)用介紹

目前管殼式換熱器的應(yīng)用非常廣泛。其布局簡(jiǎn)單、牢固、易于制造、數(shù)據(jù)范圍廣、處理量大、適應(yīng)性強(qiáng)。但在傳熱效率、設(shè)備緊湊性、單位傳熱面積金屬消耗等方面稍遜于各類板式冷凝器。這種冷凝器通常包括固定管板、U型管和浮頭。管式冷凝器主要由殼體、管板、花板牽制和頂蓋組成。

在圓殼體內(nèi)設(shè)有平行牽制，管型的兩端固定在管板上。管道在管板上的固定辦法一般回收焊接法或脹接法。上蓋設(shè)有進(jìn)出口管，通過(guò)螺釘與殼體兩端法蘭連接，上蓋與管板形成流體分派室。管式冷凝器在換熱過(guò)程中，冷卻水從頂蓋連吸收進(jìn)入管內(nèi)流動(dòng)，管內(nèi)稱為管程；有害蒸汽在牽制與殼體之間的間隙流動(dòng)，管程稱為殼程；牽制的外部產(chǎn)品是傳熱面積。在冷凝回收過(guò)程中，無(wú)論是對(duì)飽和蒸汽還是不凝性氣體，一般好在程度冷凝器殼程冷凝，因?yàn)樗趥鳠?、壓降和清洗方面是合理的?

具體信息如下：

1、臥室殼程凝聚膜的傳熱系數(shù)比垂直管或管外超出跨越數(shù)倍，不凝聚物不會(huì)在死角積聚，不易排出。

2、冷卻水管便于清洗水垢。包管水管內(nèi)的高流量，有利于降低結(jié)垢速度，提高水膜的傳熱系數(shù)。

3、臥式管式冷凝器使冷卻水進(jìn)口的低水位管道，使凝聚水在底層積聚，從而降低凝聚水的溫度。在外冷凝系統(tǒng)中，進(jìn)一步冷卻冷凝水長(zhǎng)短常主要的。如果冷凝系統(tǒng)溫度較高，接觸空氣中的有機(jī)氣體會(huì)有大量揮發(fā)。一般要求凝聚水入口溫度在60℃以下。當(dāng)然，你也可以此外加一個(gè)冷卻器，但會(huì)增加成本。

我國(guó)對(duì)管板計(jì)算方法的研究起步較晚，1977年在三部規(guī)范中作為附錄列入中國(guó)的管板計(jì)算公式，此后經(jīng)大量使用并不斷完善，于1989年正式歸入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB151《鋼制管殼式換熱器》中，1999年又對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修改，已給出了U形管式換熱器、浮頭式換熱器、填料函式換熱器以及固定式換熱器的常用結(jié)構(gòu)形式的管板設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

管殼式換熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同結(jié)構(gòu)形式的管板，受載荷情況、支承條件、邊界約束條件等諸因素的影響，強(qiáng)度計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，方法也不統(tǒng)一。大多數(shù)國(guó)家規(guī)范的管板強(qiáng)度計(jì)算公式一般是將管板簡(jiǎn)化為一塊放在由換熱管支撐的彈性基礎(chǔ)上的軸對(duì)稱圓形開(kāi)孔平板，受均布載荷及管孔的均勻削弱。在此基礎(chǔ)上，做了不同程度地簡(jiǎn)化和假設(shè)，基本的假設(shè)如下。

1.如果管板的直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出管子的直徑，且管子的數(shù)量較多，則管束的支撐作用可簡(jiǎn)化為均勻連續(xù)支撐管板的彈性基礎(chǔ)，該彈性基礎(chǔ)僅約束管板的擾度。

2.管孔對(duì)管板的整體剛度和強(qiáng)度均有削弱作用，該削弱作用的大小，由削弱系數(shù)來(lái)表征。

3.管板周邊部分較窄的不布管區(qū)簡(jiǎn)化為與不布管區(qū)面積相等的圓環(huán)形實(shí)心板。

4.管板邊緣的轉(zhuǎn)角在連接部位處應(yīng)協(xié)調(diào)一致。

5.當(dāng)管板兼作法蘭時(shí)，考慮法蘭力矩對(duì)管板的作用。

6.考慮管子與殼程殼體的熱膨脹差所引起的溫度應(yīng)力。各國(guó)規(guī)范雖然均認(rèn)同以上假設(shè)，但由于管殼式換熱器的形式多樣，管板結(jié)構(gòu)又相當(dāng)復(fù)雜，具體某一假設(shè)，處理方式有所不同。如TEMA標(biāo)準(zhǔn)記性計(jì)算管板時(shí)，沒(méi)有考慮管板無(wú)孔環(huán)區(qū)的影響，CODAP和BS5500只在固定管板的設(shè)計(jì)中，忽略了管板無(wú)孔環(huán)形區(qū)的影響，而ASMEⅧ分篇的設(shè)計(jì)，對(duì)每種類型的管板都考慮了此影響。又如管板因開(kāi)孔而?強(qiáng)度削弱，而強(qiáng)度削弱程度不同的計(jì)算規(guī)范所采用的處理方式也有所不同。目前比較折中的方法是對(duì)管板進(jìn)行分類，不同類型的管板及連接方式?用不同的處理方法。

對(duì)一個(gè)管殼式換熱器進(jìn)行溫度和壓力載荷作用下的有限元強(qiáng)度分析,并對(duì)這兩種載荷作用 下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)做分類研究,然后對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),作同樣的分析。比較這些結(jié)果,得出考慮溫度載荷作用下的換熱器強(qiáng)度校核的規(guī)律和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。

管殼式換熱器是化工、石油、輕工、能源等工業(yè)應(yīng)用廣泛的過(guò)程設(shè)備之一，它具有選材范圍廣，換熱表面清洗較方便，適用性較強(qiáng)，處理能力大，能承受高溫和高壓等特點(diǎn)。管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要依據(jù)是GB151［1］，GB151 中關(guān)于換熱器管板強(qiáng)度校核是根據(jù)彈性基礎(chǔ)上薄板理論，在軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)的條件下，將薄板的三維變形簡(jiǎn)化為二維梁式變形，由此來(lái)計(jì)算其強(qiáng)度的。而換熱器殼體厚度的選擇，主要是根據(jù)殼體所受到的殼程壓力來(lái)確定。

換熱器由于其工作特點(diǎn)，不僅有管程壓力和殼程壓力等載荷作用，而且還要受到工作介質(zhì)的溫度載荷作用。在GB151 中對(duì)壓力載荷，給出了管板和殼體的尺寸選擇，及固定管板兼作法蘭的管板和殼體的連接方式。然而，對(duì)于在溫度載荷作用下，這些尺寸卻沒(méi)有具體的說(shuō)明要求。

本文通過(guò)一個(gè)管殼式換熱器的強(qiáng)度校核，將載荷分類為壓力載荷和溫度載荷，來(lái)說(shuō)明結(jié)構(gòu)在這些載荷作用下的應(yīng)力響應(yīng)特點(diǎn)，進(jìn)而提出該結(jié)構(gòu)改進(jìn)的意見(jiàn)。本文采用三維有限元的分析方法，來(lái)研究其內(nèi)在規(guī)律。