双管板冷却器的设计

毛 荐 王尚峰 张玉辉 洪 俊

（沈阳鼓风机集团压力容器有限公司)

1 设计开发的出发点

就一般的管壳式换热器而言，换热管与管板的连接处通常是换热器容易渗漏的地方，若连接质量不好，会直接影响工艺操作的正常进行，甚至迫使机组停车，影响正常的生产。为保证管子与管板的连接强度和密封性能，可采用各种连接方法，但这些方法都不能保证绝对不泄漏。即使水压试验、气密性试验完全合格，单在操作中由于介质腐蚀、温度和压力的作用，特别是压力、温度的波动或突然变化 （如开、停车，不正常操作），往往会使管子与管板连接处产生不同程度的泄漏。少量的泄漏在一般的化工工艺中或许影响不大，就整套机组的运行而言或许是允许的，但是在两种介质混合后会燃烧或爆炸等严禁管、壳程介质混合的场合，这是绝对不允许的。因此，这种场合可以考虑采用双管板换热器。双管板的作用并不是消除泄漏，而是防止壳程 （或管程）漏出的流体混进管程 （或壳程）。

沈阳鼓风机集团压力容器有限公司与山东华鲁恒升化工股份有限公司签订空分机组项目及氮压机项目时，用户坚持采用双管板结构，其目的是要确保生产的连续进行和操作人员的人身安全。该公司以前在双管板换热器方面还是空白，这次以该项目为契机，设计开发出了双管板冷却器。

该双管板冷却器由管束、管箱和壳体等组成，换热管为U形管，管程介质为热流体，壳程介质为冷流体。

2 冷却器的有关计算和结构设计

2.1 热力计算和强度计算

双管板换热器的热力计算与一般的管壳式换热器并没有太大的区别，其与普通的U形管式换热器相比，只是在计算换热管的有效长度时应扣除两管板之间的换热管长度。

强度计算时，壳体、管箱的计算基本等同于一般的U形管式换热器。相对而言，管板部分是比较有特点的，应分别根据两管板各自所接触的介质和所受的压力、温度来确定管板厚度、管板材料和热片直径等。

以该双管板设计计算为例，壳侧管板两侧所受的压力一边为壳侧压力，另一边为大气压力；而管侧管板两侧一边为管侧压力，另一边为大气压力。该项目管侧压力远高于壳侧压力，其设计压力分别为 5.0 MPa和 0.6 MPa。

根据上述设计压力计算，壳程管板较薄，厚度为50 mm，而管程管板相对较厚，厚度为100 mm。

2.2 结构设计

结构设计是此次设计的难点和重点，尤其是确定两管板间一个合适的距离更是 “难中之难”。其原因如下所述。

（1）为了便于穿管，两块管板在制造时通常是重叠在一起钻孔的。但在钻孔过程中，不可避免地会存在偏斜，因而双管板相同位置的孔存在一定的错位。当管束装配后，这种错位就会在管束上引起一定的弯曲应力和剪切应力。

（2）由于两管板各自接触的流体温度不同，每块管板具有不同的壁温。不同的热膨胀也会使相同位置的孔产生错位，当两管板壁温差较大时，在管束上会引起可观的弯曲应力和剪切应力。这些弯曲应力和剪切应力将影响管子的强度，也影响管子和管板连接处的强度和密封性能。如果壁温变化是周期性的，则管束会产生疲劳破坏。管板间距则用来保证管板存在错位的情况下管束不致被破坏。对于相同数值的错位来说，板间距越大，弯曲应力和剪切应力就越小。但板间距太大会造成换热管与管板间的焊接 （或胀接）困难，同时还会导致结构不紧凑。因此在满足上述诸多限制的条件下，确定了一个比较合理的板间距。

此外，换热器其他部位的结构设计也需要充分予以考虑。为了保证两管板间的管束不至于裸露在空气中，在两管板间用连接板环 （即短筒节）进行连接。在短筒节最上端、最下端靠近管程管板处分别开有半圆孔，另半圆孔开在管程管板上，分别连接两接管，最上端的为泄漏气口，最下端的为泄漏液口，以方便及时发现管程或壳程的泄漏。对于该换热器的材料选用，壳程管板采用了碳钢管板（16MnR），管程管板采用了碳钢与不锈钢的复合管板 （16MnII+0Cr18Ni9），而换热管材料为0Cr18Ni9，这样既降低了成本，也可以保证管程焊接的可靠性和管板的抗腐蚀性能。

壳体的设计采用两壳程结构，为冷却水下进上出。在壳体最下端、两鞍式支座间设有排液口，以便在停车或检修清洁时使用；在壳体最上端、靠近筒体中心处设有排气口，以方便排除冷却水中的气泡；在壳体最上端设有两个爆破片接口，以便在发生气体泄漏时能够及时发现。壳体的材料为碳钢。

管箱的设计采用两管程结构，为热流体上进下出，中间使用分程隔板将管箱一分为二。这样设计可以使冷、热流体近似于逆流，从而获得较好的换热效果。

所设计的双管板冷却器结构如图1所示。

图1 双管板冷却器

3 结论

双管板换热器的设计开发，主要的难点是管束及其与管板连接部位的结构设计，尤其是确定两管板间的合适的距离。在两管板间采用连接板环 （短筒节）进行连接，可以保证两管板间的这部分管束不至于裸露在空气中，同时若有泄漏发生，也能保证管内介质和壳程介质不接触，使换热器处于一个安全的运行状态。双管板换热器结构使不能发生直接接触的介质相互换热成为可能，这在工艺流程上就可以解决很多实际的问题。