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固定管板換熱器換熱效率影響因素探討

點擊:1686 日期:[ 2014-04-26 22:21:25 ]
                     固定管板換熱器換熱效率影響因素探討                                     張宏選                   (鄭州大學 鄭州 450002)     摘要:通過對不帶膨脹節的固定管板換熱器換熱效率的理論分析,找出影響換熱效率的因素,提出了換熱器設計時的幾點原則,并用實例證明了結論。     關鍵詞:固定管板換熱器  流程  換熱效率       1 引言   對于一定工況下能夠滿足工藝要求和安全要求的換熱器設計方案有多種形式,而究竟哪一種方案的設備成本最低呢?在另一篇文章“固定管板式換熱器強度的優化設計”(以下簡稱“優化設計”)中,通過分析在流體流程給定情況下管/殼程材料對換熱器強度的影響,已提出了關于管/殼程材料優化匹配的幾點建議,即通過對換熱器管/殼程材料進行優化匹配,使換熱器主要受壓元件——管板、殼體、管子中的應力減小,元件厚度減薄,使材料、制造費用降低。在這里,我們通過對固定管板式換熱器流程匹配或稱流程優化分析來探討換熱器的換熱效率。       2 流程優化的概念     在大多數設計中,工藝設計人員主要所考慮的是傳熱效率、流體阻力、操作穩定性等方面的問題,而往往忽略流程對換熱器強度的影響。事實上,流程對換熱器強度是有影響的,而且在某些情況下影響還是相當大的。因此,在換熱器設計中,在滿足工藝要求的前提下,可通過流程的合理選擇,即冷熱兩種流體的流程與換熱器管/殼程材料進行優化匹配,使換熱器主要受壓元件——管板、殼體、管子中的應力減小,元件厚度減薄,最終降低設備成本。     3  流程優化的原理     在固定管板式換熱器的強度設計計算中,溫差應力往往起主導作用,尤其是當管/殼程溫差較大時,溫差應力將起決定作用。      根據固定管板式換熱器的強度計算理論,固定管板式換熱器主要受壓元件——管板、殼體、管子中的應力分別為:      管板徑向彎曲應力                                                         管/殼程溫升是給定的工藝參數,在進行強度設計時是不能改變,而改變管/殼程材料性質對換熱器強度的影響及材料優化匹配問題,已在“優化設計”一文中討論過,現在我們來討論一下流體流程的選擇對換熱器強度的影響及流程優化匹配問題。     由前面的理論分析知道,在γ起主導作用時,換熱器各主要受壓元件中的應力,由換熱器與殼程圓筒材料的熱膨脹差決定:    假設熱流體的溫度為th,冷流體的溫度為tc下面就以熱流體分別走管程和殼程兩種情況來進行對比分析。     第一種情況,熱流體走管程,即tt=th,,ts=tc則:                        由此說明,當管/殼程材料線膨脹系數接近或相等時,改變流程將使換熱器主要受壓元件中的應力改變方向(拉/壓),而數值保持不變。     當管/殼程材料線膨脹系數相差較大時,有兩種情況:                     說明當管程材料的線膨脹系數大于殼程材料的線膨脹系數時,改變流程不僅使換熱器主要受壓元件中的應力改變方向,而且還使應力的數值變小。                         說明當管程材料的線膨脹系數小于殼程材料的線膨脹系數時,改變流程不僅使換熱器主要受壓元件中的應力改變方向,而且還使應力的數值變大。      由以上分析可以看出流程對固定管板式換熱器強度的影響。同時也說明,從強度上講存在著流程優化問題,即對于管/殼程材料線膨脹系數相同或相近的換熱器,可通過流體流程的優化匹配來改變管板、殼體、管子中的應力方向,從而提高特殊材料(如某些塑性較差的材料)換熱器的強度;對于管/殼程材料線膨脹系數相差較大的換熱器,可通過流程優化匹配來減小管板、殼體、管子中的應力數值和改變應力的方向,從而使換熱器主要受壓元件的厚度減小,減少材料消耗和加工費用,從而達到對換熱器強度優化的目的。      4 結論及流程優化匹配的幾點原則      由上述討論可知,固定管板式換熱器管板、殼體和管子中的應力,除與工藝參數、結構參數及材料性質有關外,還與流體的流程有關,尤其是在r起決定作用的情況下,當管子與殼體材料的線膨脹系數相同時,改變流程只改變管子與殼體中應力的方向,而不改變應力的數值;當管子與殼體材料線膨脹系數不同時,改變流程不僅可以改變管子與殼體中應力的方向,而且還可以改變應力的數值,并且管/ 殼程材料線膨脹系數相差越大,應力數值變化也越大。具體來說,熱流體走材料線膨脹系數較大的一側時的應力大于走材料線膨脹系數較小一側時的應力;或者說,冷流體走材料線膨脹系數較大的一側時的應力小于走材料線膨脹系數較小的一側時的應力。      因此,流程優化就是通過對流過換熱器的冷熱兩種流體與換熱管的管/殼程材料的優化匹配,來達到提高換熱器強度或降低設備成本的目的。在這里給出下面幾點建議,即流程優化匹配的幾點原則:     (1)固定管板式換熱器冷熱流體的流程應由工藝設計人員和機械設計人員一起討論確定;     (2)當管/殼程材料線膨脹系數相差不大(<5%)時,可不考慮流程對換熱器強度的影響;    (3)當管/殼程材料線膨脹系數相差較大(>5%)時,應考慮流程對換熱器強度的影響,即在確定流體流程時,應使熱流體走材料線膨脹系數較小的一程,而冷流體走材料線膨脹系數較大的一程,以減小管板、殼體和管中的應力。     5  實例     例如,仍用“優化設計”一文中所舉的例子,假設原流程為:管程走酒精,殼程走水蒸氣,管/殼程設計溫度為90/150℃,管/ 殼程材料為20/1Cr18Ni9Ti,在相應管/殼程溫度下,管/殼程材料的線膨脹系數為0.00001188/0.0001678mm/mm℃。用化工部設備技術中心站編 SW6 軟件計算結果為:                                       相應設計的管板厚度為20mm。     明顯看出,第二種流程比第一種流程相應各項應力,除管子與管板連接拉脫力外,普遍降低2/3以上,相應設計出的管板厚度也減少1/6左右。本例就很好地說明了流體流程與管/ 殼程材料的優化匹配問題。      參考文獻     [1] GB151-1999《鋼制管殼式換熱器》,中國標準出版社     [2] GB150-1998《鋼制壓力容器》,中國標準出版社     [3] 青島化工學院等院校合編,鋼制壓力容器,設計理論基本及安全監察要求,湖北科技出版社      [4] 余國琮編,《化工容器及設備》,天津大學出版社,1998     [5] 化工設備設計全書編委會編,《換熱器設計》,上海科學技術出版社     [6] 化工部設備設計技術中心站編,《SW6計算軟件》     [7] “固定管板式換熱器強度的優化設計”張宏選等《化工裝備技術》2001年第一期
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