双管板换热器的设计分析

双管板换热器的设计分析

1，结构设计
    ①.双管板固定管板换热器用作冷却器或加热器时,壳程介质最好为水或水蒸汽,这样可以不设聚液壳同时也可以避免壳程水压试验后烘干的麻烦。
   ②.双管板U形管式换热器的两管板之间一般采用聚液壳彼此连接。聚液壳可以用来调整管板间距且保证两管板相互平行。同时聚液壳用来封闭相邻两管板之间泄漏出的气(液)体,防止有毒气(液)体的外溢。聚液壳最高和最低处需分别设置放空口和放净口,用于及时导出泄漏出的气(液)体。如果壳程与管程之间的温差很大,为了降低壳程与管程管板与换热管连接处的应力,应尽量降低短节的壁厚,必要时可增加一个膨胀节[1]。
   ③.壳程管板设计时,壳程管板壳体的焊接结构尽量采用GB151-1998附录G图G1(b)中的结构,要注意的是减小焊接变形,因为焊接变形会导致管孔与管板不垂直,使强度胀不能达到预期的效果。
   
2，双管板换热器的型式
    双管板换热器一般型式为:双管板固定管板换热器,双管板U形管式换热器。固定管板换热器在传热过程中,管内外介质的流动方向为逆流,传热系数较高。U形管式换热器在传热过程中,一半管束内介质的流动方向为逆流,另一半为顺流,因此其传热系数较低。但相比固定管板换热器,U形管式换热器由2块管板组成,减少了泄漏点。一般在换热面积较小、管束表面需经常清理或管程与壳程的温差较大时采用U形管式结构。
   
3，选材时的考虑
    设计时应注意管板与换热管的材料必须有一定的硬度差,一般管板比换热管硬度高HB20~HB30。应采用强度级别较高的材料作管板(如16Mn锻件),强度级别较低的材料作换热管(如10#无缝钢管)。当选用的材料硬度相近时,可将管端进行退火处理,以降低换热管的硬。

4，壳程管板与管程管板之间间隙长度L的计算   由于双管板换热器的2块管板的操作温度不同,当2块管板的温度从常温升到操作温度时将产生不同的径向位移,它们作用在换热管上,引起弯曲应力和剪切应力,并会使管板与换热管的连接处产生泄漏。为了解决这个问题,可以在2块管板之间留有适当的间隙,让换热管产生挠曲,从而避免管板与换热管的连接处产生很大的应力而泄漏。管程管板与壳程管板之间间隙长度L的计算方法如下:
            
    式中:L为壳程管板与管程管板之间的间隙长度,mm;E为材料弹性模量,MPa;d0为换热管外径,mm;σs为材料弹性极限,MPa;y为换热管挠度,mm;D为管孔直径,mm ;t0为安装温度,℃;tt为管程的设计温度,℃;ts为壳程的设计温度,℃;αt为管程管板在设计温度下的热膨胀系数,℃-1;αs为壳程管板在设计温度下的热膨胀系数,℃-1。为安全起见,L实际取值应按计算值再放大12%左右。一般情况下,L取值在200mm ~300mm。

5，双管板换热器的管板的强度计算
    由于双管板换热器壳程和管程之间有2块管板,由此形成了3个程,即壳程、管程和壳程管板与管程管板之间形成的聚液程。计算管板厚度时,应考虑3个程的工况,按不同工况进行计算。下面以双管板固定管板换热器为例,简述管板强度计算中的参数确定原则。

①.管板计算中应注意的事项。
    管板计算中应注意:管板的形式不论是延长部分兼作法兰或是延长部分不兼作法兰的固定式管板,计算时均可以按延长部分兼作法兰的固定式管板进行计算,因为延长部分兼作法兰的固定式管板的受力情况比延长部分不兼作法兰的固定式管板更为苛刻。
    因聚液程的长度较短,一般只有200mm~300mm,所以这段管束的刚度很大。校核时,经常出现管板周边不布管区无纲量宽度k大于1的情况,降低k值的方法只能增加聚液程长度和管板厚度。管板厚度对于k比较敏感,一般k大于1时,采用增加管板厚度的方法来降低k,使其小于或略大于1。一般壳程及管程的管板厚度取相同数值[3]。d.换热面积计算中应注意的事项。
②.管程管板的设计参数。
    计算中主要参数确定如下:设计压力和设计温度分别根据管程和聚液程的工况确定;换热管和壳程壁温以换热管和壳程或聚液程壳体之间的最大温差为计算依据;管板与换热管的连接,不论是采用强度焊加贴胀,还是采用强度焊加强度胀,亦或采用强度焊,计算时均按强度焊考虑;换热管的有效长度为管程管板间的长度。参数确定后,按GB151计算管程管板的厚度。
③.壳程管板的设计参数。   计算中主要参数确定如下:设计压力和设计温度分别根据壳程和聚液程的工况确定;换热管和壳程壁温根据管程和壳程的工况确定;管板与换热管的连接为强度胀;换热管的有效长度为壳程管板间的长度。参数确定后,按GB151计算壳程管板的厚度。  
    双管板换热器的换热面积计算公式为:
    A = n×π×d0×l
    式中:n为换热管数量;d0为换热管外径,m;l为两壳程管板内侧的间距,m。
    由此可见,双管板换热器的换热面积对于换热管整体长度的利用率较低,设计时应予注意。