莫春萍 王萬(wàn)林 李治民 鄭建國(guó)（天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司,甘肅 蘭州 730060）

能源是二十一世紀(jì)下人類發(fā)展與進(jìn)行必要社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，因此，新世紀(jì)下人類科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展和先進(jìn)能源技術(shù)的應(yīng)用密不可分。近幾年來(lái)，隨著我國(guó)工業(yè)化和城市化的不斷推進(jìn)，整個(gè)社會(huì)對(duì)于能源的需求也達(dá)到了新的高度。換熱器作為一種能量轉(zhuǎn)化設(shè)備,在石油、化工、冶金等一系列領(lǐng)域中有著重要的應(yīng)用。以工業(yè)生產(chǎn)中的硫酸轉(zhuǎn)化工段為例，這一階段使用的換熱器多為大直徑管殼式換熱器，冷、熱流體分別位于換熱管內(nèi)和殼側(cè)，整個(gè)熱傳遞工作基于換熱管實(shí)現(xiàn)，隨著工序的進(jìn)行，熱流體溫度逐漸降低，熱量傳遞給冷流體使其溫度升高，進(jìn)而滿足生產(chǎn)用能的能源需求。在能源供給問題不斷突出的背景下，如何對(duì)現(xiàn)有的換熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而減少管耗能耗、提升能源使用效率，值得相關(guān)企業(yè)與生產(chǎn)人員進(jìn)一步探究。

1 硫酸轉(zhuǎn)化工段高溫大直徑換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路

大直徑管殼式換熱器整個(gè)結(jié)構(gòu)由換熱管束、管箱、管板、折流板等一系列部件組成，整體結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，且可由多種結(jié)構(gòu)材料制造，具有較優(yōu)秀的可靠性，考慮到在硫酸制造過程中所使用的換熱器需要在高溫、高壓等惡劣條件下運(yùn)行，故這類換熱器在硫酸轉(zhuǎn)化工段已得到普遍應(yīng)用。下文對(duì)大直徑換熱器的換熱管和折流板兩種換熱器核心構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

1.1 換熱管束的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

理論分析表明，換熱管束構(gòu)成的傳熱介面中，管子尺寸、介面形狀等一系列因素都會(huì)對(duì)傳熱效率產(chǎn)生不同程度的影響。當(dāng)換熱管束直徑較小時(shí)，單位體積的換熱面積會(huì)由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為緊湊而略有上升，導(dǎo)致傳熱系數(shù)和傳熱效率有一定提升，但隨著換熱器在惡劣條件下長(zhǎng)期運(yùn)行，過小的換熱管束直徑會(huì)使得換熱管在設(shè)備運(yùn)行過程中易出現(xiàn)結(jié)垢，且緊湊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不利于檢修人員對(duì)換熱器殼側(cè)進(jìn)行清洗，使得換熱器換熱效率逐漸下降?？紤]到硫酸轉(zhuǎn)化工段中的流經(jīng)換熱管的流體含有較多雜質(zhì)，故在適當(dāng)條件下，整個(gè)換熱管束的直徑應(yīng)當(dāng)略高于使用值，從而在盡可能提升傳熱效率的基礎(chǔ)上降低換熱器后期維護(hù)和保養(yǎng)的成本。如果實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)換熱器換熱面積要求較大，且場(chǎng)地原因使得采取加長(zhǎng)換熱管長(zhǎng)度缺乏可行性時(shí)，則需要采取加大殼體直徑并布置多根換熱管的方式實(shí)現(xiàn)換熱管束分程，讓流體通過各程管束實(shí)現(xiàn)換熱面積的擴(kuò)大。

而在對(duì)換熱管束的中心距離以及排列方式進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，則需要對(duì)換熱器的結(jié)構(gòu)、管板的強(qiáng)度、后期維護(hù)及保養(yǎng)等一系列工作統(tǒng)籌兼顧，如果兩換熱管束的中心距離過小，過近的焊縫會(huì)由于管子工作中產(chǎn)生的熱效應(yīng)而開裂，如果距離過大，那連接方式就不得不采用脹接連接，所產(chǎn)生的擠壓力不僅會(huì)使得管子和管板接觸不良，還會(huì)使得管板因長(zhǎng)期使用導(dǎo)致變形。實(shí)際生產(chǎn)過程中，換熱管在管板上的排列方式可參考如圖1所示的幾種標(biāo)準(zhǔn)排列方式，且換熱管的中心距應(yīng)介于熱管外徑的1.25倍至1.7倍之間。

圖1: 換熱管的標(biāo)準(zhǔn)排列方式

1.2 折流板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了加快硫酸轉(zhuǎn)化工段中殼程流體的流速，需要對(duì)殼體內(nèi)的折流板進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，常用的折流板包括弓形折流板、圓環(huán)一盤式折流板等等。考慮到硫酸轉(zhuǎn)化工段的生產(chǎn)條件，采用單弓形折流板與換熱管相垂直放置在殼體內(nèi)，使得殼程流體能夠多次橫向通過管束，從而增大了流體的湍流度和平均對(duì)流換熱系數(shù)。選定折流板結(jié)構(gòu)后，還需要對(duì)折流板在殼程內(nèi)的排列方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，一般弓形折流板在殼程內(nèi)的排列方式包括上下排列和左右排列兩種，上下排列可使得流體傳輸過程中因多次通過折流板而產(chǎn)生劇烈擾動(dòng)，適用于對(duì)換熱器的傳熱效率要求較高的硫酸生產(chǎn)工序。而左右排列則適用于殼程流體有相變時(shí)，多用于硫酸轉(zhuǎn)化工段臥式的冷凝器或蒸發(fā)器中。此外，由相關(guān)計(jì)算可知單弓形折流板的缺口高度應(yīng)當(dāng)基于殼體內(nèi)直徑計(jì)算得出，且結(jié)合折流板的排列方式作適當(dāng)改進(jìn)。以左右方向排列方式為例，單弓形折流板的缺口高度可取殼體內(nèi)直徑的0.4。值得一提的是，現(xiàn)在部分硫酸轉(zhuǎn)換工段開始將螺旋折流板應(yīng)用于換熱器的結(jié)構(gòu)中，其原理是利用加工為螺旋狀折流板的扇形板實(shí)現(xiàn)流體的螺旋狀斜向流動(dòng)，從而減小了流體流經(jīng)換熱器過程中的壓力損失與污垢沉積，提升了換熱器的運(yùn)行效率。

2 硫酸轉(zhuǎn)化工段高溫大直徑換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

2.1 管板厚度的優(yōu)化設(shè)計(jì)

表1給出了某換熱器的正常操作工況下的應(yīng)力分析后的應(yīng)力強(qiáng)度分類，結(jié)合殼程液壓試驗(yàn)工況下應(yīng)力強(qiáng)度分布的云圖，我們不難看出，在管板厚度位于正常情況時(shí)，總應(yīng)力這項(xiàng)可滿足相關(guān)要求，但換熱器的膨脹節(jié)下部區(qū)域以及管板和殼體連接的中部,即圖2所示的圓圈處已達(dá)到320MPa和390MPa，超出了膜+彎曲應(yīng)力這項(xiàng)307.7MPa允許應(yīng)力范圍。實(shí)際上，在換熱器的正常操作工況中，結(jié)構(gòu)較大應(yīng)力多是由管板和殼體間不均勻分布的溫度載荷所引起的，在管板厚度處于較高水平時(shí)，殼體和膨脹節(jié)的在荷載下的變形程度將會(huì)擴(kuò)大，最終引起這些部位處于比較高的應(yīng)變及應(yīng)力水平。故在設(shè)計(jì)過程中，通過適當(dāng)減小管板厚度，不僅能夠從材料方面實(shí)現(xiàn)成本控制，還能夠降低結(jié)構(gòu)所受的應(yīng)力，幫助企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。

表1：正常操作工況下應(yīng)力強(qiáng)度的分類表（單位:MPa）

圖2: 液壓試驗(yàn)工況下的應(yīng)力危險(xiǎn)處

圖3: 原設(shè)計(jì)中管板和殼體連接的示意圖

2.2 管板一殼體連接結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，換熱器的管板和殼體連接處往往采用小圓角進(jìn)行過渡，應(yīng)力分析表明，這部分過渡區(qū)間內(nèi)容易因幾何形狀變化產(chǎn)生應(yīng)力集中。如圖3所示，某換熱器管板同殼體連接的上下區(qū)域各存在半徑為5cm的圓角，故優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，可考慮將圖3中的圓角半徑從5cm擴(kuò)大至10cm，以降低該處的應(yīng)力集中，并在適當(dāng)減小管板厚度的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一個(gè)臺(tái)階用來(lái)放置法蘭墊片，從而提高整臺(tái)換熱器的使用壽命。

2.3 下管板的優(yōu)化設(shè)計(jì)

換熱器設(shè)計(jì)過程中，下管板所承受的載荷有管、殼程的壓差，以及整個(gè)管束及上管箱的重力載荷通過換熱管傳遞到下管板。以60T的上部重量為例，當(dāng)下管板承受壓力均勻分布時(shí)，采取如圖所示的計(jì)算公式。（式中K為設(shè)備直徑與換熱管直徑的比值，q為載荷的設(shè)計(jì)值，δ為管板厚度，a為設(shè)備直徑）

通過所得值與生產(chǎn)實(shí)際情況的分析，發(fā)現(xiàn)若是僅按照管、殼程的設(shè)計(jì)溫度進(jìn)行壓力分布測(cè)試，則容易使得管板金屬壁溫過高。故為了避免這類現(xiàn)象發(fā)生，可在計(jì)算過程中將管板受力視為彎曲應(yīng)力，其許用應(yīng)力與其比值取1.2作為修正系數(shù)，避免溫度過高的現(xiàn)象產(chǎn)生。

3 結(jié)語(yǔ)

在硫酸工業(yè)中的轉(zhuǎn)化工段，換熱器所處的工作環(huán)境大多是高溫、高壓等惡劣環(huán)境，故換熱器的設(shè)計(jì)工作相較于其它工序中的設(shè)備設(shè)計(jì)工作也面臨著更高的挑戰(zhàn)。整個(gè)設(shè)計(jì)工作不僅需要對(duì)材料和設(shè)備結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行簡(jiǎn)要甄別，還需要在分析設(shè)備的受力情況的基礎(chǔ)上，對(duì)包括換熱管束、折流板等重要核心部件進(jìn)行可靠性分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并采取一系列優(yōu)化工作來(lái)提升換熱器的使用壽命。

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