浅谈换热器及换热器的设计.docx

浅谈换热器及换热器的设计【摘要】本文简要介绍了换热器在石油化工行业中的重要性从设计角度介绍了从工艺计算到换热器常规计算并且对管板进行了管板的受力分析及强度失效分析并运用有限元对管板进行应力分析。【关键词】换热器；管板；受力分析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：ASMEUHX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