管壳式换热器的优化设计

管壳式换热器是广泛应用于各个领域的工业设备,在国民经济中具有非常重要的作用,管壳式换热器的效率问题是设计工作的核心。本文利用优化设计原理,建立了以管壳式换热器优化设计模型。分析了影响年总费用的因素,编制了管壳式换热器优化设计计算机程序。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。后给出了一个计算实例说明优化设计程序的使用。

　　　　热交换器是进行热交换操作的通用工艺设备,被广泛应用于各个工业部门,尤其在石油、化工生产中应用更为广泛。换热器分类方式多样,按照其工作原理可分为:直接接触式换热器、蓄能式换热器和间壁式换热器三大类,其中间壁式换热器用量,据统计,这类换热器占总用量的99%。间壁式换热器又可分为管壳式和板壳式换热器两类,其中管壳式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性,在长期的操作过程中积累了丰富的经验,其设计资料比较齐全,在许多***都有了系列化标准。虽然它在结构紧凑性、传热轻度和单位金属消耗量方面无法与板式和板翅式换热器相比，但它由于具有前述的一些优点，因而在化工、石油能源等行业的应用中仍处于主导地位。近年来尽管管壳式换热器也受到了新型换热器的挑战,但由于管壳式热交换器具有结构简单、牢固、操作弹性大、应用材料广等优点,管壳式换热器目前仍是化工、石油和石化行业中使用的主要类型换热器,尤其在高温、高压和大型换热设备中仍占有优势。

换热管的排列形式

换热管标准的排列形式见图

a） 三角形排列

是为普遍的排列形式，特别是用在壳程介质较清洁，换热管外不需要清洗的固定管板换热器中。

b） 正方形排列

正方形排列一般多用于需对换热管外进行清洗的浮头换热器和U 形管换热器中。

c） 正三角形排列和转角正方形排列（见图a、d），在传热上称为错列，介质流动时可形成湍流，对传热有利。而转角三角形和正方形排列（见图b、c）在传热上称为直列，介质流动时有一部分是层流，对传热有不利影响。

因此，对于无相变的换热器，因其传热与介质流动状态关系较大。故宜采用正三角形或转角正方形排列。对于有相变的冷凝器，因为传热与介质的流动关系较小，仅与管壁凝液流动方向的关系较大，一般可采用转角三角形和正方形排列。

焊接法虽然较胀接可以乃更高的温度，但是在高温循环应力的作用下，焊口极易发生疲劳裂 纹，列管与管孔存在间隙，当受到腐蚀介质的侵蚀时，以会加速接头的损坏。

因此，就产生了焊接和胀接同时使用的方法。这样不但能提高接头的性能，同时 可以降低缝隙腐蚀倾向，因而其使用寿命比单用焊接时长的多。在什么场合下适宜施行焊、胀接并用的方法，目前尚无统一标准。

通常在温度不太高而压力很高或介 质极易渗漏时，采用强度胀加密封焊（密封焊是指单纯防止渗漏而施行的焊接，并不保证强度）。当在压力和温度都很高的情况下，则采用强度焊加贴胀，（强度焊 是即使焊缝有严密性，又能保证接头具有较大的拉脱力，通常是指焊缝强度等于管子轴向负荷下的强度时的焊接）。对于通常的操作压力相对较低，只要它不超过设备的额定压力，我通常希望它们尽可能地大一点，现在建筑单元的水平太低。

贴胀的作用主要是消除缝隙腐蚀和提高焊缝的性能。具体的结构尺寸标准中（GB/T151）已有规定，在此不再详述。