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换热器外导流简的结构设计分析与改进点击：1814 日期：[ 2014-04-26 22:14:11 ] |
| 换热器外导流简的结构设计分析与改进 郭雪华 段瑞 (中国石化工程建设公司，北京100101) 摘要：详细阐述了换热器外导流筒的结构设计原则，并深入分析了各结构尺寸的计算方法和相互制约的关系。作者结合工程实践，提出了外导流筒结构形式的改进意见，为实际工程设计提供了借鉴。 关键词：外导流筒；结构设计；强度；应力梯度；优化 中图分类号：TE965 文献标识码：B 文章编号：1006—8805(2007)04—0001—03 随着石化装置的大型化，带外导流筒换热器的应用日趋增多。外导流筒的引入可以在不增加整体壳程直径的前提下，有效地加大换热器进(出)料管口的尺寸，从而降低物料在进出口处的压降、增大设备的处理能力。 带外导流筒的换热器尤其适用于进料管内介质流速高、ρv2值大、且容易引起管束振动的场合。由于不受传统管壳式换热器出入口处最小流通面积的限制，换热器管板的布管数量可以明显增加。换热器外导流筒在设计上有许多特殊之处，各结构尺寸间的关联度很大，目前国内关于这方面的文献还较少。文献[1]曾对此做过有益的探讨。本文将结合工程实践，对外导流筒的结构设计做更进一步的分析。 1 外导流筒的结构设计及分析 1．1 外导流筒的高度H 外导流筒的高度H，即内衬筒内表面到外筒内表面的间距，见图1。GB151—1999《管壳式换热器》认为：“当接管外径>200mm时，间距不小于75mm”。而在实际工程中进出料接管的外径常远大于200mm，H 的取值应该审慎考虑。 由于物料将由接管流入内衬筒与外筒、环板组成的环形空间中，因此必须满足流通面积的要求。内衬筒同样要起到防冲板的作用，因此应有：H≥d／4。 实践中，外导流筒高度H与接管外径do的比值应在0．25～0．3之间；H 应以50mm 级差为序列，最大可以达到400mm。此外，H 的具体取值与外导流筒的宽度B有密切关系。 1．2 外导流筒的宽度B 外导流筒的宽度B，即两个环板内侧之间的距离，需考虑入口接管处的流通面积、接管的开孔补强等两个方面的因素。 (1)结构要求 接管处环形间隙的流通面积A 必须要大于接管的横截面积A。即： (2)接管开孔补强要求 外导流筒上的进出料接管通常直径都较大，因而对该接管的开孔补强计算应特别重视。按GB150 1998~钢制压力容器》的规定，在等面积补强法的适用范围内，接管处外筒体的有效补强宽度为2 ，( —— 开孔直径，mm)。但为了使换热器不过于笨重，工程中B值常远小于2 ，有效补强宽度也会因此缩短。 由于等面积补强法是基于无限长大平板上开小孔理论为基础的。从这个意义上讲，该法对于外导流筒上接管补强计算的准确性已大为下降。较准确的方法应采用应力分析法进行设计。 对于外导流筒上的接管，特别是大开孔接管，适宜用ANSYS有限元软件进行应力分析计算。此时，接管与外筒、环板、内衬筒需要联合建模，可用20节点实体单元SOLID95，位移约束采用沿对称剖分面的对称性约束。 1．3 内衬筒导流缺口宽度b (1)导流缺口宽度的取值公式为： (2)导流缺口应完全位于导流筒宽度B的范围之内。为了提高换热效果，导流缺口要尽量靠近管板。在工程设计过程中6的取值一般会远低于B。 (3)实际b值的确定还应考虑导流缺口角度θ的大小。 1．4 内衬筒导流缺口的数目 入口(或出口)处导流缺口的数目与紧临折流板的数目相同，如为双弓形折流板则 一2。如图1、图2所示。 1．5 内衬筒导流缺口的角度θ (1)导流缺口的角度0与流通面积A 、缺口数目 、缺口宽度有关。 (2)由于设置导流筒的一个主要目的就是减小流体进出口的压力降，因此导流缺口处的总流通面积A 应大于A 。即：A2一K2A。 (K2— 1．3～ 2．0)A 值的大小常由工艺专业来确定。角度0可以由A 得到，即 sinθ／2=A2／Db 式中：D——内衬筒的内直径，mm。注意在计算流通面积时需代入缺口的弦长l，而非弧长。 (3)θ的工程常用范围：在内衬筒上开导流缺口后，其整体刚性会被削弱，因此θ不宜超过130。，工程上常取100。～120。。 1．6 内衬筒导流缺口的方位 导流缺口的方位应与相临折流板缺口的方位相反，如图1、图2所示。目的是形成强制流道、避免短路，提高换热效果。 对于壳程出口管处，在双弓折流情况下，如导流缺口之前折流板为双缺口板，则导流缺口的数目应为1个，且朝向出口管的方位。见图2中的B—B剖面图。 在导流筒的内衬筒部分的最低位置，应当设置放净口，以防积液，见图2中的A A、B—B剖面图。 2 外导流筒结构的改进 近年来国内外工程公司对外导流筒结构做了很多优化和改进，现介绍两种典型结构。 2．1 栅板式入口设计结构 将内衬筒在导流缺口的区域内均匀开设长方形孑L，中间形成栅板，各长方形孑L为等弧长分布，如图3所示。这样把导流缺口等分为若干个部分，可以使流体分布得更为均匀，并可降低对管束的冲击。 此外，栅板式人口设计也有利于减小内衬筒的焊接变形。由于大弧度导流缺口的存在，内衬筒的整体刚性被削弱，并且沿周向不均匀。这样在焊接外导流筒的左右两个环板时，内衬筒很容易产生变形。而栅板的存在，对内衬筒保持整体刚性有显著的效果。 2．2 辅助支持板设置 当导流缺口较宽，相邻两折流板的间距比较大时，换热管的无支撑跨度会增加，这时需要增设弓形或圆环形的辅助支持板。这样，既可以增加对管束的支撑，也可以防止管束振动。辅助支持板应该设置在导流缺口的正中位置，如图4所示。 3 结束语 按以上原则设计的几十台带外导流筒的大直径换热器，在国内数套乙烯、乙二醇等装置上得到应用，制造过程顺利、现场运行效果良好。换热器外导流筒的设计是一个系统工程，需要反复优化。深人理解外导流筒的工作原理、紧密结合工程实践是实现成功设计的关键。 参考文献： 1 张文立．换热器环形外导流筒的设计及制造要点[J]．石油化工设备技术，2005，26(6)：15～16 |
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