CN107742044A - 双管双管板换热器管板设计方法 - Google Patents

双管双管板换热器管板设计方法 Download PDF

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巢建伟
许进文
刘文明
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Abstract

本发明提出了一种双管双管板换热器管板设计方法，属于换热器管板设计技术领域，主要步骤为：首先将双管双管板换热器拆解为两个固定管板式当量换热器：一个由外管板和内换热管组成的当量外换热器以及一个由内管板和外换热管组成的当量内换热器，然后按照相关国家标准的规定进行相关设计计算。计算中对于当量外换热器考虑内管板和外换热管对其当量筒体的约束作用，对于当量内换热器考虑外管板和内换热管对其筒体的约束作用。本发明提出的双管双管板换热器管板的设计方法，为该类型换热器的设计计算提供了一种全新的技术方案，解决了长期困扰相关领域技术人员的关键技术难题。

Description

双管双管板换热器管板设计方法
技术领域
本发明涉及一种换热器管板的设计计算方法，尤其涉及一种双管双管板换热器管板的设计计算方法。
背景技术
管壳式换热器广泛应用于过程工业冷热介质之间的热交换过程，泄漏是换热设备常见的故障之一，对普通的换热器来说，一旦发生泄漏，会使得参与换热的两介质相互接触。在一般的化工工艺中，换热器发生少量泄漏通常是允许的，但在多晶硅、有机硅和氟化工等许多特殊场合中要求参与换热的两种介质绝对不能出现混合接触，否则将危害设备安全，甚至引发灾难性事故。因此相关领域技术人员研发了一种双管双管板的安全型换热器，该换热器的每个换热管是由两根管子套在一起组成，且内管和外管之间存有间隙；换热器前后两端各有两块管板，换热器的内换热管两端分别和两块外管板连接，外换热管两端分别与两块内管板连接；换热器两端的内、外管板之间分别存有间隙，该间隙通过内、外换热管之间的间隙相互贯通，构成了一个密闭的腔体。这样，当换热器内发生泄漏时，泄漏的介质会首先进入该密闭腔体，引起该密闭腔体的压力变化。通过监测密闭腔体的压力变化便可及时发现换热器发生泄漏并采取有效措施，可以有效避免换热器内冷热介质因泄漏而相互接触，保证设备安全。
目前国内外对双管双管板换热器的研究主要集中在结构选择、双套管型式、传热分析以及泄漏监测等方面，在管板强度设计方面的研究还比较欠缺。目前，对双管双管板的强度设计目前还没有相关的标准，也没有相关的研究机构提出可靠的设计方法，很多设计主要依靠工程经验或实验方法，而这些设计方法或对设计部门要求较高，或经济投入较大，且设计周期长。设计出的换热器管板也常出现强度不足有安全隐患，或是材料选择太厚浪费现象非常严重等问题。
发明内容
本发明的目的是：提出一种双管双管板换热器管板的设计方法，为该类型换热器的设计提供一种可靠的设计方法。
本发明采取的技术方案是：一种双管双管板换热器管板的设计方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1，将双管双管板换热器拆解成两个普通固定管板式换热器：当量外换热器和当量内换热器，所述当量外换热器由内换热管和两块外管板组成，所述当量内换热器由外换热管和两块内管板组成；
步骤2，获取当量换热器的结构及材料参数。
步骤3，求取当量外换热器换热管束与当量筒体的刚度比Q1和当量筒体的线膨胀系数αs1以及当量内换热器的Q2、αs2。
步骤4，假设管板的名义厚度δn。
步骤5，求取当量换热器的其他各系数。
步骤6，利用单管单管板换热器模型求解；
步骤7，求取各工况下的管板径向应力σr、管板布管区周边剪切应力τp、壳体法兰应力σf′、换热管轴向应力σt、壳程圆筒轴向应力σc、换热管与管板连接拉脱应力q，并与相应许用应力进行对比；
步骤8，计算结果满足许用应力要求则通过校核，若不满足要求则增加管板厚度并重复步骤4-7，或是改变换热器结构或材料并重复步骤2-7，直至校核通过。
步骤9，完成设计，获取计算书。
作为优选方案，对于当量外换热器，计算当量筒体的轴向刚度时考虑外换热管和两个内管板对筒体的约束作用，对于拆解出的当量内换热器，计算当量筒体的轴向刚度时考虑内换热管和两个外管板对筒体的约束作用
本发明的有益效果是为提出了一种双管双管板换热器管板的设计方法，解决了长期困扰相关领域技术人员的该类型换热器设计的关键技术难题。
附图说明
附图为双管双管板换热器管板设计流程图。
具体实施方式
双管双管板换热器主体结构包括两个外管板，两个内管板，其换热管每组均有两个套在一起的管子组成，分别是内换热管和外换热管，其中内换热管两端分别和两块外管板连接，外换热管两端分别和两块内管板连接。内换热管和外换热管之间存在间隙，两者之间没有约束。
在对双管双管板换热器管板记性设计计算时，首先应将该换热器进行拆解，可以得到一个由内换热管和外管板组成的当量外换热器，以及一个由外换热管和内管板组成的当量内换热器。对于当量外换热器，其筒体还受到外换热管和内管板的约束作用，同样对于当量内换热器，其筒体还受到内换热管和外管板的约束作用，这有别于普通固定管板式换热器，因此将这两个当量换热器的筒体成为当量筒体。
完成换热器的拆解之后，获取当量换热器的结构及材料参数，首先要分别求取当量外换热器换热管束与当量筒体的刚度比Q1和当量筒体的线膨胀系数αs1以及当量内换热器的Q2、αs2。然后假设管板的名义厚度δn，求取当量换热器的其他各系数，用求得的Q1、αs1、Q2和αs2分别替代原来的Q和αs，然后按照普通固定管板式换热器模型求解，求取各工况下的管板径向应力σr、管板布管区周边剪切应力τp、壳体法兰应力σf′、换热管轴向应力σt、壳程圆筒轴向应力σc、换热管与管板连接拉脱应力q，并与相应许用应力进行对比；计算结果满足许用应力要求则通过校核，若不满足要求则增加管板厚度并重复步骤4-7，或是换热器结构或材料并重复步骤2-7，直至校核通过。

Claims (2)

1.一种双管双管板换热器管板设计方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1，将双管双管板换热器拆解成两个普通固定管板式换热器：当量外换热器和当量内换热器，所述当量外换热器由内换热管和两块外管板组成，所述当量内换热器由外换热管和两块内管板组成；
步骤2，获取当量换热器的结构及材料参数；
步骤3，求取当量外换热器换热管束与当量筒体的刚度比Q1和当量筒体的线膨胀系数αs1以及当量内换热器的Q2、αs2；
步骤4，假设管板的名义厚度δn；
步骤5，求取当量换热器的其他各系数；
步骤6，利用单管单管板换热器模型求解；
步骤7，求取各工况下的管板径向应力σr、管板布管区周边剪切应力τp、壳体法兰应力σf′、换热管轴向应力σt、壳程圆筒轴向应力σc、换热管与管板连接拉脱应力q，并与相应许用应力进行对比；
步骤8，计算结果满足许用应力要求则通过校核，若不满足要求则增加管板厚度并重复步骤4-7，或是换热器结构或材料并重复步骤2-7，直至校核通过；
步骤9，完成设计，获取计算书。
2.根据权利要求1所述的双管双管板换热器管板设计方法，其特征在于：步骤3中求取当量外换热器Q2、和αs1时要考虑外换热管和两个内管板对筒体的约束作用，求取当量内换热器的Q2、和αs2时要考虑内换热管和两个外管板对筒体的约束作用。
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