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。其布局簡單、牢固、易于制造、數(shù)據(jù)范圍廣、處理量大、適應(yīng)性強。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)有進出口管，通過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程中，冷卻水從頂蓋連吸收進入管內(nèi)流動，管內(nèi)稱為管程；有害蒸汽在牽制與殼體之間的間隙流動，管程稱為殼程；牽制的外部產(chǎn)品是傳熱面積。在冷凝回收過程中，無論是對飽和蒸汽還是不凝性氣體，一般好在程度冷凝器殼程冷凝，因為它在傳熱、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，進一步冷卻冷凝水長短常主要的。如果冷凝系統(tǒng)溫度較高，接觸空氣中的有機氣體會有大量揮發(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冷卻器，但會增加成本。

我國對管板計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的管板計算公式，此后經(jīng)大量使用并不斷完善，于1989年正式歸入國家標(biāo)準(zhǔn)GB151《鋼制管殼式換熱器》中，1999年又對該標(biāo)準(zhǔn)進行了修改，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)計計算方法。

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，強度計算過程復(fù)雜，方法也不統(tǒng)一。大多數(shù)國家規(guī)范的管板強度計算公式一般是將管板簡化為一塊放在由換熱管支撐的彈性基礎(chǔ)上的軸對稱圓形開孔平板，受均布載荷及管孔的均勻削弱。在此基礎(chǔ)上，做了不同程度地簡化和假設(shè)，基本的假設(shè)如下。

1.如果管板的直徑遠遠超出管子的直徑，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.管孔對管板的整體剛度和強度均有削弱作用，該削弱作用的大小，由削弱系數(shù)來表征。

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

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，考慮法蘭力矩對管板的作用。

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)記性計算管板時，沒有考慮管板無孔環(huán)區(qū)的影響，CODAP和BS5500只在固定管板的設(shè)計中，忽略了管板無孔環(huán)形區(qū)的影響，而ASMEⅧ分篇的設(shè)計，對每種類型的管板都考慮了此影響。又如管板因開孔而?強度削弱，而強度削弱程度不同的計算規(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管板進行分類，不同類型的管板及連接方式?用不同的處理方法。

對一個管殼式換熱器進行溫度和壓力載荷作用下的有限元強度分析,并對這兩種載荷作用 下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)做分類研究,然后對結(jié)構(gòu)進行改進,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度校核的規(guī)律和結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點。

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，處理能力大，能承受高溫和高壓等特點。管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要依據(jù)是GB151［1］，GB151 中關(guān)于換熱器管板強度校核是根據(jù)彈性基礎(chǔ)上薄板理論，在軸對稱結(jié)構(gòu)的條件下，將薄板的三維變形簡化為二維梁式變形，由此來計算其強度的。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確定。

換熱器由于其工作特點，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，對于在溫度載荷作用下，這些尺寸卻沒有具體的說明要求。

本文通過一個管殼式換熱器的強度校核，將載荷分類為壓力載荷和溫度載荷，來說明結(jié)構(gòu)在這些載荷作用下的應(yīng)力響應(yīng)特點，進而提出該結(jié)構(gòu)改進的意見。本文采用三維有限元的分析方法，來研究其內(nèi)在規(guī)律。