固定管板换热器换热效率影响因素探讨

　　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一一管板、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。

　　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一一管板、壳体、管子中的应力减小，元件厚度减薄，终降低设备成本。

　　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一一管板、壳体、管子中的应力分别为：管板径向弯曲应力管板布管区周边剪应力其中壳体圆筒轴向应力A换热管轴向应力以上各种：当温差。应力起决定作用时，尺=，A则管板、壳体、管子中的应力简量（管程材料确定后也为常数），管板、体、管+屮的应力将由换热器4；壳程圆筒材料的热膨胀差变形决定，而由此可以看出，影响固定管板式换热器温差应力的因素主要旮三个：一是管/壳程温升（two）和（UKO），二是管/壳程材料性质，三是流体的流程。

　　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I确及材料优化匹配问题，11在优化设计“文中W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。

　　山前面的理论分析知道，在Y起主导作用时，换热器各主要受正元件中的应力，由换热器4；壳程圆筒材料的热膨胀差决定：由此说明，当管/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屮的应力改变方向（拉/ffi），而数值保持不变。

　　当管/壳程材料线膨胀系数相差较人时，有两种情况：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/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（如某些秋性较差的柿科）换热器的强度；对于管/壳程撕线膨胯数相差较大的换热器，可通过流程优化匹配来减小管板、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，减少材料消塍RI加工费用，从而达到对换热器强度优化的目的。

　　4结论及流滕化匹配的几点原则由上述讨论可知，固定管赋换热器管板、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；当管/壳程；m线膨相差不大（<5）时，可不考虑流程对换热器强度的影响；当管/壳程柿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，而冷流体走柿科线膨胀系数较大的一程，以减小管板、壳体和管中的应力。

　　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/程设计温度为90/150C，管/壳程材料为20/10*18Ngn，在相应管/壳程温度下，管/程体和管子中的应力，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厉较大的hi时的应力大于走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：mriC.用化工部设备技术中心站编SW6软件计算结果为：管板径。向X弯曲应力=相应设计的管板厚度为Mmm.现将流程改为：管程（水蒸气），壳枰（酒精）相应管/壳程设计温度为观TC，其它条仆不变，用“SW6”计算结果为：不论规范还是设计图纸，都要求E309Nb中Nb含量810由于这个范围很窄，因而增加了焊条制造的工艺难度，另外Nb是一种责重金属，因此，E309Nb的制造成本高于E309L.不锈钢焊条E309L和E309Nb都具有良好的抗晶间腐蚀和抗热裂纹性能。E309L的高温强度同样能满足设计图纸要求。经与设计单位沟通，设计单位同意了我厂的方案。终这28台复合板设备采用E309L焊条制造，不但节约了资金，更重要的是争取了时间，保证了设备按合同工期芫工。