管壳式换热器结构设计探索

管壳式换热器结构设计探索

摘要:根据不同的传热原理,可以将换热器分为表面式换热器、蓄热式换热器,其中蓄热式换热器主要是通过固体物质结构实现热量由高到低的转换,而管壳式换热器属于表面式换热器的范畴,即通过壁面的导热性让流体在壁表面实现换热,其工作原理如下:换热管内部流体通道与换热器外部流体通道中流体存在温差,通过换热管壁,温度高的流体将热量传递给温度低的流体实现换热。相比其他换热设备,管壳式换热器换热面积更大,具有更高的传热效率,且管内流动性更强,可以更好地预防结垢,采用波纹管的结构形式,既保证了紧凑的结构设计,又能够降低热应力,提高承压能力,因此,管壳式换热器在工业领域应用十分广泛。本文主要针对管壳式换热器的结构设计问题进行探讨。

关键词:管壳式换热器;结构设计;管板设计

1管箱设计

管箱结构包括管箱平盖、分程隔板、短节等部分,其中管箱短节设计要满足“最小内侧深度”的要求,单程管箱轴向开口,管箱短接至少是接管内直径1/3,多程管箱两程间的最小流通面积至少是每程管流通面积的1.3倍或以上,并保证短节筒体厚度满足刚度要求。分程隔板需要承受两侧流体压差,因此其强度及刚度要求较为严格,公称直径在600mm以下,如隔板材料为碳素钢或低合金钢,其最小厚度至少在8mm,如材料为高合金钢,则基最小厚度至少在6mm;公称直径越大,隔板的最小厚度就越厚,碳素钢或低合金钢材料厚度要大于高合金钢材料。分程隔板下缘要对齐管箱密封面,隔板上设置直径为6mm的孔,其主要作用是排净液体,能够平衡两腔压力,且水压试验时有利于气体排除干净;如两侧流体压差较大,分程隔板可设计为双层结构。

2圆筒及接管设计

换热器的圆筒不仅要满足基本的运输与安装需求,还要考虑其工作状态下需要重叠安装及抽装管束的要求,因此换热器圆筒最小壁厚要大于压力容器,相对而言,固定管板换热器无须抽芯其壁厚可稍小,但最小厚度至少也要在6mm以上,且公称直径越大,圆筒最小厚度也越厚。此外,需要在标准换热管长度条件下计算圆筒长度,以避免换热管不标准导致的材料浪费问题。接管结构设计需要注意接管要对齐壳体内表面,并尽量设置于壳体径向或轴向方向,采用焊接工艺连接外部管线;如接管设计温度在300℃以上,必须采用整体法兰,并根据需要设置测量仪表的接口,主要是温度计、压力表及液面计;如果换热器无法利用接管放气及排液,则放气口可设于管程与壳程最高点,排液口设于最低点。

3拉杆设计

拉杆设计的重点在于管束的组装、防冲挡板结构设计及根据实际情况选择固定方式。具体注意事项如下:一方面,焊接防冲挡板及壳体时,如壳体直径较小且采用明穿管工艺,拉杆固定端可设置于另一端管板,远离壳程介质进口;如壳体直径较大且采用暗穿管工艺,拉杆固定端可设于靠近壳程介质进口的管板。如防冲挡板采用导流筒防冲结构,则拉杆固定端要设于靠近壳程介质进口的一端。另一方面,设置立式换热器拉杆固定端时,需要根据壳程的进料口位置、防冲挡板的安装方式等条件进行选择,如进料口在壳程下方,防冲挡板设于筒体,则拉杆固定端设于上管板便于安装折流板;如进料口位于壳程上方,防冲挡板设于筒体,则拉杆固定端设于下管板才便于安装折流板;如果防冲挡板焊接于管束上,无论进料口设于哪个部位都不会影响折流板的安装,这种情况下,可将拉杆固定端设于下管板,这是因为拉杆固定于上管板时需要承受折流板及定距管的重量,如果采用腐蚀性的壳程介质,拉杆靠近进口端产生较大振动时,拉杆螺纹会受到振动及腐蚀的共同作用,易产生松动或拉脱,导致折流板部件下落,而将其固定于下管板时,折流板可通过定距管将重量作用于下管板,拉杆无须承受轴向力,避免了端部螺纹拉脱的问题,提高了系统运行的安全性及可靠性。

4管板设计

管板设计的要点包括以下几方面:(1)根据换热管标准排列形式要求布置管板上管孔,标准排列形式包括正三角形、转角正三角形、正方形、转角正方形、同心圆式、转角三角形等。其中应用最普遍的是等边三角形排列形式,各管间距相等,不仅便于划线外孔操作,而且管板上排列管数更多,不过清洗较为困难;如采用机械清理,可采用正方形排列,该排列方式可设置专门的清理通道;如果折流板间距相同,等边三角形与同心圆形排列的流通截面积更大、流速更高;且同心圆形排列方法靠近壳体处布管均匀,保证介质流动的顺畅性。需要注意的是,布置管孔时最外圈换热管管壁与壳内壁至少保持8mm以上的间距。(2)管孔中心距至少是换热管外径的1.25倍以上,分程隔板槽两侧的相邻管孔中心距至少大于管孔中心距与隔板槽宽度之和。为了避免过于靠近壳壁影响设置安装,布管区最大直径不得超过布管限定圆的要求。分程隔板槽槽深至少在4mm以上,分程隔板槽拐角处倒45度角,注意倒角宽度是分程垫片圆角半径再加1~2mm,否则,可能会出现泄漏或无法安装的问题。(3)在选择管板与圆筒、管箱短节的连接形式时,要充分考虑壳程压力的大小、介质是否有腐蚀性、管板是否兼作法兰等因素特别是壳程压力大于4MPa时,为改善受力要选择对接的结构形式;如壳程介质存在间隙腐蚀则要避免采用初环焊接,否则,会导致衬环与壳壁形成间隙而发生间隙腐蚀。此外,多管程管板前端与后端结构不同,管程分程时,各管程管数要尽量大致相等,尽量简化分程隔板槽形状,缩短密封长度。

5换热管与管板连接换热管与管板的连接

质量是决定换热器质量的重要因素,换热管与管板的连接失效是导致换热器失效的重要原因,因此要根据管壳式换热器的结构特点、适用范围及实际的应用环境合理选择可靠的连接方式。具体设计过程中,换热管与管板的连接方式包括以下几种:首先,强度胀接。当设计压力不超过4MPa,设计温度不高于300℃时,且管壳式换热器运行过程中不存在剧烈振动、温度变化不大、无严重应力腐蚀等条件时,为保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度,选择强度胀接。确定最小胀接长度时,比较管板厚度减去3mm与换热管外径的2倍,如二者最小值均不超过50mm,选其中最小值,如二者最小值大于50mm,则最小胀接长度取50mm。其次,强度焊。强度焊适用于设计压力不超过35MPa的条件,但不适用于存在较大振动及间隙腐蚀的环境中。最后,胀焊并用,该连接方式主要应用于对管壳式换热器密封性能要求更高、存在间隙腐蚀及承受振动及疲劳载荷的工作条件下。胀焊并用包括两种方式:一种是强度胀加密封焊,采用强度胀接的形式保证管板与换热管连接处的拉脱强度,采用胀接辅助密封焊的方式保证密封性能;另一种是强度焊加贴胀,即采用强度焊保证换热管与管板连接处的拉脱强度,而换热管与管板连接的密封性则由强度焊加贴胀来保证,贴胀可以消除壳程间生的间隙腐蚀,降低振动损害管板与换热器连接处的程度。

6结语

总之,管壳式换热器是工业换热设备中的基本结构形式,其具有选材范围广、便于清洗维护、适用性强、处理能力大、耐高温高压等诸多优势,因此被广泛应用于工业领域。管壳式换热器的结构设计需要根据特定的条件选择不同的设计参数,包括材料、压力、温度、壁温差、流体性质等,以保证管壳式换热器后续运行的安全性及可靠性。

作者:田朋 单位:沈阳东方钛业有限公司