管壳式换热器的应用

型换热器广泛应用于石油、化工、钢铁等工业领域。由于工艺要求高，制造难度大，目前世界上仅有少数几个国家能够成功研制。也许固定管板式换热器应该换成u形管换热器和浮头换热器，以消除这种应力差造成的隐蔽性。近年来，中国一重进行了上百次试验，攻克了双等级换热管束的焊接和胀接、组装焊接次序、局部热处理等高难技术，终形成了一整套设计、工艺方案，为顺利完成制造提供了技术支持。

管壳式换热器主要有固定管板换热器、浮头式换热器、U形管式换热器、填料函式的浮头换热器等结构型式，固定管板换热器因结构简单，制造成本低，能得到较小的壳体内径，管程可分成多样，壳程也可用纵向隔板分成多程，规格范围广等优势在工程中得到了广泛应用

对于完成某一任务的换热器,往往有多个选择,如何确定的换热器,是换热器优化的问题,即采用优化方法使设计的换热器满足的目标函数和约束条件。在换热器设计中,目标函数是指包括设备费用和操作费用在内的总费用。如果两温度相差很大，换热器内将产生很大热应力，导致管子弯曲、断裂，或从管板上拉脱。本文主要针对管壳式水冷却器冷却水出口温度的优化问题,利用一般优化设计的原理和方法,以操作费用为优化目标,给出相应的目标函数,并用MATLAB语言编写了计算程序,后给出了一个计算实例。

1目标函数

　　对于以水为冷却介质的管壳式冷却器,进口水温一定时,由传热学的基本原理分析可知,冷却水的出口费用将影响传热温差,从而影响换热器的传热面积和投资费用。若冷却水出口温度较低,所需的传热面积可以较小,即换热器的投资费用减少;但此时的冷却水的用量则较大,所需的操作费用增加,所以存在使设备费用和操作费用之和为的冷却水出口温度。管壳换热器的壳体大多为圆柱形，装有管束，管束两端固定在管板上。

　　设换热器的年固定费用FA = KF.CA.A (1)式中FA———换热器的年固定费用,元;KF———换热器的年折旧率, 1 /y;CA———换热器单位传热面积的投资费用,元/m2 ;A———换热器的传热面积,m2。换热器的年操作费用FB =Cu?WuHy/1000 (2)式中FB———换热器的年操作费用,元;Cu———单位质量冷却水费用,元/吨;Wu———换热器冷却水用量, kg/h;Hy———换热器每年运行时间, h。管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。因此换热器的年总费用即目标函数F = FA + FB = KFCAA +Cu?WuHy/1000 (3)2A与Wu的数学模型———热平衡方程换热器的热负荷为Q =GcPi ( T1 - T2 ) (4)式中Q———换热器的热负荷, kJ /h;G———换热器热介质处理量, kg/h;cpi———热流体介质比热容, kJ / ( kg?℃) ;T1、T2———热流体的进出口温度,℃。

拉杆和定距管

折流板、支持板的固定一般采用拉杆或拉杆和定距管与管板固定。常用的固定结构有两种，即拉杆定距管结构和点焊结构，见图所示：

a） 拉杆定距管结构，用于换热管外径大于或等于 19mm 的管束。

b） 拉杆与折流板点焊结构，用于换热管外径小于或等于 14mm 的管束。

1拉杆的尺寸

拉杆的连接尺寸按图所示和表4确定。

表4 拉杆尺寸

2拉杆的布置

拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘。对于大直径的换热器，在布管区内或靠近折流板缺口处应布置适当数量的拉杆。

双壳程结构

在壳程内安装一平行于换热管轴线的矩形平板，即纵向隔板，将壳程一分为二，即双壳程，见图所示。这种结构可以提高壳程物料流速，改善传热效果，即提高传热系数，从经济角度，一台双壳程换热器比两台单管程换热器便宜。