预应力换热器的研究计算

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1、•管壳式换热器预应力计算方法的初步研究陈文昕王友红郭崇志（华南理工大学工业装备与控制工程学院）摘要：针对管壳式换热器在工作运行小经常发生的热应力问题捉出了采用不同于普通热补偿措施的预应力换热器，指出该换热器的优越性，并根据其特点对其进行了设计计算，通过热应力的理论计算将其和普通换热器进行了对比，换热管与管板的应力状况有了很大的改善。关键词：管壳式换热器；热应力；预应力1•热应力问题管壳式换热器中，固定管板换热器的管束、壳休与管板为刚性连接，在换热过程屮它们与不同温度的流体接触，势必产生温并，使得

2、壳与管产生不同的伸长量，进而产生热应力。如果热应力较人又不加任何补偿的话，在长期运行的工作情况下这类换热器可能出现管子弯曲，管口松动、甚至岀现裂纹和泄漏，严重的可能造成换热器彻底毁坏。因此管壳式换热器由于温差引起的热应力不容忽视，一般规定当管子和壳体的温差为50°C时，就应釆取热补偿措施。现有的温并应力补偿措施在工艺方面主要是减小管束与壳体间的温度并，如让换热膜系数人的流体走壳程，这样管壁温度会接近换热系数人的流体，从而减少管壳的温差。还有就是从换热器结构设计着手，如采用U形管，浮头式换热器，或

3、者在换热器上面增设温差补偿元件，如膨胀节，挠型薄管板等，通过改变换热器的结构使热变形相对协调，从而降低热应力。但这些措施都存在局限性，如强制换热系数大的流休走壳程在一定的情况下必然会和其他设计准则孑盾，而常见的浮头和膨胀节等结构都不能完全消除热应力，而作为温度补偿元件的波形膨胀节，在大温差高压力的情况下，其本身的强度也达不到设计要求。2.预应力换热器的提出2.1设计思路为了降低管壳式换热器中的热应力以及由此引起的破坏，文献［1］于2000年提出了一种可以消除温差热应力的管壳式换热器专利技术。这种

4、换热器的设计思路是首先根据换热器的工作条件，由理论计算出管板在工作过程中可能出现的温差膨胀量。然后在换热器的制作过程屮在相反方向施加一预变形，让管板与换热管在工作时处于更低的应力状态，从而降低运行过程屮可能出现的温差热应力，缓和换热器的管束、壳休和管板的工作应力，达到运行安全可靠性提高Z目的。2.2优越性该技术的优点是显而易见的［1］［2］。1大大缓和了管板与管子连接苛刻的受载条件，降低了破坏的可能性，使换热器处于结构性能最优或近优的工作状态。因而可保证其长周期安全稳定工作。2由于在设计中考虑了

5、各种载荷及温度因素的影响，所以木预应力换热器的制造可以减薄常规管壳式换热器的管板或壳体厚度，节约用材的同吋可降低实际受载，从而减少了最常见的板与管子连接区的破坏，降低了应力腐蚀的可能性，从而实现了工作状态下结构能最优化设计，延长了换热器的使用寿命。提高了换热器的运行可靠性。3在实际使用中，常规换热器在管壳程压力或其它载荷的协同作用下常常会产生很大的轴向压缩力。造成换热管失稳破坏，而木预应力管壳式换热器由下在工作状态下约束缓解，所以产生的轴向压缩力很小，可以较好地消除换热器的失稳破坏。4本预应力换

6、热器在预变形状态产生后可进行局部热处理，以消除局部焊接残余应力，保留整体预应力。因此，可实现产品的分步整体热处理，且产品的抗疲劳性能和抗腐蚀性能更好。5木预应力换热器产生的预应力不仅仅控制温丼应力，还可控制其它载荷产生的应力大小，从而突破了以往只控制温差应力的缺陷。据此，可设计出性能更为优越的产品。6本设计可对制造过程中产生的预应力进行精确的控制，I大I而可保证产品性能的良好及其稳定性。7本预应力换热器由于管束在停工状态和工作状态的伸长量不同，所以在实际便用屮可产生口净化作用，即通过使用状态和停

7、工状态的伸长量的变化，产生对表面垢层的剪切力，导致在换热管表面上产生的运行积垢（通常是脆性的）自行剥离、破裂、脱落，从而实现换热管表面的自净化，提高换热管的传热效率。3.预应力换热器的实例计算3.1预应力换热器的工艺计算根据实验条件，现设定换热管尺寸为012x1.5,管长3m,列管分布为1—6—12同心圆布置,管心距24mm；外壳0159X4.5,管板厚lOmmo蒸汽走管程，水走壳程。并且采用顺流，通常这样会使进出口处冷热流体温差加大，不利丁•减少热应力，希望通过预应力换热器使得这种工况下的换热

8、器受力也得到改善。实验锅炉可产生170°C的饱和蒸汽，故蒸汽进口温度为170°C。水进口温度为环境温度约为20°Co又锅炉的额定蒸汽流量Gh=500^/h=4.1322314xlO5kg/m2.h,保持壳程水的流速为0.5m/s,这样水的流量约为Gc=l.lkg/s.管的平均壁温需要维持在100°C左右。（材料为普通碳钢）设17CTC的水蒸汽先完全冷凝至170°C的水，Z后再冷却至100°C的过冷水，则总放热量:Q=Ghr+GhCPh（T2-Tl）438+422=0.1389x2047.8+0.