换热器的结构设计问题

原创 胡伟明  2020-08-06 20:56:00  阅读 79 次 评论 0 条
摘要:

1.固定管板换热器拉杆设置时常出现的问题在固定管板换热器的设计中,常出现拉杆固定端选择不当的错误。设计时应充分考虑管束组装程序、管束的振动以及防冲挡板的结构及其固定方式等问题,然后做出正确的选择。有如下几种情况供选择:    a.当换热器壳体直径较小,防冲挡板要求与壳体相焊,且要求管子采用明穿工艺时,拉杆固定端应设在远离壳程介质进口的另一端管板上;    b.当换热器壳体直径较大,防冲挡板要求与壳体相焊,但管束允许采用暗穿工艺时,拉杆固定端应设在靠近壳程介

1.固定管板换热器拉杆设置时常出现的问题

在固定管板换热器的设计中,常出现拉杆固定端选择不当的错误。设计时应充分考虑管束组装程序、管束的振动以及防冲挡板的结构及其固定方式等问题,然后做出正确的选择。有如下几种情况供选择:

    a.当换热器壳体直径较小,防冲挡板要求与壳体相焊,且要求管子采用明穿工艺时,拉杆固定端应设在远离壳程介质进口的另一端管板上;

    b.当换热器壳体直径较大,防冲挡板要求与壳体相焊,但管束允许采用暗穿工艺时,拉杆固定端应设在靠近壳程介质进口一端的管板上;

    c.当防冲挡板固定在管束上,或采用导流筒防冲结构时,拉杆的固定端应设在靠近壳程介质进口一端的管扳上;

    d.当换热器处于立式布置时,在满足组装要求的前提下,无论壳程介质进口是设在上方还是下方,拉杆的固定端最好设在上管板上,以利于折流扳及管束对中。

2.进出口及隔板布置问题

在下图(a)的布置中,向上脉动流动的介质与隔板自重向下两者间不平衡状态的作用,容易使隔板上下振动,磨损换热管。如改为下图(b)的结构,介质脉动流向与内件自重一致,可避免产生振动现象。

3.折流板布置问题

有的折流板的布置忽视了与介质的对应。折流板主要使流体几乎垂直于管子流动,以提高传热效率。

    ①有的换热器折流板布置不当,使壳程介质经由短路从出口管流出,降低了传热效果。

    ②下图  (a)、(b)结构适用于单相介质,其上下方向排列可以造成流体剧烈扰动,增大传热系数;下图 (c)结构适用于双相介质,其左右方向排列有利于冷凝液和气体的流动,多数用于卧式换热器,下图(d)结构形式适用于管子正方形排列时,使介质形成湍流。缺口弦高h值,宜取(0. 20~0.45)D。

卧式冷凝器壳程介质为气、液两相共存,折流板缺口应左右布置,并在折流板的最低处开通液口。在这种情况下,将折流板的缺口上下设置是不合适的,缺口上下设置时,不利于冷凝液的排出。特别当冷凝液的液位高于上置折流板的下缺口时,会形成液封,阻碍蒸汽流动,影响设备传热和运行。

对于靠相变传热的换热器没有折流板的概念,而是支持板。

    ③折流板间距的变动,不但影响壳程介质的流动和传热能力,还可能影响管板厚度。折流板间距的变化使换热管的支撑间距发生变化,进而影响管板的受力。

4.换热器膨胀节设置中的问题

在固定式换热器中设置膨胀节,能够明显地降低由于换热管和壳程圆筒间热膨胀差所引起的管板应力,圆筒和换热管的轴向应力以及管子和管板间的拉脱力。

进行固定式换热器的设计计算,一般首先就要判断是否需要设置膨胀节,这完全取决于在设计条件下换热器各元件的实际应力状况,如设计压力、设计温度、壳程圆筒和换热管的金属温度等。由于管与壳程之间热膨胀差引起了各元件或接点的过高应力,首先,可以考虑是否调整某些元件尺寸或改变连接方式,如将管子与管板间的胀接改为焊接,使之满足许用应力条件。如果经过综合考虑认为设置膨胀节更为可行或可靠,则可考虑设置膨胀节,以便设计出经济、安全、合理的换热器。

历史上一些资料中,受计算手段的限制,通过简单的计算求得圆筒或管子的轴向应力是否超过某一规定值未判断是否设置膨胀节,这是不合理的。它们假定管板是绝对钢性的,管束中的每根管子都处在同样的拉、压状态,这显然与管板管束实际受力情况相差甚远。另外,有些设计人员甚至更粗略地通过管、壳程的操作温度差,或是设计温度差超过某一规定值(如大于50℃),来判断是否需要设置膨胀节,这也是不对的,因为有时会带来很大的判断误差。操作温度差和设计温度差并不等同于金属温度,更不能代替管子和壳程圆筒之间的膨胀差。当管子和壳程圆筒之间的材质不同时,如换热管为不锈钢、壳程圆筒为碳钢或低合金钢,这种判断误差会更大,原因是两者的线胀系数相差较大。有时管与壳程之间的金属温度差很大,而热胀差却很小;有时管与壳程之间的金属温度差很小,而热胀差却很大。正是这种热膨胀差直接影响着管板的应力大小,所以当其他条件确定后,换热器是否设置膨胀节,只有通过对管板进行计算后才能下结论。

5.波纹(节)管换热器设计中的问题

波纹(节)管换热器在一些地区及一些非石油、化工行业中使用已较为普遍。波纹(节)管换热器的优点是:与光管相比换热效率高;换热管采用薄壁奥氏体不锈钢管经特殊的压力加工成型,重量较轻;管程与壳程之间的温差伸缩量主要由波纹(节)管补偿,通常壳程不设置膨胀节;在汽一水、气一水、水一水工况下被广泛使用。

波纹(节)管嵌热器设计中常见如下的问题:

(1)在传统的固定管板换热器计算中,换热管和壳程圆筒之间热膨胀差所引起的管板应力、圆筒和换热管的轴向应力、管子和管板之间的拉脱力三者中,有一项超过标准的要求就需要采取相应的补偿措施。这是建立在光管支撑圆平板模型基础上得出的结果,即将管束当作弹性支撑,而管板则作为放置在这种弹性基础上的圆平板,然后,根据载荷大小、管束的刚度及周边支撑情况来确定管板的弯曲应力,此时换热管对管板,既有削弱作用,又有支撑作用。而波纹(节)管换热器中的换热管对管板的削弱作用依旧,对管板的支撑作用却有所降低。所以,当设计条件较为苛刻时,应考虑适当提高管板的厚度。

(2)由于上述问题的存在,应当对波纹管换热器的设计参数给予一定的限制,如设计压力不宜超过2. 5MPa,设计温度不宜超过300℃,直径不宜超过1800mm等。当压力、温度、直径的参数都比较苛刻时,更应引起注意。

(3)波纹(节)换热管壁厚较薄,虽然波纹状的截面对承受外压具有加强作用,通常情况下不会出现外压失稳问题,但是,当换热管直径较大、壁厚较薄时,曾出现过水压试验时换热管失稳的事故。

(4)由于波纹管换热器大多用于高效传热的工况,管程为水壳程为汽(气)体,所以应注意壳程汽(气)体入口的防冲挡扳的设置。但是,有人片面理解一台波纹(节)管换热器相当于几台光管换热器的说法,在原有装置的改造中,简单地在工艺管线中减少换热器的数量,使原本由多台换热器分别承担的换热量改为少数几台波纹(节)管换热器承担。事实证明,此时无论在波纹(节)管亮程介质的入口处采用何种防冲措施都无法解决高速介质的冲击问题。有单位针对入口气体对管束的冲击分别采取的一系列措施很能说明这一问题。最开始,防冲挡板固定在管束上,管束被冲弯;接下来改为将防冲挡板固定在壳体上,结果是挡板被冲掉;最后改为挡板固定在壳体的同时额外再设置6根Φ16拉筋,拉筋上端搭焊在壳程的入口接管上予以加固,结果不锈钢材质的防冲档板在被冲得严重变形后,最终还是被冲掉了,只不过持续时间延长了一些。在这种情况下,如果不能在工艺布置上采取相应措施的话,就应当在入口管线上设置调节阀,降低入口气体能量才可能解决问题。

(5)因波纹(节)管换热器壳程介质流速较大,易造成管束振动,可以采取增加折流板个数;设置导流筒或防冲板等方法予以解决。



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