（化工过程机械专业论文）固定管板式换热器的研究与优化.pdf

固定管板式换热器的研究与优化 摘要 本文对固定管板式换热器进行了深入的研究，首先，在管板厚度研究方面， 对换热器公称直径分别为4 0 0 m m 、1 0 0 0 m m 和1 6 0 0 m m 的固定管板，在管程压力 和壳程压力均为1 0 m p a 至6 0 舭的条件下进行了反复的人工计算和校核，得 到了管板厚度随管程压力及壳程压力变化的优化计算结果，并用m a t l a b 仿真出 了结果的二维曲线图和三维曲面图，分析和讨论了管板厚度和各种应力随着工作 压力变化的基本规律；其次，在固定管板布管研究方面，按照f 确的布管计算方 法，对换热器公称直径为4 0 0 m m 至1 6 0 0 m m 的管板实施了单壳程单、双管程条 件下的人工计算布管并画出了相应的c a d 布管图；运用计算机语言编制了管板 的布管程序，得出了换热器公称直径为4 0 0 m m 至3 5 0 0 m m 之间的、单壳程单管 程条件下的固定管板布管结果，对两者进行了比较，结果表明在相同的固定管板 式换热器公称直径条件下，固定管板的计算机辅助布管更充分、更方便、更有效； 最后，在固定管板式换热器整体优化研究方面，采用了线性加权法，结合各设计 参数的权重，确定了换热器优化设汁的目标函数及约束条件，对实例进行了优化， 得到比较满意的优化效果。本文的研究对固定管板式换热器管板的工程设计具有 一定的指导性作用，即根据设计条件，选择相应的管板厚度就能满足要求：同样 对固定管板换热器及其它类型的管壳式换热器的管板布管和优化具有一定的参 考价值和现实意义。 关键词：固定管板厚度布管优化 s t u d ya n do p t i m i z a t i o no ff i x e dt u b ep l a t e t y p eh e a te x c h a n g e r a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , p r o f o u n ds t u d i e so ff i x e dt u b ep l a t eh e a tt y p ee x c h a n g e ra r ec a r r i e d o u t ：f i r s t l y , i nt h es t u d yo ft u b ep l a t et h i c k n e s s r u l e ，d e t a i l e da r t i f i c i a lc a l c u l a t i o na n d c h e c ko ft u b ep l a t ea r ei m p l e m e n t e da c c o r d i n gt op r o c e d u r e s t h et u b ep l a t ew i t h d i f i e r e n th e a te x c h a n g e rn o m i n a ld i a m e t e r s ( 4 0 0m i l l i m e t r e s 、10 0 0m i l l i m e t r e s 、 16 0 0 m i l l i m e t e r s ) a r eu n d e rs h e l lo rt u b ep r e s s u r eo f1 0t o6 0m e g ap a s c a l r e s u l t so f t h i c k n e s s e su n d e rv a r i e dp r e s s u r e sa r eo b t a i n e d ，t w o d i m e n s i o nc u r v ed i a g r a m sa n d t h r e e d i m e n s i o nc u r v e df a c e sa r ee m u l a t e dw i t hm a r l a b s o m eb a s i cr u l e so f t h i c k n e s sa n ds t r e s s e sa r ea n a l y s e da n dd i s c u s s e d ：s e c o n d l y , i nt h es t u d yo f t u b el a y o u t w i t hd i f f e r e n tn o m i n a ld i a m e t e r s ( 4 0 0m i l l i m e t r e st o16 0 0m i u i m e t r e s ) a n du n d e rt h e c o n d i t i o no fs i n g l ea n dd o u b l et u b ep a s s e s a r t i f l c i a lc a l c u l a t i o i l so fi tw i t hc o r r e c t m e t h o da r ed o n e ；a l s o ，c o m p u t e ra i d e dd e s i g nd i a g r a m so fi ta r ef i n i s h e d ；c o m p u t e r p r o c e d u r e sf o rt u b el a y o u tu n d e rt h ec o n d i t i o no fs i n g l et u b ea n ds h e l lp a s sa r e p r o g r a m m e d t h e nt h en u m b e ro ft u b e si sr e c e i v e d ( n o m i n a ld i a m e t e ri sf r o m4 0 0 m i l l i m e t r e st o3 5 0 0m i l l i m e t r e s ) w i t ht h ec o m p a r i s o no ft h e m , y o uc a ns e et h e a d v a n t a g e so ft h el a t t e rw i t ht h es a r n en o m i n a ld i a m e t e r i t i sm o r es u 蛹c i e n t c o n v e n i e n ta n de f f i c i e n t ；a tl a s t ，i nt h ei n t e g r a lo p t i m i z a t i o nd e s i g no ff i x e dt u b ep l a t e h e a te x c h a n g e r , l i n e a rw e i g h t i n gm e t h o di sa d o p t e d t h eo p t i m i z a t i o nc a nb ed o n e w i t ht h es p e c i f i cp a r a m e t e r s ，t h eo b j e c t i v ef u n e t i o na n dc o n f i n e m e n t sa r ed e f i n e d ， s a t i s f i e dr e s u l t sc a nb eo b t a i n e d t h es t u d i e su p w a r da r et op r o v i d ei n s t r u c t i o n sf o rt h e e n g i n e e r i n gd e s i g n so ff i x e dt u b ei nf i x e dt u b ep l a t et y p eh e a tt y p ee x c h a n g e r t h a ti s t os a v y o uc a ns e l e e tt h es u i t a b l et h i c k n e s sr e s u ro ff i x e dt u b ep l a t et om e e tt h e r e q u i r e m e n t so fc e r t a i nc o n d i t i o n s ；a l s o ，t h e ya r eo fr e f e r e n c ea n da c t u a lm e a n i n g st o t u b el a y o u to ff i x e dt u b ep l a t eh e a tt y p ee x c h a n g e ra n do t h e rt y p e so fs h e l la n dt u b e t y p eh e a te x c h a n g e r s k e yw o r d s ：f i x e dr o b ep l a t et h i c k n e s st u b el a y o u t o p t i m i z a t i o n 管板计算符号表 符号说明 a 壳程圆筒内直径横截面积，r n l n 2 ； 4 在布管区范围内，因设簧隔板槽和拉杆结构的需要，而未能被换热管 支承的面积m m 2 ； 例如双管程管板，对于三角形排列： a d = n s ( s 。- 0 8 6 6 s ) 对于证方形排列： a a = n s ( s 。一s ) 式中：s 换热管中心距，m m ； 鼠隔板槽两侧相邻管中心距，m m ； n 沿排管槽一侧的排管根数。 a 管板布管区内开孑l 后的面积，m m 2 ： a 管板布管区面积，删2 ； 对于单管程换热器： 三角形排列a = o 8 6 6 n s 2 正方形排列a - - - n s 2 对于多管程换热器，a 。应取上式计算值与以之和 a 一根换热管管壁会属的横截面积，m m 2 ； b ，壳体法兰或管箱法兰的宽度，m m ； c 系数，按疋d 。和正d 查文献 1 7 图2 5 ； l i i c ”系数，按瓯i d 。和群d i 查文献 1 7 图2 5 ； d ，壳体法兰或管箱法兰外直径，坍； 口壳程圆筒或管箱圆筒内直径，m m ； 口管板布管区的当量直径，m m ： d 换热管外径，m m ： ， e ，壳体法兰材料弹性模量，m p a ； e ，管箱法兰材料弹性模量，m p a ； e 。管箱圆筒材料弹性模量，当管箱法兰采用长颈对焊法兰时，取管箱法 兰的材料弹性模量；当管箱法兰采用乙型平焊法兰时，取法兰短节材 料的弹性模量，m p a ； e 。管板材料的弹性模量，m p a ； e 。壳程圆筒材料的弹性模量，m p a ； e ，换热管材料的弹性模量，m p a ： g i 系数，当m o r ；，取g 。与g 。；两者中的较大值；当r a o 时，g k = 3 u r a k ； g 。系数，当肌 0 时，按k 和m 查文献e 1 7 图3 1 ( b ) 实线；当m 0 时， 按丘和m 查文献 1 7 图3 1 ( b ) ： g ：系数，按k 和霞，查文献 1 7 图2 9 ； g 3 系数，按置和q 查文献 1 7 图3 0 ： 足换热管加强系数； k ，壳体法兰与圆筒的旋转刚度参数，m p a ： k ，管箱圆筒与法兰的旋转刚度参数，m p a ： k ，旋转刚度参数，m p a ； 对于其延长部分兼作法兰的管板：丘，2 k ， k ，旋转刚度无量纲参数： k ，管束模数，m p a ； k 管板周边不布管区无量纲宽度； 三换热管有效长度( 两管板内侧间距) ，, r t ； 卜一换热管与管板胀接长度或焊角高度，m n ； 厨管板边缘力矩系数：对于其延长部分兼作法兰的管板，即是法兰力矩 系数： m ，系数； 詹。边界效应压力组合系数； m 。基本法兰力矩，n - m 研，按文献 1 6 第9 章确定； 府。，基本法兰力矩系数； m 。管程压力操作工况下的法兰力矩，按文献 1 6 第9 章确定，取计算 压力为p ，n m m ； 届。管程压力操作工况下的法兰力矩系数； 府管板边缘力矩变化系数； 厨，法兰力矩变化系数； 厨。壳体法兰力矩系数； m 管板总弯矩系数； 管板第一弯矩系数，按k 和足，查文献 1 7 图2 7 ： m ：管板第二弯矩系数，按k 和q 查文献 1 7 图2 8 ( a ) 或( b h h 换热管根数； 只有效压力组合，m p a ； v 咒边界效应压力组合，m p a 只当量压力组合，m p a ； p ，壳程设计压力，m p a ； p ，管程设计压力，m p a ： q 壳体不带波形膨胀节时，换热管束与圆筒刚度比 q 。壳体带波形膨胀节时，换热管束与圆筒刚度比： q 换热管与管板连接的拉脱力，m p a ： g 许用拉脱力，m p a ； s 换热管中心距，m m ； f 。制造环境温度，： t ，沿长度平均的壳程圆筒会属温度，； t t 沿长度平均的换热管金属温度，； u 管板边缘剪切系数： y 系数，按文献 1 6 第9 章，按k = d ，d 。查取； 口。壳程圆筒材料线膨胀系数，( ) 1 ； 口，换热管材料线膨胀系数，( ) - i ； 口系数； ，换热管与壳程圆筒的热膨胀变形差； 6 管板计算厚度，m m ； 占，壳体法兰厚度，m m ； 彰管箱法兰厚度，m m ； 占。管箱圆筒厚度，当管箱法兰采用乙型平焊法兰时，取法兰短节厚度 v i m m ； 占，壳程圆筒厚度，r n m j 换热管壁厚，聊聊； 口管板刚度削弱系数，一般可取u 值； 旯系数； u 管板刚度削弱系数，般可取= 0 4 ； 善法兰力矩折减系数； p ，管板布管区的当量直径与壳程圆筒内径之比； ，一系数； ，一系数； 盯。壳程圆筒轴向应力，m p a ： 盯：壳体法兰应力，m p a ： 仃。管板径向应力，m p a ； 盯管板布管区周边处的径向应力，m p a ； 子管板径向应力系数： 子管板布管区周边处的径向应力系数； 盯换热管轴向应力( 位于管束周边处换热管轴向应力) ，m p a b ：在设计温度时，壳程圆筒材料的许用应力，m p a ； p 】，换热管稳定许用压应力，m p a ； p 】；壳体法兰许用应力，m p a ； b p 在设计温度时，管板材料的许用应力，m p a ； b ，在设计温度时，换热管材料的许用应力，m p a ； v i i 沙系数； f 。管板布管区周边剪切应力，m p a 瓦管板布管区周边剪切应力系数； 壳程圆筒的装配环向焊缝系数； c o 系数； 0 9 ”系数。 法兰计算符号表 4 。一一实际使用的螺栓总截面积，以螺纹小径计算或以无螺纹部分的最 小直径计算，m m 2 ； a 。需要的螺栓总截面积，m 聊2 ； b 挚片有效密封宽度，肌珊； “垫片基本密封宽度，m m ； d 。螺栓中心圆直径，川； d 。垫片压紧力作用中心圆直径，聊肌； f 流体压力引起的总轴向力，； 只预紧状态下，需要的最小垫片压紧力，n ； 作用于法兰内径截面上的流体压力引起的，n ； f g 窄面法兰垫片压紧力，； 凡操作状态下，需要的最小垫片压紧力， ； 一流体压力引起的总轴向力与作用于法兰内径截面上的流体压力引起 的轴向力之差，n ； 三。螺栓中心至法兰颈部( 或焊缝) 与法兰背面交点的径向距离， m m v i l l 上。螺栓中心至f o 作用位置处的径向距离，m m 。螺栓中心至作用位置处的径向距离，聊聊： 三，螺栓中心至作用位置处的径向距离，m m 青岛科技大学研究生学位论文 1 1 换热器技术的发展概述 1 绪论 过程工业如化学、石油、化工、食品、动力、冶余和原子能等工业部门直 接创造着社会财富，对一个国家的经济起着至关重要的重用。近年来，石油化 工已经在我国国民经济中成为一个重要的支柱产业，并在我国国民经济中占有 越来越重要的地位。因此，掌握石油化工行业的新知识、进行石油化工行业领 域内的技术革新，对于我国石油化工行业，特别是在国内石油化工设备方面远 落后于欧美发达国家、能源问题越来越突出的前提下，显得尤为重要。国内大 型石油化工企业所使用的关键设备大部分是购买国外的，而且是发达国家上个 世纪七、八十年代的产品，很多处于超期服役的状态。 众所周知，石油是现代工业的血液，它经过过程加工后，可以产出燃料油 和润滑油等。同时，通过石油加工，可以得到各种合成纤维、合成塑料、合成 橡胶、化肥、农药、医药、炸药以及有机化工原料等重要产品，很多生活用品 都或多或少用到了石油的副产品。由于原油组成、性质、所含有害元素和要求 加工的产品不同，原油的加工工艺也就不同，所用设备也就不同。石油化工设 备是实现各种原油加工工艺的基础和保障，采用不同的材料、结构和制造工艺， 就可以制造出满足各种要求的石油化工设备，达到抗腐蚀、抗冲蚀、耐高温和 抗蠕变等不同性能，以适应不同的原油性质，从而满足加工工艺的要求。 在石油加工的工艺过程中，绝大多数化学反应或传质过程都伴随热量的变 化。为了保证这些过程能继续进行，就必须排除多余的热量或补足所需的不足 热量：并且为了最大限度的利用和节约能源，工艺过程中的废热或余热也要回 收利用；以及为了便于存储和运输，反应过程中得到的产品也必须进行冷却或 冷凝。总之，几乎所有工艺工程都有加热、冷却或冷凝的过程，而热量的传递 和交换都必须通过换热设备进行。换热设备不仅是石油化工中的重要工艺设备， 而且是重要节能设备。 换热器是一种实现物料之间热量传递的节能工艺设备，在炼油、化工装置 中换热器占总数量的4 0 左右，占总投资的3 0 4 5 【1 1 。近年来随着节能技术的 发展，应用领域不断扩大，利用换热器进行高温和低温热能回收带来了显著的经 济效益。 换热器在工、农业的各领域应用十分广泛，在同常生活中传热设备也随处 同定管板式换热器的研究与优化 可见，是不可缺少的工艺设备之一，因此换热设备的研究备受世界各国政府及 研究机构的高度重视，在世界第一次能源危机爆发以来，各国都在大力寻找新 的能源及在节约能源上研究新途径。在研究投入大、人力资源配备足的情况下， 一批具有代表性的高效换热器和强化传热元件诞生了，如板翅式换热器、大型 板壳式换热器和强化沸腾的表面多孔管、t 形翅片管、强化冷凝的螺纹管和锯 齿管等，社会效益非常显著，大大缓解了能源的紧张状况。 国内的各研究机构、高等院校对传热理论及高效换热器的研究一直非常重 视，走过了从引进、消化、吸收、发展到自主开发的历程。从2 0 世纪5 0 至6 0 年代的照搬发展到7 0 年代的消化吸收，进入8 0 年代以来国内又出现了自主开发 传热技术的新趋势，大量的强化传热元件被推向市场，形成第一次传热开发浪潮。 到9 0 年代中期，大量的强化传热技术应用于工业装罨中，带来了良好的社会效 益和经济效益。近几年国内应用的强化传热技术基本上是8 0 年代中期开发的， 由于国内市场较大，使用者多不了解，认为很多技术都是新开发的。在9 0 年代 大量应用的基础上，积累了大量的经验，预计在今后几年将会再掀起一次传热技 术开发的高潮。 计算机应用的普及大大提高了工作效率，工艺设计水平随之提高。h t f s 和 h t r i 软件技术的引进，缩短了国际间传热技术水平的差距。换热流程优化软件 和物性模拟软件的引进使得装置的热强度有了飞跃性的提高，已从单套装置的热 强度2 0 m j m 2 h 提高到2 5 m j m 2 h 以上，个别已达到3 0 m m 2 h 以上。国内像s w 6 、 l a n s y s 强度软件及新的强化传热技术软件包的开发为上述提供了可靠的保证， 目前国内己基本形成自己独特的传热技术软件包并具有开发能力，这些将在未来 的十年内使中国步入h t f s 和h t r i 等具有国际公认水平的技术领域。 近年来国内在节能、增效等方面改进换热器性能，在提高传热效率，减少 传热面积，降低压降，提高装置热强度等方面的研究取得了显著的成绩。流程 优化软件技术的发展带来了换热器应用的增多。2 0 世纪8 0 年代常减压装置的 换热器用量在7 0 台左右9 0 年代换热器用量达9 0 至l o o 台，9 0 年代末至今已 超过1 4 0 台。换热器的大量使用有效地提高了能源的利用率，使企业成本降低， 效益提高。 1 2 换热器的分类及其特点 工业生产中使用的换热器型式很多，而且仍在不断发展。按使用目的不同， 换热器可分为加热器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。由于使用的条件和工作的环 境不同，换热器又有各种各样的型式和结构。按传热原理和实现热交换的方法， 青岛科技人学研究生学位论文 换热器可分为问壁式、混合式和蓄热式3 类，其中以间壁式换热器应用最为普遍。 问壁式换热器种类很多，如夹套式换热器、套管式换热器、蛇管式换热器、 板式换热器、板翅式换热器和列管式换热器，列管式换热器又叫做管壳式换热器， 是目前应用最广泛的一种换热器。 1 3 管壳式换热器 管壳式换热器的应用已有十分悠久的历史。管壳式换热器是一种传统的标准 换热设备，广泛应用于化工、石油、制冷、核能和动力等工业。由于世界性的能 源危机，工业生产中对换热器的需求量越来越多，对换热器的质量要求也越来越 高。在近代的许多化工过程中，如裂解、合成和聚合等，大都要求在高温高压下 进行，有的压力高达2 5 0 m p a ，温度则高达7 5 0 ，又腐蚀的情况下，实现换热 更困难。而管壳式结构具有选材范围广、换热表面清洗方便、适应性强、处理能 力大、能承受高温和高压等特点【2 】。一方面，伴随着现代化工厂生产规模的同益 增大，换热设备也相应地向大型化方向发展，以降低动力消耗和余属消耗；另一 方面，随着精细化工的迅速崛起，换热设备也有向小而精方向发展的趋势”】。管 壳式结构的换热器能满足这样的要求。 近几十年来，随着紧凑式换热器( 板式、板翅式等) 、热管式换热器和直接 接触式换热器等的发展，管壳式换热器面临着挑战，在某些场合，管壳式换热器 已被一些新型换热器所取代，但由于管壳式换热器具有高度的可靠性和广泛的适 应性，它的产量至今仍占统治地位。目前工业装置中管壳式换热器的用量占全部 用量的7 0 。管壳式换热器结构也有较大的改进和发展，从原来传统的弓形隔板 加光滑管的结构，发展为其它类型的管间支撑物加强化管的结构，由于这些结构 上的改进，使得管壳式换热器的传热与流体阻力性能有了明显的改善，加上本身 固有的优点，如耐高温、耐高压、结构简单和清洗方便等，使得管壳式换热器在 激烈的换热器竞争中得以生存和发展。 管壳式换热器主要包括固定管板式、浮头式、u 形管式、填料函式等结构。 根据介质的种类、压力、温度、污垢，以及管板与壳体的连接方式、换热管的形 式与传热条件、造价和维修检查情况等，结合各种结构形式的特点选择、设计和 制造各种管壳式换热器。 同定管板式换热器的研究与优化 图1 - 1 固定管板式换热器的典型结构 f i g 1 - 1t y p i c a ls t r u c t u r e o f f i x e d t u b e p l a t e h e a te x c h a n g e r ( 1 ) 固定管板式换热器 固定管板式换热器两端管板，采用焊接方式与壳体连接固定。固定管板式换 热器由管箱、壳体、管板和管予等零部件组成，如图所示。其结构简单紧凑，排 管比较多，在相同换热器公称直径的情况下面积比较大，制造简单，但在最后一 道壳体与管板的焊缝无法进行无损检测。其优点是： 相同公称直径下，传热面积比浮头式换热器大2 0 3 0 ； 旁路泄露比较小； 锻件使用比较少； 没有内部泄露的存在。 缺点是： 壳体和管子壁温差一般小于等于5 0 。c ，大于5 0 。c 时应在壳体上设置膨胀 节： 管板与管头之间容易产生温差应力而损坏； 壳程无法进行机械清洗； 管子腐蚀后造成连同壳体也报废，壳体部件寿命取决于管子寿命，因此设 备寿命相对比较低： 不适用于壳程容易结垢的场合。 ( 2 ) 浮头式换热器 浮头式换热器的一端管板与壳体固定，一端的管板可在壳体内自由浮动，壳 体和管板对热膨胀是自由的，因此当两种介质温差较大时，管束与壳体之间不产 生温差应力。浮头端设计成可拆结构，使管束能容易地插入或抽出壳体，这样方 便清洗和检修。由于该换热器结构复杂，而且浮动端小盖在操作时无法得知其泄 露情况，所以在安装时应特别注意其密封。 ( 3 ) u 形管式换热器 浚换热管两端是固定在同一块管板上的，结构简单，造价低。管束可抽出， 外壁便于清洗，但换热管清洗困难，所以介质必须是清洁且不结污垢的物料。由 4 青岛科技人学研究生学位论文 于结构不紧凑的原因，影响传热效率，换热也不均匀。一般用于高温高压的场合， 壳程内一般按工艺要求设置折流板和纵向隔扳。 ( 4 ) 填料函式换热器 填料函式换热器适用于壳程压力不高、较严重腐蚀的介质、温差较大且经常 要更换管束的冷却器。它具有浮头换热器的优点，又克服了固定管板式换热器的 缺点，结构简单，制造方便，易清洗检修。目前它使用在不宜直径过大，操作压 力和温度不宜过高的场合，一般压力不超过2 0 m p a 。在壳程内为易挥发、易燃、 易爆、有毒及贵重介质不宜采用该换热器。 1 ：4 换热器研究现状及发展动向 1 4 1 国内外研究现状 2 0 世纪8 0 年代以来，换热器技术飞速发展，带来了能源利用率的提高。各 种新型、高效换热器的相继开发与应用带来了巨大的社会经济效益，能源日趋紧 张、全球气温的不断升高和环境保护要求的提高给换热器、空冷式换热器和高温、 高压换热器带来了日益广阔的应用前景，节能设备的开发与应用备受世界瞩目。 在地热、太阳能、核能、余热回收、风能的利用上，各国政府、研究结构和企_ k 都加大了投入资金力度，在未来几年内换热器技术会有很大的发展空i l 自j 。 国内各研究机构和高等院校不断出现新的研究成果，在强化传热软件方面华 南理工大学相继，_ ；：发出了表面多孔管、螺旋槽管、波纹管和纵横管等；天津大学 在流路分析法和振动等方面研究成果显著；清华大学在板片传热方面有深入的研 究；西安交通大学在板翅式换热器研究方面取得初步成果；重庆建工学院开发出 翅管换热器；在强度软件方面化工设备设计技术中心站开发出s w 6 ；在液压胀管 方面江苏化工学院开发出液压胀管器；兰州石油机械研究所率先开发出叛式换热 器、冷凝器、蒸发器，螺旋板、板壳式、螺纹管、折流杆、外导流筒换热器、高 效重沸器、新结构高效换热器、q 锁紧环换热器、表面蒸发空冷器和板式空冷器 等一批系列商效换热器，近年来又在强度软件上开发出l a n s y s p v ，在c a d 软件 上开发出浮头式换热器l a n s y s h f 和u 形管式换热器l a n s y s h u 等系列c a d 软件， 含标准图2 0 0 0 多套；中国石化工程建设公司与兰州石油化工机械厂联合开发出 螺纹锁紧环换热器；西安交通大学、兰州第五化工设计院和宁夏化工厂合作开发 出螺旋管式换热器，这些技术成果为国民经济的快速发展，为我国石油和化工工 业的发展起到了决定作用，也使全国的传热技术水平步八了国际先进水平。 国外主要是各大型的传热研究公司在从事这方面先进技术的研究与推广应 同定管板式换热器的研究与优化 用。美国传热研究公司( h e a t t r a n s f e r r e s e a r c h i n c ) 即h t r i ，是1 9 6 2 年发起组 建的一个国际性研究机构，取得了大量的成果，积累了丰富的换热器设计经验， 在传热机理、两相流、振动、污垢、模拟和测试技术方面作出了巨大贡献。近年 来，该公司在计算机应用软件开发发展很快，所开发的网络优化软件、各种换热 器工艺设计软件计算精度准确，不仅节省了人力：提高了效率，而且提高了技术 经济性能。目前国内近2 0 多家都成为了h t r i 会员。英国的传热及流体服务中心 ( h e a tt r a n s f e ra n df l u i df l o ws e r v i c e ) 即h t f s ，于1 9 6 7 年成立，长期从事传热 和流体课题的研究，所积累的经验和研究成果不仅应用于原子能工业，而且用于 一般工业，研究成果显著。在传热和流体计算上更精确，开发的h t f s 和t a s c 各类换热器微机计算软件得到广泛应用h 】。 1 4 2 换热器研究与发展动向 1 物形模拟研究 换热器传热和流体流动计算的准确性，取决于物性模拟的准确性，因此，物 性模拟一直为传热界重点研究课题之一，特别是两相流物性的模拟。两相流的物 性基础来源于实验室实际工况的模拟，实验室模拟实际工况很复杂，准确性主要 体现在与实际工况的差别上。纯组分介质的物性数据基本上准确，但油气组成物 的数据就与实际工况相差较大，特别是带有固体颗粒的流体模拟更复杂。物性模 拟将代表换热器的经济技术水平。 2 分析设计的研究 分析设计是近代发展的- - f 新兴科学，a n s y s 软件技术一直处于国际领先技 术，通过分析设计可以得到流体的流动分布场，也可以将温度场模拟出来，这给 流路分析法技术带来发展，同时也给常规强度计算带来更准确、更便捷的手段。 在超常规强度计算中，可模拟出应力分布图，使常规方法无法得到的计算结果能 方便、快捷、准确地得到，使换热器更加安全可靠。这一技术随着计算机的普及 应用，将带来技术水平的飞跃。 3 大型化及能耗研究 换热器将随着装置的大型化而大型化，直径将超过5m ，传热面积将达到 1 0 0 0 0 m 2 ，紧凑型换热器将得到广泛应用。板壳式、折流杆、板翅式换热器和板 式空冷器将得到发展，振动损失将逐步克服，高温、高压、安全和可靠的换热器 结构将朝着简单、制造方便和重量轻的方向发展。随着全球水资源的紧张，循环 水将被新的冷却介质取代，循环将被新型、高效的空冷器取代。保温技术的发展， 6 青岛科技大学研究生学位论文 热量损失将减少到目前的一半以下。 4 强化技术研究： 各种新型、高效换热器将逐步取代现有常规产品。电场动力效应强化传热技 术、添加物强化沸腾传热技术、通入惰性气体强化传热技术、滴状冷凝技术、微 生物传热技术和磁场动力传热技术将会在新世纪得到研究和发展。同心管、高温 喷流式、印刷线路板、穿孔板、微尺度、微通道、硫化床和新能源等类型换热器 将在工业领域及其它领域得到研究和应用。 5 新材料研究 材料将朝着强度高、制造简单、防腐效果好、重量轻的方向发展。随着稀有 金属价格的下降，钛、钽和锆等稀有金属使用量将扩大，c r m o 钢材将实现不预 热和后热的方向发展。 6 控制结垢及腐蚀的研究 随着节能、增效要求的提高，污垢研究将会受到各国的重视和投入。通过对 污垢形成的机理、生长速度和影响因素的研究，预测污垢曲线，从而控制结垢， 这对传热效率的提高将带来重大的突破。腐蚀技术的研究将会有所突破，低成本 的防腐涂层特别是金属防腐涂层技术将得到发展，电化学防腐技术将成为主导。 总体来看，国外对管壳式换热器的研究主要集中于两个方面：一方面是通过 提高传热系数，如改变传热元件本身的表面形状和处理方法获得粗糙表面和扩展 表面，或用内插物来增加流体本身的扰流等方法，来达到强化传热的目的；另 方面是为了大型化发展和适应高参数要求所进行的结构改进，从而达到使换热器 提高的紧凑程度，节省材料减缓结垢速度及改善传热等目的”h ”。 随着计算机技术的发展，计算机辅助设计法( c a d ) 和基于计算流体动力学 ( c f d ) 并i j 数值传热学的设计方法将是本世纪管壳式换热器的2 种主要设计方法： 同时，为了进行有效的管壳式换热器工艺设计，还需要面对目前存在的诸如多相 流动及传热、最优化、传热强化、流体振动、污垢、高粘度流体、物性数据库、 湍流、非线性传热、换热器中流动及传热过程的数值模拟等十大挑战性难题，这 也是未来的研究方向”卜【”】。 1 5 本课题的研究内容及方法 1 根据标准的计算方法，选择换热器公称直径分别为4 0 0 r i m 、1 0 0 0 m m 和 1 6 0 0 m m ，且每种换热器分别在工作压力为1 0 m p a p ，6 0 m p a 、1 0 m p a 以 | 蚓定管板式换热器的研究与优化 6 o m p 的条件下进行计算，并对结果进行分析和探讨。由于在计算过程中设 计各种过程参数和经验参数的选择，很难编制出连续的计算机程序来辅助计算和 校核，所以本文都是在繁琐的人工计算的基础上进行的，其中的数据和结果经过 细心的核对与修改，完全按照相关标准的计算步骤和公式进行，并对错误之处进 行了改t f 和重新计算和校核，在此基础上进行的结果分析和讨论可以保证在合理 的范围内。为了计算方便，采用附录2 中的表格来进行反复计算和校核，累计计 算达2 1 6 次。在得出计算结果之后，采用m a t l a b 中关于二维及三维绘图方法， 编程来仿真出相应条件下所得的相应结果图，以便更直观地观察结果，从而得出 结论。 2 按照相关算法，在换热器公称直径4 0 0 m m 到1 6 0 0 m m 之间进行人工计算布管 ( 单壳程单、双管程) ，并采用a u t o c a d 绘制出相应的布管图；采用c “e r 语 言编制计算桃辅助布管程序，并在换热器公称直径从4 0 0 t r i m 到3 5 0 0 m m 之间进 行布管( 单壳程单管程) ，得出各自的结果进行分析比较，从而看出以上两种方 法的优缺点。 3 采用线性权函数方法，根据固定管板式换热器设计条件，选定优化设计参数， 确定合适的目标函数和约束条件进行固定管板式换热器的整体优化，并对实际的 例子进行优化实践，并与常规设计结果分析比较，得到优化的具体优点。 青岛科技大学研究生学位论文 2 固定管板厚度计算和布管的理论依据与实践 2 1 换热器计算方法的发展 换热器的基本设计方法开始于2 0 世纪初，到了2 0 世纪2 0 年代其制造技术 有了较大的发展。由于换热器不仅是一种把热量从种流体传递到另一种流体的 专用设备，而且还是一种压力容器，所以在上个世纪较长的时间里，换热器各个 部件的设计和计算都是由压力容器标准，特别是a s m e 标准提供依据的，但其主 要部件：管板，却没提供设计和计算的依据。因此，为了解决上述问题，保证安 全、统一公差、控制质量及在竞争中有共同的约束，于1 9 4 1 年t e m a 标准首次 颁布，开辟了以管板为标志的换热器标准的发展和完善的方向。 首版t e m a 标准仅适用于浮头式和u 形管式换热器，将管板视为均布载荷 作用下的圆形薄板，按弯曲变形时的最大应力为基础进行计算，含4 个参数，是 种半经验方法。1 9 4 8 年g a r d n e r 首次建立了设计管板的基础，在浮动管板换热器 设计时，考虑了换热管的支撑作用和管板孔削弱效应。1 9 5 2 年g a r d n e r 将此方法 应用于固定管板式换热器管板设计中。同期m i l l e r 也独立地推荐了一种方法，两 者形式上不同，实质上是一样的。但是，1 9 4 9 年t e m a 标准第2 版、1 9 5 2 年第 3 版和1 9 5 9 年第4 版均未对第1 版中换热器管板的设计计算进行修改。 进入6 0 年代后，英国b s l 5 1 5 于1 9 6 5 年采用m i l l e r 方法，管板设计参数改 为1 5 个，并采用迭代法。1 9 6 8 年t e m a 标准第五版由于g a r d n e r 担任了管板设 计部分的顾问，也作了相应的改动。1 9 6 9 年g a r d n e r 又提出了不需要逐次逼近求 解管板厚度的简化设计计算方法，除包括“孔桥系数”之外，其基本公式与常用 的平板盖公式相同，但设计系数不是常数，而是周边不开孔圆环半径比等参数的 函数。此方法以一合理的假设条件为前提，可求解有效的局部压力和径向弯矩， 但限用于浮头换热器。 些压力容器规范对浮头和u 形管式换热器基本上采用了g a r d n e r l 9 6 9 年的 方法。1 9 7 8 年t e m a 标准第6 版中的换热器管板设计计算与第5 版相| 司。1 9 8 0 年a s m e 特别工作组采用了g a r d n e r l 9 6 9 年的方法，为a s m e 一一1 的制定了“管 扳设计规定”，作为非规定附录a a ，限用于u 形管式换热器的管板设计。该规定 约有4 0 个设计参数，并考虑了管板、约束和壳体的管箱头盖等的影响。1 9 8 8 年 颁布了t e m a 标准第7 版。该版在以前各版的基础上进行了彻底的修改，管板设 计部分增加了不少新的内容。目前a s m e 特别工作组也在继续推动管壳式换热器 技术的发展和不断完善标准化工作，以s o l e r 和s i n g h 的工作为基础的固定管板换 9 定管板式换热器的研究与优化 热器的设计规定，草稿已经出台。 法国1 9 8 2 年颁布了c o d a p 标准，在该国是强制性执行规范，以g a l l e t l y l 9 5 9 年提出的一种固定管板式换热器管板强度分析方法为依据，它不仅考虑管子对管 板的支撑作用和管孔的削弱作用，而且把管板考虑为在周边是弹性夹持的。这更 加符合实际情况，较好地考虑了管板周边的支撑情况，并能够保证安全和可操作 性。英国的b s 5 5 0 0 标准1 9 9 0 也以此为依据。 德国的a d 标准和日本的j i s b 8 2 4 3 标准中的管板强度计算，是以平板强度理 论为基础的，考虑经验性的修正系数。 我国的管壳式换热器管板设计计算最早出现于t h 2 5 9 标准中，1 9 7 2 年颁布 的j b l l 4 5 7 1 也包含有关管板设计计算的内容。从1 9 8 4 年4 月1 日丌始实行，参 照t e m a 和日本j i s b 8 2 4 9 标准，根据钢制石油化工压力容器相关设计规定和钢 制列管式换热器相关技术条件和我国多年来在管壳式换热器设计、制造、安装、 使用和维护等方面的经验，于1 9 8 9 年颁布文献 1 7 】的前版本：g b l 5 1 1 9 8 9 。浚标 准同时遵守文献 1 6 和劳动部颁布的压力容器安全监察规程的有关规定p j 。 2 2 固定管板计算 管板是管壳式换热器的主要组成部件，设计是否合理对换热器的安全运行、 降低金属用量和制造成本尤其重要。 1 9 7 7 年以前在管板设计计算方面，我国还没有制定自己的计算公式，甚至 1 9 6 7 年颁发的钢制化工容器设计规定( 试行本) 中的固定管板式换热器管板 厚度计算公式都是直接采用英国b s 1 5 0 0 ：1 9 5 8 中的计算公式。在当时，世界上 许多工业国家都制定了自己的管板设计计算公式或规范。这些管板的强度计算公 式大都建立在以下不同的假设情况基础上【1 6 】 【”】： ( 1 ) 是将管板看作是在广义弹性基础上并受均布载荷的钻孔圆板，管板中 的最大弯矩由边缘支承情况、载荷大小、连接刚度和几何尺寸等因素。 ( 2 ) 是以承受均布载荷的圆板公式为基础，通过加入适当的修正系数来考 虑管板所具有的特性，该方法带有经验性。 ( 3 ) 是以换热管作为管板的固定支撑( 换热管保持一定的刚度) ，管板即为 在固定支撑下的平板；管板厚度取决于管板上非布管区的范围，按照平板计算其 l o 青岛科技大学研究生学位论文 强度，目前该方法适用于国内薄管板的强度计算。 以上各种方法，推导依据不同，采用的简化假设也各不相同，因此造成了同 样设计条件下所得的计算结果差别很大，一直到现在都没能够统一。 文献【1 7 中管板计算方法假定考虑如下： ( 1 ) 考虑管束对管板的支承作用； ( 2 ) 考虑管孔对管板的削弱作用； ( 3 ) 考虑管板周边不布管区的影响，采用折算的方法来补偿； ( 4 ) 除了考虑管板的弯曲作用，还考虑管板和法兰沿其中心面内的拉伸作 用； ( 5 ) 认为法兰变形时，其整个横截面的形状不变，只有绕环截面重心的转 动与径向位移，因此造成的法兰与管板中心面连接点处的径向位移量 应该和管板本身沿其中心面内的径向位移协调一致； ( 6 ) 由于温度膨胀与壳程压力与管程压力引起的壳壁的轴向位移和管板约 束系统的轴向位移应在管板周边处协调一致； ( 7 ) 管板边缘的转角应受壳体、法兰、封头、螺栓、垫片系统的约束，其 转角在连接部位处应协调一致； ( 8 ) 管板兼做法兰时，考虑了法兰力矩的作用对管板应力的影响； ( 9 ) 对于不同类的应力( 分为一次应力和二次应力) 采用不用的许用值。 2 2 2 计算举例 本文按照文献 1 7 进行了固定管板式换热器管板厚度的一系列计算和校核， 在此仅以换热器公称直径为4 0 0 r a m 为例，说明管板计算的理论依据和详细过程。 ( 1 ) 基本条件 管程单管程 壳程单壳程 换热管排列方式正三角形 公称直径d n = 4 0 0 r a m 壳程压力p s = 1 0 m p a 壳程温度t = 1 0 0 管程压力p = 1 o m p a 岗定管板式换热器的研究与优化 管程温度t 。= 2 0 ( 2 ) 初始数据 1 ) 壳程圆筒 材料 1 6 m n r 常用材料，1 0 0 时的材料许用应力 盯卫= 1 7 0 m p a 内径d i = 4 0