管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算中的重要問(wèn)題

楊瑞嶺

摘? ? 要：隨著改革開(kāi)放的進(jìn)一步深化，我國(guó)各個(gè)行業(yè)不斷崛起，很多行業(yè)都是從無(wú)到有，一步步發(fā)展起來(lái)的，在發(fā)展的過(guò)程中難免會(huì)遇到各種各樣的困難，所以到目前為止，許多行業(yè)雖然在發(fā)展，但是發(fā)展并不完善。一個(gè)企業(yè)的發(fā)展需要一個(gè)優(yōu)秀的領(lǐng)導(dǎo)者，而一個(gè)行業(yè)的發(fā)展靠的是細(xì)致詳盡的完備制度。本文中探討的管殼式換熱器行業(yè)中雖然做出了相應(yīng)的規(guī)定，但是在許多問(wèn)題上仍然不能有有效的解決，尤其是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算這兩方面。接下來(lái)，就這些問(wèn)題進(jìn)行探討、分析和解決。

關(guān)鍵詞：管殼式換熱器;設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu);強(qiáng)度計(jì)算;問(wèn)題解決

1? 引言

雖然有了GB/T 151—2014《熱交換器》這樣的標(biāo)準(zhǔn)，但執(zhí)行起來(lái)還是有很多不合理情況。

2? 管殼式換熱器概述

管殼式換熱器又被人稱為列管式換熱器，主要是因?yàn)樗恼w形狀從外觀看起來(lái)就像陳列的管子一樣。它的工作原理是在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器。管殼式換熱器的主要結(jié)構(gòu)有：殼體、傳熱管束、管板、折流板和管箱等部件。管殼式換熱器的工作原理主要是對(duì)冷熱兩種氣流進(jìn)行交換，一種氣流在管內(nèi)流動(dòng)，被稱為管程流體;另外一種氣體在管外流動(dòng)，被稱為殼程流體。擋板的作用是提高管外流體的傳熱分系數(shù)，通常擋板會(huì)安裝在殼體內(nèi)部，迫使流體按規(guī)定路程多次橫向通過(guò)管束，增強(qiáng)流體湍流程度。管殼式換熱器是目前應(yīng)用最為廣泛，主要原因是管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)十分的簡(jiǎn)單，而其安全性能卻相比較之下更為可靠，并且它十分百搭，可以廣泛應(yīng)用各種材料，尤其是對(duì)金屬材料，能夠耐的住高溫，能夠在高壓狀態(tài)下使用。管殼式換熱器的種類(lèi)也非常豐富包括：固定管板式換熱器、浮頭式換熱器和U型管式換熱器。固定管板式換熱器的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，是將管束兩端的與殼體連接在一起，固定管板式換熱器因?yàn)槠涔馨迮c殼體的固定，所以可以應(yīng)用于清洗相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要經(jīng)常拆卸清洗的地方。另外，固定管板式換熱器不宜使用在溫度極差大的地方。浮頭式換熱器是指管束其中的一端的管板是可以自由浮動(dòng)起來(lái)的，這樣整個(gè)管束就方便從殼體中取出，便于清洗和對(duì)換熱器的維修保養(yǎng)。雖然浮頭式換熱器能夠彌補(bǔ)固定管板式換熱器的不足，但是浮頭式換熱器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)也相對(duì)較高。最后的U型管式換熱器，換熱管束都被彎曲成U型，兩端均被固定在同樣管板上下區(qū)，借助管板分割成進(jìn)出兩室，這種結(jié)構(gòu)相對(duì)于浮頭式簡(jiǎn)單，但是卻因?yàn)楣苄偷男螤钐厥獠槐阌谇逑碵1]。

3? 管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題與強(qiáng)度計(jì)算中的重要問(wèn)題

3.1? 熱交換器筒體最小厚度

與尺寸外形相同的臥式容器相比，臥式容器的質(zhì)量要大的多。因?yàn)橥彩街杏泄苁⒄哿靼搴凸馨宓裙苁M件，其質(zhì)量比臥式的大的多。臥式容器的是有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)的，在GB/T 151—2014《熱交換器》中有對(duì)于臥式容器中有許多應(yīng)力計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)，其中甚至包括了計(jì)算鞍座部位筒座的局部應(yīng)力。由于熱交換器中還要安裝許多的零部件，所以熱交換器中還要有重疊安裝的要求，這樣的重疊安裝的方式還有助于后期在檢修要求下對(duì)熱容器內(nèi)部核心的檢查。要滿足以上要求，就要規(guī)定筒體的厚度，來(lái)滿足其剛性能達(dá)到要求。在GB/T 151—2014《熱交換器》中有對(duì)熱容器最小厚度進(jìn)行規(guī)定，但是其規(guī)定的熱交換器的最小厚度比實(shí)際生產(chǎn)中所要求的要大。其實(shí)熱容器最小厚度不能一概而論，這與其的材料、筒體的直徑大小都是有關(guān)系的。在同樣的材質(zhì)下，GB/T1 51—2014《熱交換器》中規(guī)定的最小厚度值要比實(shí)際生產(chǎn)中的大，這樣會(huì)使得筒體各方位的截面所能承受住的應(yīng)力降低的。不僅于此，在生產(chǎn)過(guò)程中還要加入各種零部件，使其情況更為復(fù)雜化，“空筒”與實(shí)際的規(guī)定并不相同，所以臥式熱容器的標(biāo)準(zhǔn)并不適用于熱容器的實(shí)際生產(chǎn)情況這是管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)余強(qiáng)度計(jì)算中應(yīng)注意的一個(gè)重要問(wèn)題。

3.2? 弓形折流板缺口布置

弓形折流板的設(shè)計(jì)在管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中占有著重要的位置，折流板是管殼式換熱器中的重要組成部分。弓形折流板設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于折流板缺口設(shè)計(jì)的位置，弓形折流板的位置設(shè)計(jì)有兩種，一種是上下式設(shè)計(jì)，另外一種是左右式設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)為主要根據(jù)實(shí)際需求為主要參考。注意實(shí)際情況是要考慮進(jìn)入殼體物質(zhì)的形態(tài)，當(dāng)進(jìn)入殼體的物質(zhì)是氣液并存的狀態(tài)時(shí)，弓形折流板缺口的位置必須左右設(shè)置。因?yàn)闅怏w總是從殼體的上方一端進(jìn)入到另一端，如果折流板缺口設(shè)計(jì)成上下位置時(shí)，氣體從第一塊折流板是上方進(jìn)入，就必須從下方出去。在氣液共存的狀態(tài)下，經(jīng)過(guò)第二塊折流板時(shí)，溫度下降，氣體有一部分液化成為了液體，由于氣溫的驟減氣體液化成為液體的速度就會(huì)很快，一旦液化作用的速度過(guò)快，液化的液體形成的速度大于下面口排出液體的速度，就會(huì)造成管道的堵塞，使換熱器無(wú)法正常工作，極其容易造成事故。但是如果只是單相的液體時(shí)，則適宜采用上下位置設(shè)計(jì)。如果采用左右位置設(shè)計(jì)，液體不宜流通，熱的液體總是會(huì)處于上方，而溫度低的液體會(huì)一直處于下方，流體溫度場(chǎng)分布不均勻，會(huì)嚴(yán)重影響換熱效率。但是采用上下分布時(shí)，液體由高處流向低處，會(huì)起到一個(gè)攪拌的作用，使液體溫度趨于均勻。當(dāng)流進(jìn)殼體的介質(zhì)是氣體時(shí)，對(duì)于折流板設(shè)計(jì)的位置要求并不高，無(wú)論從哪個(gè)方位都是從高到低均勻流入。

3.3? 立式換熱器中拉桿的固定方位

換熱器的拉桿一般是在組裝時(shí)起到固定作用的，但是立式換熱器的拉桿除了起到固定作用外，還要起著承重作用，立式換熱器的拉桿還要承擔(dān)著折流板和定距管的重量，拉桿的上端的螺紋承受著軸向的拉力。當(dāng)進(jìn)入殼體的氣體或液體具有腐蝕性時(shí)，就會(huì)腐蝕螺紋，使螺紋受到侵蝕，紋路淡化，螺紋松動(dòng);另一方面，因?yàn)槭抢瓧U上的螺紋，拉桿受到外界撞擊最多，螺紋受到的振動(dòng)就越多，振動(dòng)的作用下會(huì)使得螺紋變松，也極有可能會(huì)因?yàn)樗蓜?dòng)使折流板下落，這兩種情況都非常容易造成更大的振動(dòng)。但是如果將拉桿固定在下端的話，拉桿不需要承擔(dān)承重的壓力，不存在軸向承重的壓力，也就不會(huì)存在上面討論的問(wèn)題了。

3.4? 防沖板的布置

在殼體上一般都會(huì)安裝防沖板，防沖板的安裝方法有兩種一種是將防沖板固定在上文中提到過(guò)的拉桿的定距管上;另外一種是直接將防沖板安裝在殼體的筒體上面。第一種安裝方法安裝較為復(fù)雜，涉及到的零部件也較多，不宜采用。第二種安裝方法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單安裝也相對(duì)簡(jiǎn)單，采用較為廣泛但是值得注意的點(diǎn)是，在安裝時(shí)不能將防沖板安裝在拉桿的固定端與其安裝在一側(cè)，如果安裝在拉桿的固定端一側(cè)，這兩種零部件容易造成磕碰情況的發(fā)生，導(dǎo)致?lián)Q熱器無(wú)法安裝。

3.5? 換熱管軸向壓縮

當(dāng)換熱器承受軸向壓力，應(yīng)按軸向壓桿失穩(wěn)進(jìn)行控制。在GB/T151-2014《熱交換器》中有關(guān)于對(duì)換熱器軸向壓縮的標(biāo)準(zhǔn)，其安全系數(shù)的規(guī)定是2.0。但是在實(shí)際應(yīng)用中軸向失穩(wěn)的承受能力是有限的。但是對(duì)換熱器來(lái)說(shuō)用來(lái)校驗(yàn)軸向失穩(wěn)的承受能力應(yīng)該校驗(yàn)的是其承受壓力最為強(qiáng)的部分，其他換熱管的區(qū)域并沒(méi)有同樣承受巨大的壓力，甚至有些并沒(méi)有受到負(fù)向壓力，而是處于正向拉伸的狀態(tài)。所以換熱管的軸向失穩(wěn)是呈區(qū)域性分布的，在這種特性之下應(yīng)將換熱管的軸向失穩(wěn)的安全系數(shù)放寬，放寬至1.5時(shí)其也是安全狀態(tài)。

4? 結(jié)束語(yǔ)

雖然管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算強(qiáng)度上已經(jīng)出臺(tái)了相關(guān)的規(guī)定，但是不能完全按照規(guī)定進(jìn)行，也要考慮實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中總結(jié)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)，制定其更加完善。

參考文獻(xiàn)：

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