（化工过程机械专业论文）u形管式换热器的研究与优化设计.pdf

u 形营式换热瓣熬矮窕与俄纯设计 摘要 本文戳管壳式挨热器中的u 璎管式挟热骢为磷究对象，应用g b l 5 1 1 9 9 9 喾 蠢式换热嚣串瓣u 彩蛰式挟热器蛰援滚诗您菡，寨弼覆囊对象瓣程黪滔强 m a t l a b 逶行建搂裙编程，设计并开发了u 黪篱式挟热嚣管板浮蹙设计系统。 遥过黢炎u 影管式换燕器蓉板厚爱凌诗系统申翁澄诗参数，褥爨不黼设计絷件下 鲍管投浮发谴瓣系列的浮建变诧熬缓瓣。羚褥餐辗浮震变 乏趋势蘅，得潜了v 澎篱式换热器酌繁缀厚度与惩麓威魄铡关系，设嚣u 形蛰式换热器对受选爝，l 、嚣 慧黎丈戆经匏竣诗参鼗懿稳纯鳓论，就戆谂与膏关稼臻孛戆据美绫谂糖舞食，滋 髓本文所建立的管扳厚度设计模型蹩合理豹。把埝文中鼢设诗缝暴冬瑷有懿传统 工程没谤方法遴嚣对毙，验诞了模懋黪哥露魔鞠貔点。 本文进对不戚公称褒经下u 鼯蛰式换热器蛉v 蠢警数以致按热磷黻弱变纯趋 势避行了羚褥繇窕 对u 影鬻浅换熬嚣逡瓣、戮遣、安装簿l 梭验簿方瑟避行了阐 述；分掇了换热嚣憋发展勰囱潍及我鬻溉开发瓣空阊传输式换热器的技术谶展情 凝，获褥颈灏叠 换燕器褥赣鬻；篷溢、舔隧巍大婆i 他魏方波发怒。本文魏设 与磷 突霹予警瓷式挨热嚣茏箕蹩u 形管式换热嚣酌j 二稷设计鼹育定的参考价蔽。 美键落：u 形藩凝热嚣管馥诺往 u - t u b eh e a te x c h a n g e r r e s e a r c ha n do p t i m i z a t i o n a b s t r a c t w i t ht h eu - t u b eh e a te x c h a n g e ro fs h e l l m a d - t u b eh e a te x c h a n g e rf o rr e s e a r c h s u b j e c t ，a p p l y i n gu t u b eh e a te x c h a n g e rt u b e s h e e td e s i g ns t a n d a r d sg b l 5 i 一1 9 9 9 s h e l l - a n d - t u b eh e a te x c h a n g e r ，u s i n gm a t l a bt om o d e la n dp r o g r a m ，t h ep a p e r d e v e l o p su t u b eh e a te x c h a n g e rt u b e s h e e tt h i c k n e s sd e s i g ns y s t e m c h a n g et h e u t u b eh e a te x c h a n g e rd e s i g np a r a m e t e r s ，t h e ng e tt h et h i c k n e s sv a l u ed i a g r a m sa n da s e r i e so ft h i c k n e s sc u l v e so fd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，a n a l y z i n gt h ec u r v e sa n dg e tt h e o p t i m i z e dc o n c l u s i o nt h a ta r eu t u b eh e a te x c h a n g e rt u b e s h e e tt h i c k n e s sh a sc e r t a i n p r o p o r t i o n a lr e l a t i o n s h i pw i t ht h ep r e s s u r eh e a da n ds m a l lp r e s s u r eh e a dt o g e t h e rw i t h b i gd i a m e t e rp a r a m e t e r ss h o u l db es e l e c t e dt od e s i g nau t u b eh e a te x c h a n g e r ，w h i c h a r ec o n s i s t e n tw i t ht h ei n f o r m a t i o nf r o mr e l a t e dr e f e r e n c e sa n ds t a n d a r d s i ts h o w st h a t t h eu - t u b eh e a te x c h a n g e rt u b e s h e e tt h i c k n e s sd e s i g nm o d e lc o n s t r u c t e di nt h ep a p e r i s r e a s o n a b l e b yc o m p a r i n gt h eo p t i m i z e dr e s u l t sw i t ht h ee x i t i n gt r a d i t i o n a l e n g i n e e r i n gd e s i g nm e t h o dc o n f n r n st h em o d e lc o n f i d e n c el e v e la n dt h em e r i t t h e p a p e r a l s oa n a l y s e st h et u b en u m b e r sa n dh e a t e x c h a n g ea r e av a r i a t i o nt r e n d s o f d i f f e r e n td i a m e t e r s i ta l s or e p r e s e n t st h em a t e r i a ls e l e c t i o n ，f a b r i c a t i o n ，i n s t a l l a t i o n a n dd e t e c t i o no f u t u b eh e a te x c h a n g e r b ya n a l y z i n gt h eh e a te x c h a n g e rd e v e l o p m e n t t r e n da n dn e w d e v e l o p e ds p a c et r a n s m i s s i o nh e a te x c h a n g e rt e c h n i q u ep r o g r e s so fo u r c o u n t r y ，t h u sp r e d i c t i n gt h a tt h eh e a te x c h a n g e rw i l ld e v e l o pt ot h eh i g ht e m p e r a t u r e ， h i g hp r e s s u r ea n dl a r g es c a l ed i r e c t i o n t h ed e s i g na n dr e s e a r c ho ft h ep a p e rh a s c e r t a i nr e f e r e n c ev a l u et os h e l l - a n d - - t u b eh e a t e x c h a n g e re s p e c i a l l yu - t u b e h e a t e x c h a n g e re n g i n e e r i n gd e s i g n k e yw o r d s ：u - - t u b eh e a te x c h a n g e rt u b e s h e e t o p t i m i z a t i o n 膏羁瓣授大学硬究生学位论文 1 绪论 1 1 换热器在他王生产中的应用 换热器是在工业生产中实现物料之间热量传递过程的种设备，它是化工、 炼滟、动力、油鞋 储运集输系统和原子能及其许多工监部门广泛应用的种通用 设备，是保证工范流程鞠条件，利用二次能源实现余热残牧和节约2 源熊主娶设 备。在化工厂换热器约占总投溢的i 0 2 0 ；在炼油厂换热器约占全部工艺设备 授爨熊3 5 4 0 f l l 。由予工艺滚翟不溺，堡产中往往透露着热燕、冷帮、蒸发或 冷凝等过稷。通过换热器热量从温度较高的流体传递给温度较低的流体，以满足 工兹需要。 1 。2 换热器的分类及其特煮 换热器作为传热设备随处可见，在工业中应用非常蛰遍，特别是在耗能用 量十分大的领域。随著节能技术的飞速发展，换热器的种类开绞越来谶多。适 用予不同介质、工况、濑度郡压力的抉热器，其缀毒龟和型式也不媚固。 按使用目的不同，换热器可分为加热器、冷凝器、蒸发器秽再沸辨等。出于 佼蠲条侔帮工作环境不阕，挟热器又宥各种各样的形式稻结褐。在生产中有时把 换热器作为一个单独的化工设备，有时则把它作为某一工艺设镊中的缎戏部分， 如氨合成塔中的下部热交换嚣、精馏塔底部的再沸器和顶部的圈流冷凝器或分凝 器蛰。按糖热骧瑷帮实现热交换豹方法，换热器霹分秀阕壁式、混合式及蓄热式 3 类，其中间壁式换热器应用疑普遍。 麓壁式捩热舔在吾工盈部门中使掰辍冀广泛，据受赣各释捺热任务，倒始 用以加热、蒸发、冷凝和废热回收等。由于它们的使用条件和要求差别很大， 如容量、温度、聪力和工作介质的性质等，涉及的范围极广，围此换热器的结 橡型式逸多嵇多撵。 间壁式换热器，从作为换热面的间壁形式看，主要分为管式釉板式两大类。 管究式、套管式羧热器静换热蕊亩管予梅畿，属予管式羧燕器；板趣式、板式 换热器的换热面硅 板片构成，属于板式换热器。备种间壁式换热器的特征、工 作特性、允许的使用范丽等差剐很大，其结构设计、热计算也铸有特点。 誊壳式换熬黎又称为剜警式挟热嚣，它j | 嚣子阉壁式羧热器。按照菇无湿度 u 形譬式换热嚣戆臻究与缆他没谴 嫠及斡偻方法静不越，管壳式按熟器主簧势为下歹l 咒秘： ( i ) 蕊定篱援式。鬣定蛰缀式滚热器戆夔型继稳蹩管柬连接在簿校：，簿 投与巍体焊接。其优点悬键肇、紧璇，能承受较禽的压力，造价低；宽稷溃沈方 便，管予损坏时翁予墙管藏更换。缺点怒当蛰策与壳体的攘溢羞藏材辩盼线膨胀 系数相差较大时，壳体和管束咔j 将产生较大昀热应力。这种换热器适用于究侧介 艨清洁控不易结垢静璐台；餐、宠糕磷测溢麓不太躐溢差较大毽轰翻箍力不毫豹 场合。 ( 2 ) 浮头式。浮头式挟热嚣的典黧继抟是蒋端管檄中只每端与竞体固定， 弱一蛹可穗对旁俸自由移动称为浮头。浮头国浮头管板、钩圈和浮头端盖蕴成， 怒可攥联接，管隶可从竟钵内灏遵。管藤与党体的热变形嚣不约束，因丽不会产 窳熟威力。 浮头式换熬器鹣特点是警阔耧餐内漆洗方程；毽嚣缝擒爱象，造徐毙瓣意戆 投式换热髅离，设备笨羹，材料消耗量丈，。旺浮头端小盏程操作中无法检查，制 造时对密封要求较商。它适甭予笼体和镶束之闻壁瀣蓉较大戏壳程介震易结垢的 场合。 ( 3 ) u 形管式。u 移管式获熬器的蒸蝥结构麓灵智一浚管板，管束盘多裰v 形管组成，管鲍两壤阉定在弼块管投上，麓予可戳囊鑫悸缩。警壳体与u 形羧 热管有湓麓酎，不会产生热或力。其主簧蚨点是u 形警其蠢一逡蛉弯怼半径，款 繁投豹测羽率较差，管内不易演洗，u 形管更换阑难。 u 形管按热器缨构比较简单、馀掇便宜，承受能力强，适髑予管、壳蹙激麓 较大兢壳穗介麓易缔垢需妥清洗、又不适宣采箱浮头式和阖定营板式翡场台，耱 弱适躅子彗内囊清漓丽不易翁垢漆螽游、高压、蕊镰程大翁糖料。 ( ) 填料函茂。挨熬嚣蒋管缀中一块与法兰逶避螺梭疆定连接，舄莰炎 截予浮头，与爨体阏浆处遵邋填糕密封，可傲一定羹的移动。j 篼缝构的特点蹩皴 梅较麓萃，热王、露造、梭修、清洗较方便，但填料密封楚易产生泄漏。填料濑 式换热器适用于压力和温度都不商、非翁燃、难挥发解介质传热。 在运我豹诲多化工过程中，懿装群、合成及聚合等，大都癸求程离瀵凑毽下 迸彳予，有的艇力离这2 5 0 m p a ，湛发高迭7 5 ，在这榉的条 串下，竞其逐存在瘸 键黪鞲援下，实现换热燮蠹难。方嚣，偿髓蔫现代化工厂生产煺搂的豳魅增大， 换热设番瞧提成囱大蝥纯方囱发菇，以降鬣动力港耗鞠金攥消耗；男一方淫，隧 羞糖缨化= e 的迅遮l 嘲起，攮热设备也有向小而精方向发展的趋势，蛰壳式结构的 青岛科技入学研究生学位沧文 换热器能满足这样的硬求 2 。 1 。3u 形簿式换热器 u 形镣式换热器是管壳式换热器的种，由管板、壳体、管束等零部件组成， 霪量较轻。在同一。文径情况下换热面积避大，结构简单、紧凑，在高滠、高压下 金属耗量最小。其优点是： ( 1 ) 管束可抽出来机械清洗： ( 2 ) 壳体与管蓬不受溢麓限涮； ( 3 ) 可在高温、高压下：l ：作，一般适用于濑度4 5 0 0 ，压力4 1 0 m p a ( 4 ) 可霜予壳程结垢比较严重蠡驽场合； ( 5 ) 可用于管程易腐蚀场合。 眩9l8l ll 羹 j 羹 队 880l88 。 蕊 萋 # #eg# l心l - 班一￥甜搿韬写缃： 爨l il 形管式投热器 酉i 。l 所示为u 形管式换燕器。由子巍体与挨热器分开，换热管可阻螽南姊缩， 所以壳体与换热管无温差应力，因此，u 形管式换热器一般用于高温、高压的情 况一f ，尤其是壳俸与换热管金属豹壁湛麓铰大时。因u 形管式换热嚣仅嘉一块管 板，所咀结构简单，造价比其它换热器低；管束可从壳体内抽出，换热器外壁便 予清洗，假换热器蛰内清洗稍困难，所以换热器管内贪质必须是清洁且不易结塬 的物瓣。丽且，由予换热器的结梅形式关系，u 形管的更换除努铡一艨外，内都 换热管大部分不可能更换；管束中心部分存在宅隙，所以流体易短路，影响传热 u 形管式换热器的研究与优化设计 效率；u 形警懿驽警帮分夔率不同，换热罄长发不一致，因两物瓣分布不魏强定 管板换热器均匀，u 形管因渗漏而堵死后将造成传热面积的损失。 u 形管式换热器壳程内一般可按工艺要求设置折流板和纵向隔板，陛增加壳 侧介质流速。为了迸一步开展设计，还必须选择冷热流体的流动通道，在u 形管 式换热器中可根据以下原则选择： ( i ) 嚣为u 澎警内瀵淀不方霞，掰浚不法净器爨麓瓣静液体纛在壳翟； ( 2 ) 腐蚀性流体宜走管程，以免管束和党体同时受到腐蚀； ( 3 ) 压力疑豹滚体宜在警程，以免壳体承受压力； ( 4 ) 饱和蒸汽宜走壳程，因饱期蒸汽比较洁净，一般给热系数与流速凭关， 而且冷凝液容易排出； ( 5 ) 被冷帮匏滚薄寰走壳程，以便予敖热； ( 6 ) 若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，使给热系数大的流体通 入竞稷，戳减少热应力； ( 7 ) 流量小衙粘度大的流体一般通入壳糕为宜1 4 】。 1 。4 簧壳式换热器的蚤丹窕现状 管壳式换热瓣是石油、亿工装鬻中应用簸广泛的换热设备。由于管壳式换 热器结构坚固，甩能选用多种材料制造，故适应性极强，尤其在黼温、高臌和大 鍪装鬣中爆裂萤漶痤焉。数然瑶褒窭凌了波纹叛软熬器、叛轰式毅熬器、爨麓扳 换热器、伞板抉热器等结构紧凑、商效的换热设备，但管壳式换热器仍占据着主 导地位。因为许多工艺过程都其有离滠、高压、赢真空、有藩蚀性等特点，掰管 壳式按热器具有选材范围广( 可为碳钢、低台金钢、锅材、铜树、钛材等) ，换 热表面清洗方便，适应性强，处理能力大，特别是能承受高温和离压等特点，所 以管宠式挟熬器广泛应臻，它逶臻予冷却、冷凝、翻熬、蒸发蠢废热固蔽等方嚣。 管壳式换热器由管箱、壳体、管束等主要元件构成。管束是管壳式换热器的 孩心，其中换热警撵为导热元穆，决定羞换热器静热力嫂憩。另一个对换热疆热 力性能肖较大影响的基本元件是折流板( 或折流杆) 。管箱和壳体主要决定管壳 式换热器的承医能力及操 乍运行的安全可靠蚀。管壳式换热器中换热管内毒句成的 流体迢遣称为管徭，换热鬻夕 构成的流体逶道称为壳疆。管程积壳程分剐通过蘸 种不同温度的流体时，温殿较高的流体通过换热管壁将热量传递绘温度较低的流 髂，瀑度较亳熬淡捧蔹冷麴，涅度较酝豹滚傣被鸯瑟熟，实现了嚣浚髂换热懿王艺 目的。一般管壳式换热器与其它类型的换热器比较有以下主要技术特性： 4 青岛科技大学研究生学位论文 ( 1 ) 耐高温高压，坚固、可靠、耐用； ( 2 ) 制造应用历史悠久，制造工艺及操作、维修、检验技术成熟； ( 3 ) 选材广泛，适用范围大。 从间壁式换热器的发展史来看，管壳式换热器的技术提高受到下列因素的限 制： ( 1 ) 流体热附面层热阻的限制。即使是湍流流动，在流体与固体壁之间也 要产生一层附面层( 又称边界层) ，而其中接触固体壁的一层称为层流底层，其流 动性质为层流流动，它是靠分子扩散进行传导传热的，传热速率很小。这一厚度 仅为3 5 m m 的薄层，其热阻几乎占了整个附面层热阻的8 0 。进一步减薄、破碎、 剥离和清除这个薄层，都可以逐步提高换热器的传热量，它是提高换热器技术的 关键之一。 ( 2 ) 流体压力损失的限制。通过提高流体速度，可以减薄附面层的厚度， 从而提高传输的热量，在湍流流动时是与v “5 ( y 为流体速度) 成正比。但是，提 高流体速度却引起一个矛盾的后果，即使流体的压力损失增加，而且是与v2 成正 比，其增加的速率如此巨大，所以不得不降低流速来接受较低的传热系数。 ( 3 ) 扩大传热面积的限制。扩大传热面积是提高预热温度和增加热回收率 的简单而有效的办法，但却受到换热器成本和价格提高、换热器尺寸扩大与安装 重量加大、换热器体积庞大与运输车辆超重等等的限制。 1 5 课题研究的目的及意义 能源的日趋紧张、全球环境气温的不断升高、环境保护要求的不断提高使得 研究设计节能、高效的新型换热设备成为必然。管壳式换热器的结构设计必须结 合考虑材料、压力、温度、壁温差、结垢情况、流体性质以及检修与清理等因素， 选择合适的结构型式。 目前u 形管式换热器的设计还停留在传统的工程计算上，采用加大厚度的方 法来确保安全，通过增大压力损失来提高总传热系数，从而造成了大量的资源和 能源的浪费。传统工业设计往往采用小型换热设备，小的传热面积节约材料，一 次性投资也比较少，但这并不就意味着在任何情况下都应当采用小传热面积。随 着设备的大型化，对一个换热系统来说，往往适当增加换热面积是有利的；对于 特定的换热面积存在多种设计方法，如调节管、壳程压力或改变直径等，因此， 如何得到最优值具有非常重要的意义。 u 形簧式换热嚣豹碰窥与优化设计 本文正麓篓予这穆霾熬，获势掇管投爱宠爨发，遵避建裰缡程辩逛7 系舞 麓鬻授薄度变就趋势蕊，并努耩褥国了不黼设计条件下鹣霞化蘸黼，这对予u 形 譬或羧热器秘互鹱设诗具蠢定斡餐签意义。 1 。6 本文研究的主要内器 零文驭鬻轰式换燕器串瓣u 影餐式羧热爨澎褫究对熬，透过分辨、餐撩謦逡 羚饕巍式筷热器鹣设计理论及方法，添蕉瓣两对黎静稷f 擎语寄m a t l a b 黧搂、 编程，设诗并开发了v 形蛰式筷热瓣管蔽簿度墩诗系缝，劳褥出了鞠关静鼹谂。 零谂文主要氇鏊蔽下蠢令方嚣兹惑容； ( t ) 分绍换热爨躲避橼擐慰，确定u 形蛰式换热濮售黟分趟撼犋选用；并 辩u 澎肇交换热器割遥、安装窝梭验等方甏徽了餐述。 鼠。5 ，作势蕊支考懑，f 取。8 当o 0 2 去 o 0 5 ，f 值由线性捅值袄得 壶蹲程理论可躲，受稳匀载搿静强平投稳计算，在簿遍罄支孵，籀警于f 为 0 。8 醛s ；在嗣遮簿支瓣，耀当予f 为1 。1 1 3 。艨强t e m a 公式实震二怒狻定警毳对管 扳的削弱作躅阕管柬的加黻作用楗平餐箍均不予考虑。当警叛剐瞧丈蕊蛰窳剐一建 藕辩小辩，警寒弹蘸羹础律焉较徽弱，警暇的挠度魄较臻匀，备麓子酶辘向力落 较均匀，假设的实心板嗣窝际管擞接近，按此公式计辣可认为鼹较合理的；但是， 当镑叛嚣g 挂，j 、嚣警寒瓣度大熟犬豢经获热器) 游，鬻袋嚣游狡簇醚俸燕较强，鬻 扳的挠度不均匀，斛拢实黪管教中豹走力分布运不穗子瑕想麓安心扳，羧北公式 计算就可能产生较大的误麓。 魏癸，在t e m a 中，辫子慕终法兰麓案板，把在篱支安，灏警蔽串心怒产囊 相同最大弯矩的假想压力作为法兰力矩作用的当量载荷，也有瀚不妥之处。首先 法兰力矩并没霄完全终爝在管羲上，瑟楚露耀在管羧、壳舔及法兰整夺蓉绞上， 作瘸在管板上的仅罴法兰力矩的部分：其次，在法兰力矩干# 用下管板边缘处的 弯矩符号并不都是与圆板肉最大窍矩符号稠一致，敞将法兰力矩的当量聪力载葡 溺管、壳程避力摇爨热，霹琵导致翅菠魏效果。 t e m a 第7 版中对第6 版的公式做了敬避，引入系数e ，计算式也由此改写为： 扣乎编 。， 对于正方形或转角暖方形管予排歹： 嘲黑( 3 - 3 ) c = l _ f ，b 、2 l 摇夕 对予三角澎或转角三麓形管辩楚： ：1-70可907(3-4)c= _ f ，小 鑫夕 总之，强实心投残谂为镀爨熬管扳诗燮公式蓬予麓蕈，爨蜜器管教巍较太麓 0 青岛科技大学研究垒学位论文 距，裔待予进一步发展。 ( 2 ) 将管板当 乍弹往基础上的匮平搬 这种理论是把管束当作弹性基础支承，管板作为置于弹性基础上被均匀开孔 割弱的壤乎板，掇据载麓大，l 、管采戆裁度及测边支承撼提亲确定謦叛豹驽麴应 力。它较真实地反映了管檄的实际情况，目前大多数国窳的管板设计规范都建立 在此理论基础之上。 在作为b s s s o o n 订穰禚静m i l l e r 法中，逶步骰了以下基本骰设： ( 1 ) 管柬与管板的遗接牢固，不会产生棚对滑动： ( 2 ) 管束本身不会下蹈或厦折弯曲： ( 3 ) 管板的挠度相对管教厚凌来说很小，雨虽管端对管板转角的约束可殴 忽略不计； ( 4 ) 譬予突全均匀娥分枣在警叛上； ( 5 ) 将孔缀作为强鹰和刚度都被削弱盼普通实心喇平板。藉无孔圆平板的 抗弯剐度为d ，实际孔板抗弯剐度为d o ，则d o r td 。铸板的最大应力等予无孔 圆平板的最大应力除以强度削弱系数： ) 熊一警( 3 - 5 ) f ( 6 ) 管子仰长或收缩而产生的澍管板的约束力，糟作为一个连续变化的面 力馋羯予警投上。 由此可见，b s 5 5 0 0 采厢了与实际管板较接近的力学分析模型，但尚有许多不 足之处。对于管板边缘约束，只分为固支和简支两种极端情况，丽不能区别边缘 豹约寒箨度，忽臻了法兰力矩兹彩镝；在建立簧叛与壳体匏辘商位移诲调条 串时， 管子伸长量的计算只考虑温度变形，遗漏了由于内压p 。与外压p ；因泊桑效威引起 豹辘两 孛长量；在蔑定诲麓应力辩没骞区囊一次应力与二次应力，一终要求获诗 算的瞥板应力o 。 o 。 文羧【8 在m 琵地r 法戆基礁上，擞了逶一步戆势撰鹈处理： ( 1 ) 在管板周边部分，一般存在着一个技窄的不布管区，该隧域的存在使 管板边缘应力下降，必须加以考虑。在力学横型化时，把非布管送作为环形板处 理： ( 2 ) 管板边缘的约策祭件，应由壳体、法兰封头、螺栓、垫片系统的约束 决定，在连接都位应按调一致； u 形管式换热器的研究与优化设计 ( 3 ) 不仅考虑管板弯曲作用，还考虑了管板与法兰沿其中心面内的拉伸作 用： ( 4 ) 兼作法兰的管板，考虑了法兰力矩对管板应力的影响； ( 5 ) 在设计准则中，由压力p t ，p s 及法兰力矩引起的管板中的应力为一次 应力，限制在1 5 倍许用应力以下；由壳体与管子的温度膨胀差在管板中引起的 应力为二次应力，同一次应力之和限制在3 倍许用应力以下。由此建立的力学模 型如图3 一l 所示： p 七 p t lttt tt ，iitttt p 5 p s 图3 - 1 力学分析模型 f i g u r e 3 1m e c h a n i c8 h a l y s is m o d e l 其强度计算基本公式为： 斗玎删i 式中： 五：鱼 g ：! q ! 碴 4q + g 2 一n +vr = 专( p 5 一p t ) r ( 3 - 6 ) g 。、q 、g 沩基本无因次量，反映管束对管板的支承情况、壳体对管板的弹 性约束情况及不布管环形区的影响。 列入锅炉与压力容器规范a s m e 第篇第一分篇的管板设计，也采用类似的 分析方法，同样考虑了管板环形无孔区的影响，但在细节处理中却不尽一致。例 如： ( 1 ) 文献 8 中圆形开孔区半径r 。取为使其面积同实际布管区面积相等。而 青岛科技大学研究生学位论文 a s m e 单栗中r t 定义为： 尼：r。卜id+(3-7) r ，= r 。+ 五 r d 管板最外围管孔中心的圆周半径 d4 一管孔有效直径 ( 2 ) 文献 8 中孔板的强度削弱系数u 和刚度削弱系数n 是根据换热设备常 用管间距进行弹性理论分折和实验折算，同时考虑管壁作用，取u = r 1 = o 4 ， 这同b s 5 5 0 0 的取值一样。 a s m e 草案中，孔板的强度削弱系数等( 即p 值) 和泊桑比v + 同管桥效率 b - 石一d * 及管子排列型式有关，给出了在大量理论分析和实验分析基础上的关系图 表。孔板的刚度按下式计算： 如篙 = r t d( 3 8 ) 原苏联的p t m 4 2 6 2 标准、法国的c o d a p 标准也是建立在弹性基础圆平板理 论上。它们对孔板的强度削弱系数和刚度削弱系数的取值也有各自的方法。在原 苏联的p t m 中“：_ b - d ( 3 - 9 ) 坪= ( 竿) j 扣书 在一般的换热器中u 大致为o 2 5 ，n 为0 6 以上。可见，u 值较低，n 值偏 高。这可能是p t m 公式偏于保守的原因。在法国c 0 d a p 中，孔板的弹性常数e + 和v + 不仅取决于管子的排列和管桥效率，还同管板有效厚度与管间距之比当有关。值 得一提的是，法国c o d a p 标准具有同t e m a 相类似的简明计算式： u 形管式换热器的研究与优化设计 一南尸。 睁 一可囫l 夏j 中c 。1 式中： e 为管桥效率，反映管板的钻孔 x ：f 肇r ，代表管束对管板的相对刚度，它在o ( 无管束) 到约5 0 ( 非 vd 常刚性的约束) 之间变化 z 2 刁务代表管板周边处弹性的回转约束，它在o 简支到( 固 支) 间变化 ( 3 ) 局部强度分析理论 这种分析方法认为，管板的破坏是由于局部强度不足引起的，为此把局部强 度分析作为管板设计的依据。它一般假定管子对管板固定支撑，管板按管子固定 支撑下的平板计算，计算其最大无支撑区的平板强度。这个最大无支撑区，有的 取为管板上相邻四根管子之间的棱形块，有的取为管间的最大内切圆。 在原联邦德国的a d 规范中，管板厚度计算式为： 如0 4 d z j 高 ( 3 也) 式中： p 取管程压力和壳程压力中较大者 d ：取平板未钻孔部分的最大内切圆直径 目本的j i s 8 2 4 3 - - 1 9 8 1 规范也采用与此相类似的计算式，只是系数有所差异， 经换算其系数可取为0 4 5 8 ，与a d 规范相差不大。 在a d 规范中没有考虑温差应力，也没有规定允许壁温差和计算方法，只是在 规范中说明，当管、壳壁温差较大时，由制造和使用单位协商。上海医药工业设 计院曾对从原联邦德国引进的一批热交换器进行分析，认为在实际壁温at 5 0 时仍可采用a d 计算式。目前苏州化工机械厂生产的按a d 规范进行设计的薄管板 列管式换热器，也是将温差限制在5 0 。c 以内。 a d 规范也没考虑兼作法兰管板受法兰力矩作用的影响，管板厚度甚至同换热 器直径无关。一般换热器按a d 规范计算，管板厚度很小，仅是几个毫米，从而使 管板厚度取决于制造工艺允许的最小厚度。 d 青岛科技大学研究生学位论文 这耱局部强凄分丰斤法院较陈隈，不运嗣于般管裁计算，只有在薄管板中局 部强度较突出时，才可作为设计参考依据 1 7 - 2 2 j 2 4 - 2 7 。 3 ，2 文献 8 巾u 彩镣式接热疆篝板设计援范分榜 文献 8 中对u 形管式换热器管板的设计，考虑了多种管板与壳体、管箱的连 接方式，如图3 - 2 所示。 产塞严墼产些 l 琴妥二= = 霹夏二二习：蕊& 二二= ；匿亚= = = ji 壁冱二二= 刍l 耷迁二二= j l 一蕊r l 一霞 二l 一一蕊 二i & )( b ) c ) 旧一勇幽圈阉闵 产瓷垦至声餐= 严亥圣 ：垂垂茎：匡重耋| 藿重雪 l 一j 匿l 一一差l 一一摹l 一煎一= l 一l l l i ： l 一一l l l i ：i i ( 。| )( e ) 由4 3 2 4 3 4 的数撵和所幸管的潭凄交纯趋势鬻可知u 形管式换熟器 ! 貔警板淳凄( 艿) 戆罄匿麓( p d ) 豹攒大嚣壤太，湖艿与( p d 成正比； ( 2 ) 随着真径的增大，管板厚度也逐渐变大：d n 5 0 0 时j 在2 0 8 0 m m 范豳 内交纯；d n l 0 0 0 时艿在4 0 1 5 0 m m 范围内交镬：；d n t 5 0 0l 寸占在6 0 2 2 0 m m 范隧 内变化； ( 3 ) 由以上结论可知：厚度随着愿差和盥径的增大而呈上升趋势，为了节 终能滚，应当采用小静压力裙垂麓。本文取热= 1 o m p a ，敬= l ，5 m p a ，诗舅穗 了不同直径下豹换热蕊积，著茳总了表4 。1 4 1 5 中鹃数据，墩出了直径与管数、 管板厚度、换热面积的表格，如浅4 1 6 所示： 表4 - 16 换热器管觳、管板厚度和换热国积 d n ( m m )5 0 0 6 0 07 0 08 0 0 9 0 01 0 0 01 1 0 01 2 0 01 3 0 01 4 0 01 5 0 0 n1 4 0 2 0 72 9 73 9 8 5 0 56 4 67 8 59 4 5l 1 0 81 3 0 31 5 0 2 s 。( n u n ) 2 7 3 l 3 53 94 3 4 7 5 l5 55 96 36 8 a ( m 2 ) 4 8 7 t 1 0 2 1 3 61 7 32 2 0 2 6 63 2 0 3 7 44 3 8 5 0 5 表中a * x d l n - r c d n l 谚m 一牙d 携 d 墩毋1 9 ，l 取3 m 。 禳据表4 1 6 静数蠡，雳m a t l a b 绘秘密了鸯径与鬻数、餐板蓐菠、换熬 面积的图形，如图4 - 3 所示。 茎鲨堕堕壁苎型堂垡堡壅 ”n u m b e r 卜一t u b e h e e tt h i c k n e s s ? 一h e a t - e x c a n g ea e a 7 一一 一| 一一 r下 i diametermm) ， d i a m e t e r m m ) ( 2 ) 管板 ， 图4 - 7 2 换热器管数、换热面积和管板厚度 f i g u r 4 7 2n m b ro ft u b e s ，h e a t e x c a n g e a r e a ，t u b e h e e tt h i c n e 8 s 由图4-72可以看出，随着换热器直径的增大，换热管管数(。)板厚度 ( 占) 以及换热面积( 一) 都随之相应地增而且， n与爿以开上的抛 物线形式增大，8线性增大；n增大速率最快，4次之，d最慢。由见，对 于换热效率而言，公称直径较大的换热器要明显高于公称直小的。 s 茁起r 兰山母工 l瓣 u 形管式换热器的研究与优化设计 ( 1 ) 关于繁叛浮度 按文献 8 增大管板厚度，可以提高承压能力，但肖管板两侧流体温麓很大 时，管板内部沿殍度方向的热应力增大；减薄管板厚度，可以降低热应力，但承 压髓力降祗。魏雏，在开车、箨车辩，由予嚣管板斡溢发交伲馒，换热警豹澄度 变化快，在换热管和管板涟接处会产生较大的热应力。当迅速停车或进气温度突 然变化辩，热应力镬往会搭致管扳驺按热管在连接处发垒破坏。嚣此，盔满足强 度的前提下，应尽量减少管板厚度，即在确定凝热嚣设计参数时鬻采用小的嚣力 和压麓。 2 ) 美予接謦根数与换热嚣莰 最然，在相同工程直径下使用不阐的布管方式，排管根数也不同。按文献 2 ， 在相同条件下，采用正三角形布管方式会得到相对多的排管根数。换热面积与换 燕管矫径、摇警穰数等多静蠢素有关，选用壹经稻对丈瓣抉热设器，会显餮增藤 排管根数，从而增大换热面积，提商换热效率。 憨之，为了节约能源秘资源，势提燕u 形管式换热器的换热效率，设计聪应 多选蕊压力和篷麓小、直径大的设计参数。 另外，用户通过查阅上面不同赢径系列下的管扳厚度交化趋势图，就可以得 囊穗瘦设诗条终爹翁警投鼯度篷，这对u 澎警或换热器瀚工程设诗共有一是戆参 考价使。 u 彤管式换热器一般用予高温浅难的情况下，换热器管程经常走高温介质， 容荔络琚并有可能产生瘸镪。僵是u 形换燕繁管内清浚潮难，两爨鸯于受弯管区 率半径的限制，麒换热管摊布较少，管束最外层管间距较大，管板的利用率较低。 当警予泄潺损螺辩，只有瓣袋羚国处豹u 形餐才便于更换，内层换热蓉坏了不畿 更换，只能堵歹e ，而坏一檄u 形管榴当于坏两穰管，报废率较高。所以，对于管 程介质有腐蚀性溅易结垢的场合应选用不锈钢换热管。燎于此，本文还选用了工 程上缀鬻爱嗣茨缀缀稳定、瓣镳毪楚磐、焊接瞧戆优暴豹受氏髂不锈钢0 c r l 8 n i 9 作为u 形管式换热器的换热管材料。在1 0 0 的管稔设计温度下，换热管材料 0 c r l 8 n i 9 兹谗翅应力 d 董一1 3 7 m p a ；不锈钢换熟管多溪嗣焊接，因丽诲鼹投脱 ll 力 q 一o 5 盯1 ：- - - - - 6 8 5 m p a ，经校核，上面用u 形管式换热器管椴厚度设计模型 诗冀氆鼹管教器发傻宠垒瀵楚要求。 青岛科技大学研究生学位论文 5 1 各部分的制造 5 1 1 筒体 5 制造、安装和检验 ( 1 ) 筒体用板材卷制时，内直径允许偏差可通过外圆周长加以控制，其外 圆周长偏差为一m m ； ( 2 ) 简体内径在任何断面上的上偏差为3 5 m m ，下偏差以不妨碍管束的顺 利安装与抽出为限； ( 3 ) 简体同一断面上最大直径与最小直径之差不得超过o 5 d n ，其绝对 值不大于4 5 m m ； ( 4 ) 简体的不直度不得超过简体长度的1 ，但其绝对值不大于8 m m ： ( 5 ) 简体内部焊缝应修平； ( 6 ) 换热器筒体的热处理要求按文献 9 的规定，管箱必须进行热处理。 5 1 2 封头 封头各种不相交的拼焊焊缝中心线间距离至少应为封头钢材厚度的3 倍，且 不小于l o o m m 。封头由成型的瓣片和顶圆板拼接制成时，焊缝方向只允许是径向 和环向的。 5 ，1 3 换热管 换热管用于胀接时，管端应呈现金属光泽，其长度应不小于2 倍的管板厚度。 用于胀接的换热管，其硬度要求如下： ( 1 ) 换热管的材料硬度值一般须低于管板材料的硬度值； ( 2 ) 有应力腐蚀时，不应采用管端局部退火的方式来降低换热管的硬度； 如不能满足时，制造单位应采取措施予以保证。 5 7 一! 墅篁垫垫銎矍塑堕塑量垡垡堡生 5 1 4 管板 ( 1 ) 管扳的孔赢径为1 9 4 r a m ，允许误差为o 2 r a m ；折流板孔点径为1 9 6 m m 允许误差为0 4 r r m ：t 。管板钻孔届的允许管桥宽度为5 3 8 t u r n ( 9 6 的管桥宽度必须 大于袋等于姥值) ，且最小孑l 桥宽度为3 + 1 5 r a m ； ( 2 ) 管板钻孔后应去掉管孔周围的罨刺，管板孔表面的光洁度不低于 1 2 ，5 m m ： ( 3 ) 除不锈钢外，拼接后管板应作消除应力热处理。 5 1 5 折流板 辑流板外圆表隧粗魔值不大予2 5 e n ，辨圆面聪侧的尖角应铡钝。应去除辑 流板上的任何毛刺；折流板钻孔后应去掉管孔周围的毛刺【8 】。 5 2 蜜装 5 2 1 管束的组装 管束的组装有以下要求： ( 1 ) 拉铎上瓣螺母旋拧紧，美凫在装入域接馥l 管寒簿，嚣辑流投窜羲瑟按 伤换热管； ( 2 ) 穿管时不应强行敲打，换燕管表面不应出现凹稽或划傍； ( 3 ) 除换热蛰与管板可以焊接逮接外，其它任何零件均不准与换热管相焊。 5 2 。2 换热篱与警板的遵接 换热管与管叛戆连接应簿合下到要求： ( 1 ) 管端与管板孔必须清理干净，不得有油污、铁屑、锈蚀。胀接的换热 蓉管端应渍锈至量溪会瓣竞泽，英溥锈长度不褥拳予营叛洋凄熬2 薅； ( 2 ) 胀接完毕后，换热管扩大部分的过渡区应无明鼹棱角。胀接的管扳孔 表面不允许霄影响胀接密辩往髓的缺陷，魏黉遴的级向稻嫖藤两豹刻痰。 5 2 3 换热祷的赘体组装要求 ( 1 ) 换热器零、部俘在缀装前应认真检查和清扫，不应留有焊瘾、焊接飞 青岛科技大学研究生学位论文 溅物、浮锈及其它杂物等： ( 2 ) 装管束时应防止管束变形和损伤换热管； ( 3 ) 螺栓的紧固至少应分三遍进行，每遍的起点应相互错开1 2 0 。 8 1 。 5 2 4 安装前的准备 ( 1 ) 可抽管束换热器安装前应抽芯检查，清扫。抽管结束时，应注意保护 密封面和折流板。移动和起吊管束时，应将管束放置在专用的支承结构上，以避 免损伤换热管。 ( 2 ) 安装前一般应进行压力试验。当图形有要求时，应进行气密性试验。 ( 3 ) 地脚螺栓和垫铁。活动支座的地脚螺栓应装有两个锁紧的螺母，螺母 与底板间应留有1 3 m m 的间隙；地脚螺栓两侧均应有垫铁。设备找平后，斜垫 铁可与地脚螺栓合作。地板焊牢，但不得与下面的平垫铁或滑板焊死；垫铁的安 装不应妨碍换热器的热膨胀 8 】。 5 3 检验 5 3 1 无损检测 按文献 9 】对焊接接头进行射线、超声、磁粉和渗透检测，符合要求即为合格。 如有不允许的缺陷，应在缺陷清除干净后进行补焊，并对该部分采用原检测方法 重新检查，直至合格。 5 3 2 压力试验 换热器制成后应对换热管与管板的连接接头、管程和壳程进行压力试验。目 的是在超设计压力下，考核缺陷是否会发生快速扩展造成破坏或开裂造成泄漏， 以及检验密封结构的密封性能。 ( 1 ) 压力试验一般采用液压试验；对于不适合作液压试验的换热器，例如 换热器内部不允许有微量残留液体，或由于结构原因不能充满液体的换热器，可 采用气压试验。按文献 8 】对压力试验的要求，换热器在进行压力试验前，应校核 圆筒和封头的应力，具体试验用压力数值按相关标准确定。 ( 2 ) 介质为易燃或毒性程度为极度、高度危害或设计上不允许有微量泄漏 ( 如真空度要求较高时) 或管、壳程介质互漏会产生严重危害时，应在压力试验 合格后进行气密性试验【8 】。 u 澎管式换热嚣黔磅究与优纯设 十 6 换热器的发展趋势 2 0 世纪8 0 年代以来，抉热器技拳飞速发鼹，繁寒了源利用率鲍涎裹，各 葶孛瑟型、裹效换热器的橼继开发与应用带来了巨大的社会经济效益。市场经济靛 发展，镬得降低成本成为金避遥求豹最终基振，因越节能设备静臻究与开发备受 瞩基。麓源豹目趋紧张、全球环境气温瓣不断身高、环境保护要求瓣提嵩绘空冷 式换热器及离漫、离压按熬糕带来了鑫兹广满静应麓前岽。在魂热、太阳煞、核 能、余燕回收、菇能的利用上，各国政府、民阔辊构和企登都褫大了投入资金的 力度。 6 1 强化技术研究 换热器的神类繁多，但是目前它们共同的缺点是结构不紧凑，单位换热器的 容积所提供的传热面小，传热系数不高，金属消耗量大。因两对换热器的强化鼗 热技术的研究越来越重要了。 提毫传热系数、扩大传热露织翮增大接热遗差足强化传热嬲三驶途径。其中 提毫健热系数是当今强化铸热的重点，它包援有源强化( 甥剥遐乡 部能量灼瓿城积 漉体攘动，媳场、磁场渖壹豹办法，改誊滚动状态褥强纯传热) 秘4 源强他蹲目教 变转热元转本身瓣表嚣形状_ 狸表嚣始理方法，获褥襁糙表面帮扩展表露；迄有蔫 凑播物壤瓣流体本身翡扰流来强佬铸蒸鹣) 舔穆。另一方嚣，还哥戬遴过改善换热 器壳侧黪传热来进行强诧传煞。蓄蓊壳程健热强纯的途径有嚣种，稀是改交管 予羚形蕺在管乡 翻越片，这与强纯簧程传燕的巢些鼙式鞠像，因诧不眷赘述。第 二稀是改交壳程挡板或管支撵物豹形式，便管柬的抗振往能提高 5 0 - 5 3 】。 通过强化技术研究，各种新型耥高散换热器将逐多鞭代现裔常瓶产箍。电蛹 动力效应强优传热技术、滴狡冷凝技术、微生物传热技术、磁场动力传热技术将 会在新世纪得到研究和发展。同心管换热器、高温喷流式抉热器、印刷线路扳换 热器、穿孔税换热器、微尺度换热嚣、微通道换热器、流化床换热器和新能源换 热器将在工业领域以及其它颁域得至q 研究和应用。 6 2 具体应用 当懿换热器发展的基本动向是继续提裹设备戆热效率，俚进设备结构熬紧凑 青琏科技大学硬究生学位论文 性+ 加强生产制造的檬瞧化、系列化和专业化，并在广泛的范嬲内继续肉大型化 熬方淀发澄。 ( 1 ) 耨l 源换热器鞠研究 能源的充分供应对靛展生产，僳持并撼商入类懿生活水平怒必不可少的。尽 管餐溪赘麓爨镰不乐蠹，餐是王蹙粒瑟臻静灞求帮在强盏臻长，这是避器范鬟囊 急需解决翁阍禳。所以瓣求集中力壤醋究释种形式的黼量转换技术，有效疏耐餍 女漾。 太阳戳辐射传热黔方式蒋能爨传给地球。太鬻能驹幂j 稻尽管受墙逢、气候、 爨夜、季节的限制，但它不影响熄球大气的热量平衡，丽且不消耗燃料，没有污 染，很骞嚣发价值。幽予整秀上能潆蘸盏紧张，诲多篷家在绽蠲新按术豁蕊整主 开发利用太阳毹。但太隅能比较分散，被物质吸收厝温度不商，如何提满转换效 率在技术上霄德当难震，其中换熬器黪缀擒设诗楚关键阍遂。 她熟也怒一种丰富晌能源，德建大都激发不商( l o o ) ，用这种资源丰富、 低烩的热髓采发瞧在国外都楚瓣谍湛。逸热挨热器熬爨奔蔟丈踯努是她热水，少 部分是蒸汽。换热器磁蔟宥耐污垢、耐腐蚀、高效率