固定管板换热器换热效率影响因素探讨
晨怡热管
郑州大学 郑州 ４５０００２
张宏选
2007-12-29 0:48:24
摘要：通过对不带膨胀节的固定管板换热器换热效率的理论分析，找出影响换热效率的因素，提出了换热器设计时的几点原则，并用实例证明了结论。
关键词：固定管板换热器 流程 换热效率
１ 引言
对于一定工况下能够满足工艺要求和安全要求的换热器设计方案有多种形式，而究竟哪一种方案的设备成本最低呢？在另一篇文章“固定管板式换热器强度的优化设计”（以下简称“优化设计”）中，通过分析在流体流程给定情况下管／壳程材料对换热器强度的影响，已提出了关于管／壳程材料优化匹配的几点建议，即通过对换热器管／壳程材料进行优化匹配，使换热器主要受压元件——管板、壳体、管子中的应力减小，元件厚度减薄，使材料、制造费用降低。在这里，我们通过对固定管板式换热器流程匹配或称流程优化分析来探讨换热器的换热效率。
２ 流程优化的概念
在大多数设计中，工艺设计人员主要所考虑的是传热效率、流体阻力、操作稳定性等方面的问题，而往往忽略流程对换热器强度的影响。事实上，流程对换热器强度是有影响的，而且在某些情况下影响还是相当大的。因此，在换热器设计中，在满足工艺要求的前提下，可通过流程的合理选择，即冷热两种流体的流程与换热器管／壳程材料进行优化匹配，使换热器主要受压元件——管板、壳体、管子中的应力减小，元件厚度减薄，最终降低设备成本。
３ 流程优化的原理
在固定管板式换热器的强度设计计算中，温差应力往往起主导作用，尤其是当管／壳程温差较大时，温差应力将起决定作用。
根据固定管板式换热器的强度计算理论，固定管板式换热器主要受压元件——管板、壳体、管子中的应力分别为：
管板径向弯曲应力
管／壳程温升是给定的工艺参数，在进行强度设计时是不能改变，而改变管／壳程材料性质对换热器强度的影响及材料优化匹配问题，已在“优化设计”一文中讨论过，现在我们来讨论一下流体流程的选择对换热器强度的影响及流程优化匹配问题。
由前面的理论分析知道，在γ起主导作用时，换热器各主要受压元件中的应力，由换热器与壳程圆筒材料的热膨胀差决定：
假设热流体的温度为ｔｈ，冷流体的温度为ｔｃ下面就以热流体分别走管程和壳程两种情况来进行对比分析。
第一种情况，热流体走管程，即ｔｔ＝ｔｈ，，ｔｓ＝ｔｃ则：
由此说明，当管／壳程材料线膨胀系数接近或相等时，改变流程将使换热器主要受压元件中的应力改变方向（拉／压），而数值保持不变。
当管／壳程材料线膨胀系数相差较大时，有两种情况：
说明当管程材料的线膨胀系数大于壳程材料的线膨胀系数时，改变流程不仅使换热器主要受压元件中的应力改变方向，而且还使应力的数值变小。
说明当管程材料的线膨胀系数小于壳程材料的线膨胀系数时，改变流程不仅使换热器主要受压元件中的应力改变方向，而且还使应力的数值变大。
由以上分析可以看出流程对固定管板式换热器强度的影响。同时也说明，从强度上讲存在着流程优化问题，即对于管／壳程材料线膨胀系数相同或相近的换热器，可通过流体流程的优化匹配来改变管板、壳体、管子中的应力方向，从而提高特殊材料（如某些塑性较差的材料）换热器的强度；对于管／壳程材料线膨胀系数相差较大的换热器，可通过流程优化匹配来减小管板、壳体、管子中的应力数值和改变应力的方向，从而使换热器主要受压元件的厚度减小，减少材料消耗和加工费用，从而达到对换热器强度优化的目的。
４ 结论及流程优化匹配的几点原则
由上述讨论可知，固定管板式换热器管板、壳体和管子中的应力，除与工艺参数、结构参数及材料性质有关外，还与流体的流程有关，尤其是在ｒ起决定作用的情况下，当管子与壳体材料的线膨胀系数相同时，改变流程只改变管子与壳体中应力的方向，而不改变应力的数值；当管子与壳体材料线膨胀系数不同时，改变流程不仅可以改变管子与壳体中应力的方向，而且还可以改变应力的数值，并且管／ 壳程材料线膨胀系数相差越大，应力数值变化也越大。具体来说，热流体走材料线膨胀系数较大的一侧时的应力大于走材料线膨胀系数较小一侧时的应力；或者说，冷流体走材料线膨胀系数较大的一侧时的应力小于走材料线膨胀系数较小的一侧时的应力。
因此，流程优化就是通过对流过换热器的冷热两种流体与换热管的管／壳程材料的优化匹配，来达到提高换热器强度或降低设备成本的目的。在这里给出下面几点建议，即流程优化匹配的几点原则：
（１）固定管板式换热器冷热流体的流程应由工艺设计人员和机械设计人员一起讨论确定；
（２）当管／壳程材料线膨胀系数相差不大（＜５％）时，可不考虑流程对换热器强度的影响；
（３）当管／壳程材料线膨胀系数相差较大（＞５％）时，应考虑流程对换热器强度的影响，即在确定流体流程时，应使热流体走材料线膨胀系数较小的一程，而冷流体走材料线膨胀系数较大的一程，以减小管板、壳体和管中的应力。
５ 实例
例如，仍用“优化设计”一文中所举的例子，假设原流程为：管程走酒精，壳程走水蒸气，管／壳程设计温度为９０／１５０℃，管／ 壳程材料为２０／１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ，在相应管／壳程温度下，管／壳程材料的线膨胀系数为０．００００１１８８／０．０００１６７８ｍｍ／ｍｍ℃。用化工部设备技术中心站编 ＳＷ６ 软件计算结果为：
相应设计的管板厚度为２０ｍｍ。
明显看出，第二种流程比第一种流程相应各项应力，除管子与管板连接拉脱力外，普遍降低２／３以上，相应设计出的管板厚度也减少１／６左右。本例就很好地说明了流体流程与管／ 壳程材料的优化匹配问题。
参考文献
［１］ ＧＢ１５１－１９９９《钢制管壳式换热器》，中国标准出版社
［２］ ＧＢ１５０－１９９８《钢制压力容器》，中国标准出版社
［３］ 青岛化工学院等院校合编，钢制压力容器，设计理论基本及安全监察要求，湖北科技出版社
［４］ 余国琮编，《化工容器及设备》，天津大学出版社，１９９８
［５］ 化工设备设计全书编委会编，《换热器设计》，上海科学技术出版社
［６］ 化工部设备设计技术中心站编，《ＳＷ６计算软件》
［７］ “固定管板式换热器强度的优化设计”张宏选等《化工装备技术》２００１年第一期
关键词：固定管板换热器 流程 换热效率
１ 引言
对于一定工况下能够满足工艺要求和安全要求的换热器设计方案有多种形式，而究竟哪一种方案的设备成本最低呢？在另一篇文章“固定管板式换热器强度的优化设计”（以下简称“优化设计”）中，通过分析在流体流程给定情况下管／壳程材料对换热器强度的影响，已提出了关于管／壳程材料优化匹配的几点建议，即通过对换热器管／壳程材料进行优化匹配，使换热器主要受压元件——管板、壳体、管子中的应力减小，元件厚度减薄，使材料、制造费用降低。在这里，我们通过对固定管板式换热器流程匹配或称流程优化分析来探讨换热器的换热效率。
２ 流程优化的概念
在大多数设计中，工艺设计人员主要所考虑的是传热效率、流体阻力、操作稳定性等方面的问题，而往往忽略流程对换热器强度的影响。事实上，流程对换热器强度是有影响的，而且在某些情况下影响还是相当大的。因此，在换热器设计中，在满足工艺要求的前提下，可通过流程的合理选择，即冷热两种流体的流程与换热器管／壳程材料进行优化匹配，使换热器主要受压元件——管板、壳体、管子中的应力减小，元件厚度减薄，最终降低设备成本。
３ 流程优化的原理
在固定管板式换热器的强度设计计算中，温差应力往往起主导作用，尤其是当管／壳程温差较大时，温差应力将起决定作用。
根据固定管板式换热器的强度计算理论，固定管板式换热器主要受压元件——管板、壳体、管子中的应力分别为：
管板径向弯曲应力
管／壳程温升是给定的工艺参数，在进行强度设计时是不能改变，而改变管／壳程材料性质对换热器强度的影响及材料优化匹配问题，已在“优化设计”一文中讨论过，现在我们来讨论一下流体流程的选择对换热器强度的影响及流程优化匹配问题。
由前面的理论分析知道，在γ起主导作用时，换热器各主要受压元件中的应力，由换热器与壳程圆筒材料的热膨胀差决定：
假设热流体的温度为ｔｈ，冷流体的温度为ｔｃ下面就以热流体分别走管程和壳程两种情况来进行对比分析。
第一种情况，热流体走管程，即ｔｔ＝ｔｈ，，ｔｓ＝ｔｃ则：
由此说明，当管／壳程材料线膨胀系数接近或相等时，改变流程将使换热器主要受压元件中的应力改变方向（拉／压），而数值保持不变。
当管／壳程材料线膨胀系数相差较大时，有两种情况：
说明当管程材料的线膨胀系数大于壳程材料的线膨胀系数时，改变流程不仅使换热器主要受压元件中的应力改变方向，而且还使应力的数值变小。
说明当管程材料的线膨胀系数小于壳程材料的线膨胀系数时，改变流程不仅使换热器主要受压元件中的应力改变方向，而且还使应力的数值变大。
由以上分析可以看出流程对固定管板式换热器强度的影响。同时也说明，从强度上讲存在着流程优化问题，即对于管／壳程材料线膨胀系数相同或相近的换热器，可通过流体流程的优化匹配来改变管板、壳体、管子中的应力方向，从而提高特殊材料（如某些塑性较差的材料）换热器的强度；对于管／壳程材料线膨胀系数相差较大的换热器，可通过流程优化匹配来减小管板、壳体、管子中的应力数值和改变应力的方向，从而使换热器主要受压元件的厚度减小，减少材料消耗和加工费用，从而达到对换热器强度优化的目的。
４ 结论及流程优化匹配的几点原则
由上述讨论可知，固定管板式换热器管板、壳体和管子中的应力，除与工艺参数、结构参数及材料性质有关外，还与流体的流程有关，尤其是在ｒ起决定作用的情况下，当管子与壳体材料的线膨胀系数相同时，改变流程只改变管子与壳体中应力的方向，而不改变应力的数值；当管子与壳体材料线膨胀系数不同时，改变流程不仅可以改变管子与壳体中应力的方向，而且还可以改变应力的数值，并且管／ 壳程材料线膨胀系数相差越大，应力数值变化也越大。具体来说，热流体走材料线膨胀系数较大的一侧时的应力大于走材料线膨胀系数较小一侧时的应力；或者说，冷流体走材料线膨胀系数较大的一侧时的应力小于走材料线膨胀系数较小的一侧时的应力。
因此，流程优化就是通过对流过换热器的冷热两种流体与换热管的管／壳程材料的优化匹配，来达到提高换热器强度或降低设备成本的目的。在这里给出下面几点建议，即流程优化匹配的几点原则：
（１）固定管板式换热器冷热流体的流程应由工艺设计人员和机械设计人员一起讨论确定；
（２）当管／壳程材料线膨胀系数相差不大（＜５％）时，可不考虑流程对换热器强度的影响；
（３）当管／壳程材料线膨胀系数相差较大（＞５％）时，应考虑流程对换热器强度的影响，即在确定流体流程时，应使热流体走材料线膨胀系数较小的一程，而冷流体走材料线膨胀系数较大的一程，以减小管板、壳体和管中的应力。
５ 实例
例如，仍用“优化设计”一文中所举的例子，假设原流程为：管程走酒精，壳程走水蒸气，管／壳程设计温度为９０／１５０℃，管／ 壳程材料为２０／１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ，在相应管／壳程温度下，管／壳程材料的线膨胀系数为０．００００１１８８／０．０００１６７８ｍｍ／ｍｍ℃。用化工部设备技术中心站编 ＳＷ６ 软件计算结果为：
相应设计的管板厚度为２０ｍｍ。
明显看出，第二种流程比第一种流程相应各项应力，除管子与管板连接拉脱力外，普遍降低２／３以上，相应设计出的管板厚度也减少１／６左右。本例就很好地说明了流体流程与管／ 壳程材料的优化匹配问题。
参考文献
［１］ ＧＢ１５１－１９９９《钢制管壳式换热器》，中国标准出版社
［２］ ＧＢ１５０－１９９８《钢制压力容器》，中国标准出版社
［３］ 青岛化工学院等院校合编，钢制压力容器，设计理论基本及安全监察要求，湖北科技出版社
［４］ 余国琮编，《化工容器及设备》，天津大学出版社，１９９８
［５］ 化工设备设计全书编委会编，《换热器设计》，上海科学技术出版社
［６］ 化工部设备设计技术中心站编，《ＳＷ６计算软件》
［７］ “固定管板式换热器强度的优化设计”张宏选等《化工装备技术》２００１年第一期
责任编辑: banye
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