劉姜利

(山西國控環(huán)球工程有限公司，山西 太原 030006)

換熱器在化工、石油、動力、食品及其它許多工業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位，在化工生產(chǎn)過程中是主要的換熱設(shè)備，可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，其中管売式換熱器因其具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作彈性大、材料范圍廣等優(yōu)點被廣泛使用。

本文對管殼式換熱器在工程實際應(yīng)用中出現(xiàn)的故障進行分析，并對管殼式換熱器的工程設(shè)計提出改進意見。

管売式換熱器在工程實際應(yīng)用中的故障主要表現(xiàn)在兩個方面：一方面是換熱器泄漏，主要由于制造缺陷、設(shè)計缺陷及操作不當(dāng)導(dǎo)致，本論文僅對設(shè)計缺陷進行討論：另一方面是換熱效率降低，主要是由總傳熱系數(shù)降低導(dǎo)致。

1 管売式換熱器在工程實際應(yīng)用中的故障分析

1.1 設(shè)計缺陷導(dǎo)致?lián)Q熱器泄漏的原因分析

1.1.1 管束振動

在工程實際應(yīng)用中，管束振動將引起管板與換熱管之間存在的氣孔和其他缺陷擴大，發(fā)展到一定程度時這些缺陷就會被擊穿或?qū)е缕陂_裂。振動與換熱管固有頻率有關(guān)，而固有頻率與管束的結(jié)構(gòu)、尺寸有關(guān)，因此換熱器本身的設(shè)計缺陷是導(dǎo)致管束振動的根本原因。

1.1.2 溫差應(yīng)力

大多數(shù)換熱器在運行過程中，管殼程流體之間都存在著一定的溫差，多管程的換熱器各程換熱管之間也存在著較大的溫差，溫差導(dǎo)致管板兩側(cè)和換熱管之間產(chǎn)生溫差應(yīng)力。當(dāng)溫差應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值時，金屬便會產(chǎn)生塑性變形和蠕變，最終導(dǎo)致?lián)Q熱器泄露。

1.2 換熱效率低故障原因分析

根據(jù)傳熱方程式Q=K·A·△tm可知，換熱器的傳熱量(Q)，與冷、熱流體的溫度差(△tm)、傳熱面積(A)和總傳熱系數(shù)(K)有關(guān)。溫度差與工藝條件相關(guān)，一般不會出現(xiàn)較大變動；對于既定的換熱器，換熱面積為定值。因此，工業(yè)實際應(yīng)用中，換熱效率降低都是因為總傳熱系數(shù)降低引起的。

從傳熱系數(shù)公式1/K=1/αi+1/α0+b/λ+∑R中知道，影響總傳熱系數(shù)的因素有管內(nèi)、外對流傳熱系數(shù)(αi、α0)、管壁熱阻(b/λ) 和污垢熱阻(∑R)，管壁熱阻取決于換熱管材料，一般不能隨意更改；污垢熱阻取決于流體介質(zhì)，且隨時間發(fā)生變化；對流傳熱系數(shù)與流體的物理性質(zhì)和湍流程度等因素有關(guān)，管內(nèi)、外對流傳熱系數(shù)降低直接導(dǎo)致總傳熱系數(shù)降低，最終導(dǎo)致?lián)Q熱效率降低。

1.2.1 管內(nèi)、外對流傳熱系數(shù)降低導(dǎo)致?lián)Q熱效率低[1]

管內(nèi)對流傳熱系數(shù)(αi)與布管數(shù)、管程數(shù)、管徑、管內(nèi)是否有內(nèi)插擾流物以及是否采用特型管等因素有關(guān)；管外對流傳熱系數(shù)(α0)與売體型式、換熱管類型及布局、折流板間距及折流板切率等因素有關(guān)。上述因素直接影響管、內(nèi)外流體的湍流程度，湍流程度越小，對流傳熱系數(shù)越小，換熱效率越低。

1.2.2 結(jié)垢導(dǎo)致?lián)Q熱效率降低

在實際生產(chǎn)中污垢熱阻(∑R)隨著使用時間變化。管束上的污垢會增加污垢熱阻，降低換熱器的換熱效率。例如1 mm水垢層相當(dāng)于40 mm鋼板的熱阻，1 mm煙渣層相當(dāng)于400 mm鋼板的熱阻，管壁上附有污垢層時，厚度雖不大但其導(dǎo)熱系數(shù)很小，會產(chǎn)生很大的熱阻，對傳熱十分不利[2]。

換熱器管束上污垢的形成原因主要是換熱介質(zhì)中的懸浮顆粒流經(jīng)換熱器表面時沉淀形成污垢，一般是由顆粒細(xì)小的泥沙、塵土、不溶性鹽類、膠狀物、油污等組成。

2 管売式換熱器故障的工程設(shè)計改進

2.1 減少泄漏的設(shè)計改進

2.1.1 預(yù)防振動的措施[3]

(1)減小跨距是減小振動最有效的措施；(2)采用大管徑，有效增加管子剛性；(3)增大管間距，減少管子碰撞可能性；(4)盡量減小進出口流速，并增加支撐；(5)選擇管子的材料和厚度，以使管子具有較好的剛性；(6)適當(dāng)增加折流板的厚度，減小管孔與管壁的間隙，可以抑制振動。

2.1.2 減緩溫差應(yīng)力的設(shè)計改進[4]

2.1.2.1 提高管板的抗應(yīng)力能力

在僅考慮壓力載荷作用下的管板應(yīng)力超限時，采用增加管板厚度的方法提高管板的抗彎截面模量，降低管板應(yīng)力。在需同時考慮管束與殼體間的溫差應(yīng)力、管板本身軸向應(yīng)力與徑向溫差應(yīng)力以及管板機械強度要求時，可采用彈性管板。其形狀呈圓弧形，不僅有利于承壓而且可利用其彈性變形部分吸收熱膨脹差值。由于其厚度較同工作條件下的圓形管板小很多，有利于減小管板中心和邊緣間的徑向溫差應(yīng)力。

2.1.2.2 降低殼體的軸向剛度

在管殼熱膨脹差很大的情況下，產(chǎn)生的應(yīng)力極高，可在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)，以滿足較大的總變形協(xié)調(diào)量。膨脹節(jié)可大大降低管板周邊的橫剪力和彎矩，極大地減小管板應(yīng)力，降低管板與管子間的拉脫力。因此在管殼熱膨脹差大的情況下，設(shè)置膨脹節(jié)是十分必要和經(jīng)濟的。膨脹節(jié)的安裝位置應(yīng)靠近管板，且應(yīng)避開折流板以防殼程流體短路，其波形不宜超過6個。

2.2 提高換熱效率的設(shè)計改進[2]

2.2.1 增加流速，改變流體的流動狀態(tài)

(1)在進行工程設(shè)計時，增加管程、殼程分程數(shù)可加大流速、增加流程長度和擾度。

(2)選擇管程數(shù)時，在保證允許壓降及避免管材蝕的情況下，增加流速。

(3)殼程設(shè)置擋板可提高流速，使流體充分流經(jīng)全部管面。

(4)改變流體對管子的沖刷角度，以增強管外的對流傳熱系數(shù)。在工程設(shè)計中還需注意，增大流速可改變流體流動狀態(tài)，提高湍流程度，對增強傳熱能收顯著的效果．但增加流速會使流動阻力增加，應(yīng)權(quán)衡兩種因素，選擇最佳的流速。

2.2.2 改變換熱面形狀和大小

管殼式換熱器的換熱管可采用各種異形管、加肋片的管和低翅片管，但要根據(jù)換熱介質(zhì)特性及工藝要求慎重選取，避免因結(jié)垢導(dǎo)致?lián)Q熱效率降低。

2.2.3 換熱器的定期清洗可減小污垢熱阻

金屬壁熱阻很小，可以忽略，但實際生產(chǎn)中，換熱器運行一段時間后，管壁會附著污垢，對傳熱十分不利。換熱器清洗可采用機械清洗、化學(xué)清洗、酸洗和堿洗等方式。

3 總結(jié)

綜上所述，管殼式熱交換器在工程實際應(yīng)用中出現(xiàn)的故障主要是泄露和傳熱效率低，在進行換熱器工程設(shè)計時可以改變部分設(shè)計參數(shù)，改進設(shè)計，減少換熱器故障。采用避免管束振動和減緩溫差應(yīng)力的設(shè)計方案可以有效減少換熱器泄露；通過改變流體的流動情況，增加流速和改變換熱面形狀大小可以有效提高管內(nèi)、外對流傳熱系數(shù)，提高傳熱效率。此外，換熱器定期消除污垢、可以減少堵塞、最終提高換熱器傳熱效率。