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發(fā)布時(shí)間:2024-9-13

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關(guān)于板式冷卻器換熱效率影響因素探討介紹

 對于一定工況下能夠滿足工藝要求和安全要求的冷卻器設(shè)計(jì)方案有多種形式,而究竟哪一種方案的設(shè)備成本最低呢,在另一篇文章“固定管板式冷卻器強(qiáng)度的優(yōu)化設(shè)計(jì)”(以下簡稱‘優(yōu)化設(shè)計(jì)“)中,通過分析在流體流程給定情況下管/殼程材料對冷卻器強(qiáng)度的影響,已提出了關(guān)于管/殼程材料優(yōu)化匹配的幾點(diǎn)建議,即通過對冷卻器管/殼程材料進(jìn)行優(yōu)化匹配,使冷卻器主要受壓元件一一管板、殼體、管子中的應(yīng)力減小,元件厚度減薄,使材料、制造費(fèi)用降低。在這里,我們通過對固定管板式冷卻器流程匹配或稱流程優(yōu)化分析來探討冷卻器的換熱效率。
  在大多數(shù)設(shè)計(jì)中,工藝設(shè)計(jì)人員主要所考慮的是傳熱效率、流體阻力、操作穩(wěn)定性等方面的問題,而往往忽略流程對冷卻器強(qiáng)度的影響。事實(shí)上,流程對冷卻器強(qiáng)度是有影響的,而且在某些情況下影響還是相當(dāng)大的。因此,在冷卻器設(shè)計(jì)中,在滿足工藝要求的前提下,可通過流程的合理選擇,即冷熱兩種流體的流程與冷卻器管/殼程材料進(jìn)行優(yōu)化匹配,使冷卻器主要受壓元件一一管板、殼體、管子中的應(yīng)力減小,元件厚度減薄,最終降低設(shè)備成本。
  在固定管板式冷卻器的強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算中,溫差應(yīng)力往往起主導(dǎo)作用,尤其是當(dāng)管/殼程溫差較大時(shí),溫差應(yīng)力將起決定作用。
  根據(jù)固定管板式冷卻器的強(qiáng)度計(jì)算理論,固定管板式冷卻器主要受壓元件一一管板、殼體、管子中的應(yīng)力分別為:管板徑向彎曲應(yīng)力管板布管區(qū)周邊剪應(yīng)力其中殼體圓筒軸向應(yīng)力A換熱管軸向應(yīng)力以上各種:當(dāng)溫差。應(yīng)力起決定作用時(shí),尺=,A則管板、殼體、管子中的應(yīng)力簡量(管程材料確定后也為常數(shù)),管板、體、管+屮的應(yīng)力將由冷卻器4;殼程圓筒材料的熱膨脹差變形決定,而由此可以看出,影響固定管板式冷卻器溫差應(yīng)力的因素主要旮三個(gè):一是管/殼程溫升(two)和(UKO),二是管/殼程材料性質(zhì),三是流體的流程。
  管/殼程溫升是給定的工藝參數(shù),在進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)是不能改變,而改變管/殼程材料性質(zhì)對冷卻器強(qiáng)度的影I確及材料優(yōu)化匹配問題,11在優(yōu)化設(shè)計(jì)“文中W論過,現(xiàn)在我們來討論一下流體流程的選擇對冷卻器強(qiáng)度的影響及流程優(yōu)化匹配問題。
  山前面的理論分析知道,在Y起主導(dǎo)作用時(shí),冷卻器各主要受正元件中的應(yīng)力,由冷卻器4;殼程圓筒材料的熱膨脹差決定:由此說明,當(dāng)管/程材料線膨脹系數(shù)接近或相等時(shí),改變流程將使冷卻器主要受壓元件屮的應(yīng)力改變方向(拉/ffi),而數(shù)值保持不變。

  當(dāng)管/殼程材料線膨脹系數(shù)相差較人時(shí),有兩種情況:壓元件中的應(yīng)力改變方向,而且還使應(yīng)力的數(shù)值變大。
  由以上分析可以看出流程對固定管板式冷卻器強(qiáng)度的影響。同時(shí)也說明,從強(qiáng)度上講存在著流程優(yōu)化問題,即對于/殼程材料線膨脹系數(shù)相同或相近的冷卻器,可通過流體流程的優(yōu)化匹配來改變管板、殼體、管子中的應(yīng)力方向,從而提高特殊材料(如某些秋性較差的柿科)冷卻器的強(qiáng)度;對于管/殼程撕線膨胯數(shù)相差較大的冷卻器,可通過流程優(yōu)化匹配來減小管板、體、管子中的應(yīng)力數(shù)值和改變應(yīng)力的方向,從而使冷卻器主要受壓元件的厚度減小,減少材料消塍RI加工費(fèi)用,從而達(dá)到對冷卻器強(qiáng)度優(yōu)化的目的。
  4結(jié)論及流滕化匹配的幾點(diǎn)原則由上述討論可知,固定管賦冷卻器管板、固定管板式冷卻器冷熱流體的流程應(yīng)由工藝設(shè)計(jì)人員和機(jī)械設(shè)計(jì)人員一起討論確定;當(dāng)管/殼程;m線膨相差不大(<5%)時(shí),可不考慮流程對冷卻器強(qiáng)度的影響;當(dāng)管/殼程柿料線膨脹系數(shù)相差較大(>5%)時(shí),應(yīng)考慮流程對冷卻器強(qiáng)度的影響,即在確定流體流程時(shí),應(yīng)使熱流體走材料線膨脹系數(shù)較小的一程,而冷流體走柿科線膨脹系數(shù)較大的一程,以減小管板、殼體和管中的應(yīng)力。
  一文中所舉的例子,假設(shè)原流程為:管程走酒精,殼程走水蒸氣,管/程設(shè)計(jì)溫度為90/150C,管/殼程材料為20/10*18Ngn,在相應(yīng)管/殼程溫度下,管/程體和管子中的應(yīng)力,除與工藝參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)及材料性質(zhì)有關(guān)外,還與流體的流程有關(guān),尤其是在r起決定作用的情況下,當(dāng)管子與殼的線膨脹系數(shù)相同時(shí),改變流程只改變管子與殼體中應(yīng)力的方向,而不改變應(yīng)力的數(shù)值;當(dāng)管子與殼體材料線膨脹系數(shù)不同時(shí),改變流程不僅可以改變管子與殼體中應(yīng)力的方向,而且還可以改變應(yīng)力的數(shù)值,并且管/殼程材料線膨脹系數(shù)相差越大,應(yīng)力數(shù)值變化也越大。具體來說,熱流體走材料線膨脹厲較大的hi時(shí)的應(yīng)力大于走線膨脹系數(shù)較小一側(cè)時(shí)的應(yīng)力;或者說,冷流體走材料線膨脹系數(shù)較大的一側(cè)時(shí)的應(yīng)力小于走材料線膨脹系數(shù)較小的一側(cè)時(shí)的應(yīng)力。
  因此,流程優(yōu)化就是通過對流過冷卻器的冷熱兩種流體與換熱管的管/殼程材料的優(yōu)化匹配,來達(dá)到提高冷卻器強(qiáng)度或降低設(shè)備成本的目的。
  在這里給出下面幾點(diǎn)建議,即流程優(yōu)化匹配的幾點(diǎn)原則:mriC.用化工部設(shè)備技術(shù)中心站編SW6軟件計(jì)算結(jié)果為:管板徑。向最X彎曲應(yīng)力=相應(yīng)設(shè)計(jì)的管板厚度為Mmm.現(xiàn)將流程改為:管程(水蒸氣),殼枰(酒精)相應(yīng)管/殼程設(shè)計(jì)溫度為觀TC,其它條仆不變,用“SW6”計(jì)算結(jié)果為:不論規(guī)范還是設(shè)計(jì)圖紙,都要求E309Nb中Nb含量810由于這個(gè)范圍很窄,因而增加了焊條制造的工藝難度,另外Nb是一種責(zé)重金屬,因此,E309Nb的制造成本高于E309L.不銹鋼焊條E309L和E309Nb都具有良好的抗晶間腐蝕和抗熱裂紋性能。E309L的高溫強(qiáng)度同樣能滿足設(shè)計(jì)圖紙要求。經(jīng)與設(shè)計(jì)單位溝通,設(shè)計(jì)單位同意了我廠的方案。最終這28臺(tái)復(fù)合板設(shè)備采用E309L焊條制造,不但節(jié)約了資金,更重要的是爭取了時(shí)間,保證了設(shè)備按合同工期完工。

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