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浅谈换热器及换热器的设计

发布者:江苏夏邦制冷设备有限公司 发布时间:2017/6/16 14:27:54 点击次数: 关闭

换热器是工艺过程中完成介质冷却或加热过程的关键设备,换热器在化工行业通常占工艺设备总投资的10%~20%,在炼油行业中则可能占到35%~40%。换热设备在石油化工、动力、冶金、食品等工业部门有着广泛的应用,其中管壳式换热器是当前工业生产中应用最广泛的传热设备。 
  1 换热器的分类 
  1)管壳式换热器:特点是圆形的外壳中装有管束。一种介质流经换热管内的通道及其壳层部分。它从结构上又可以分为:浮头式换热器、U型管换热器、固定管板换热器等。 
  2)板式换热器:它是由压成各种形状的薄板组成传热面的,冷、热两种介质分别在相邻两板流动。常见的板式换热器有平板式换热器、伞板式换热器、螺旋板式换热器及板壳式换热器。 
  板式换热器的传热效率虽然较高,但由于其强度低,密封性能差,故其应用受到限制。因此,在石油、化工行业中应用较多的是管壳式换热器,它已被当成传统的换热设备来加以使用。 
  2 换热器:工艺设计 
  3 换热器的重要作用 
  鉴于换热器在工业生产中的重要作用,人们有必要对换热器进行强度分析计算,确保在设计寿命内换热设备能够正常工作。 
  4 换热器的常规设计 
  1)换热器本质来说是压力容器; 
  2)其强度必须满足常规压力容器设计规范的要求; 
  3)如主体强度元件内外压力下的最小厚度、最大许用工作压力、开孔补强、、应力校核等; 
  4)考虑内、外部载荷综合作用下,确保可靠性。 
  5 换热器管板的受力及强度失效 
  5.1 换热器管板承受复杂载荷的综合作用 
  1)管程、壳程压力导致的压差; 
  2)压力导致的轴向、环向应力; 
  3)换热管与管板的不同步热胀; 
  4)管板与管程/壳程壳体温差导致的热胀应力; 
  5)设备法兰带给管板的螺栓载荷; 
  5.2 管板的失效 
  1)当管板的厚度不足时,很容易在介质压力和温差作用下引发过大的弯曲变形,从而导致材料失效及管壳程介质泄露。 
  2)过大的温差导致换热管与壳体、管板产生轴向热胀应力(固定管板),其结果是换热管发生强度失效及轴向失稳。
  3)当管子受到的轴向力过大时,容易使管子和管板在胀接连接处被拉脱,换热器遭到破坏。 
  6 管板的力学模型及受力分析 
  换热器的强度计算通常应包括两部分内容:第一部分是作为常规受压容器,进行筒体、封头、法兰、开孔、支座等元件的强度校核,这与一般容器设计相同;第二部分是换热器特有的管板强度计算,包括管板最小厚度计算、管板及壳体弯曲应力校核、管子轴向应力和拉脱力校核等项。如果换热器采用膨胀节,则还需进行膨胀节的计算。 
  不同的分析模型得到的分析结果有所不同,甚至差异很大,不同的标准规范计算公式常常基于不同的力学模型。 
  将管板视为遵循广义胡克定律(弹性基础)的承受均布载荷的开孔圆平板:管板应力满足弹性界限,应力与应变为线性关系;管板最大弯矩与边缘约束条件(简支/固支)、均布载荷大小(换热管对管板)、约束刚度、元件刚度等因素有关。 
  将管板视为承受均布载荷的实心圆平板,考虑各种载荷因素的作用及材料的削弱:按照经典力学理论来描述管板的载荷及边界条件,使用力系平衡及相关变形协调方程来求解管板厚度、应力;考虑管板的开孔削弱、材料削弱、刚度削弱;计算方法具有一定的经验性。 
  当管板直径相对于换热管直径足够大且换热管数量足够大时,将管板视为支撑在换热管弹性体基础上的平板:管板厚度取决于布管区域的大小;适用于厚度较薄的管板。 
  7 管板的规范计算 
  ASME管板的最小厚度:ASME UHX对于所有型式的换热器管板均不给出直接的最小管板厚度,而是通过用户给定的初值(U型管板程序给出初始厚度计算公式,不一定合适)以计算不同形式管板(简支、固支)的应力分量,结合所考虑的最危险工况,决定换热管与管板、管板与管箱壳体、壳程壳体之间轴向应力、弯曲应力、剪切应力值,当所得应力大于材料许用应力时,给出迭代步骤,通过增加管板壁厚来进行迭代计算,最终得到临界应力对应下的管板厚度(即理论最小厚度)。 
  对于固定管板换热器TEMA的计算方法跟ASME一致,不过在TEMA中做了大量简化: 
  未开孔的管板部分不予考虑;管板与壳程筒体、管程筒体的连接是刚性,即es/Ds比值与系数F没有关系,不考虑壳程筒体、管程筒体的旋转刚度;系数F不考虑管束的加强作用及管板开孔对管板的削弱,TEMA认为两者可相互抵消。固定管板的设计在很大程度上受刚度比Xa的影响,Xa等于管束轴向刚度除以管板的抗弯刚度。 
  对于浮头换热器管板,ASME简化了当量应力的计算Pe(Xa)=Ps-Pt,同样TEMA也不考虑管束对管板的作用。 
  TEMA和UHX管板的设计均定义了孔排削弱系数,但TEMA是根据管孔之间的平均宽度来定义,该值对于三角行布管与正方形布管不同,但UHX按最小的管孔之间的宽度来定义,且换热管胀入到管板之中时,换热管壁厚视为有效孔排中的一部分,因此UHX定义了有效管孔直径和有效孔排削弱系数。UHX章计算过程中将管板与换热管材料特性各异的因素也考虑进去了。有效孔排削弱系数直接影响到管板的计算应力,小的有效孔排削弱系数得到的应力较大,大的有效孔排削弱系数得到的应力较小。因此对于相同的结构,TEMA的管板应力较ASME小,对换热管与管板非胀接的情况,这种差别更大。 
  设计人员可以通过ASME计算每种工况下的换热管与管板的连接载荷,而TEMA仅仅计算压力作用工况下的换热管与管板的连接载荷。TEMA认为,换热管与管板之间的连接载荷在满足(下转第42页)(上接第31页)类似于ASME仅考虑管壳压力作用工况下满足许用值要求时,其它工况也是满足许用值要求的。而ASME要求对所有的工况均应计算换热管与管板之间的连接载荷,并与不同工况下的许用值进行比较。 
  按GB151管板计算的规定,对固定管板式换热器的管板强度计算采用了四种载荷组合工况:1)即有壳程设计压力,又有管程设计压力(F.V.),不计膨胀变形差;2)既有壳程设计压力,又有管程设计压力(F.V.),同时计入膨胀变形差;3)即有管程设计压力,又有壳程设计压力(F.V.),不计膨胀变形差;2)既有管程设计压力,又有壳程设计压力(F.V.),同时计入膨胀变形差; 
  自重工况单独建立二维轴对称模型计算,管板按等当量板处理,换热管按多层等效当量圆筒处理,采用应力分量叠加方法将重力工况结果分别合并到上述四工况。 
  最终,对各工况的有限元计算结果,按JB4732《钢制压力容器-分析设计标准》的应力分类方法,对管板、换热管、壳体及管板与壳体连接部位进行强度评定,并按评定结果确定结构强度尺寸。 
  美国ASME和TEMA标注是国际上最具有影响力的两大应力容器标准,其中都有关于换热器管板等的设计方法。该两标准在国内外石化、化工装置设计中得到日益广泛的应用http://www.ccaudi8.com/

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