浮头式换热器的结构改进

于鸿洲 张守伟

（山东旭洋机械集团股份有限公司，临沂 276023）

浮头式换热器的结构改进

于鸿洲 张守伟

（山东旭洋机械集团股份有限公司，临沂 276023）

本文分析浮头式换热器的结构，通过分析流体在浮头式换热器中的流动过程，探讨结构局部过热问题的产生原因，并提出结构的改进方案。经过分析，得到了利用旁路连接浮头端和壳程的结构改进方法，从而有效解决了浮头式换热器的局部过热问题。

浮头式换热器 结构 改进

引言

在现实生活中，使用浮头式换热器容易出现局部过热现象，这与其内部存在结垢和堵塞等故障有着直接关系。而在化工生产中使用该种设备，则容易出现浮头端局部过热和结焦问题。分析导致设备故障的原因可以发现，该种换热器结构相对复杂，容易导致内部结构故障，继而导致局部因流体滞留而出现过热问题。

1 浮头式换热器结构分析

图1为换热器机构。从结构组成上来看，浮头式换热器可以被划分成管束、壳程进口、折流板、浮头端管箱和壳程出口等几部分。其中，管束结构可以抽出，所以换热器具有清洗方便和适应性较强的特点。而浮头端结构是较为复杂的结构，由浮头盖、圆筒、浮头管板、外头盖侧法兰、外头盖及丝孔、钩圈、钢圈等组成[1]。

图1 换热器结构

2 基于浮头式换热器的结构改进分析

2.1 改进思路

在壳程中流体流动的过程中，浮头式换热器的能量交换满足质量守恒和动量守恒定律。根据实际工程中换热器的几何尺寸和计算工况，则可以分析换热器内部的流体流动情况。根据收集的数据可知，换热器长度为2500mm，壳体直径为600mm，折流板间距为500mm，管间距为44mm，浮头端法兰与管箱内壁的距离为10mm，换热管直径为25mm，折流板厚度为5mm。换热器共有64个换热管，采取的是正三角形排列方式，流体为水，密度和动力粘度分别为998.2kg/m³和0.001003MPa/s。而壳程的入口压力为1.45MPa，直径为150mm；壳程出口压力为1.35MPa，直径为150mm[2]。

2.2 流体流动过程分析

完成流体流动情况分析可以发现，流体在流经折流板缺口时，会受到折流板的作用。对壳程流体速度矢量分布情况进行分析，可以发现流体在折流板作用下会在壳程内反复扰流。流经法兰与浮头管箱内壁和勾圈的间隙后，流体会进入浮头端管箱，并且出现明显的速度变化。具体来讲，就是在入口的位置时，流体拥有较快的流速，而到了浮头端管箱后，流体速度会因为容积扩展而明显降低。这种条件下，浮头端管箱内将有低流速的区域形成。而随着流体流速的降低和压力的损失，流体会在管箱内出现滞留情况，继而形成局部温度升高的现象。

2.3 结构改进方法

流体滞留情况的存在，并不利于浮头式换热器进行热量的交换。所以，要通过改进换热器结构消除浮头端的流体滞留现象。为达成这一目标，可以采取两种结构改进方法。首先，可以使用旁路进行浮头端和壳程入口连接，同时设置流出旁路，如图2（a）所示。其次，可以利用旁路连接浮头端和壳程，并设置流出旁路，如图2（b）所示。

图2 两种结构方案示意图

为获得最佳的结构改进方法，需要对使用不同方法改进得到的浮头式换热器结构改进效果进行分析。在设置旁路时，需要在确保浮头式换热器结构尺寸不变的情况下，对换热器垂直对称面进行水平投影。在此基础上，则可以将投影当成是旁路抽线，并在管箱上进行开口设置。在管箱下方，可以进行流出旁路的设置。在上方的开口处，则可以利用旁路将浮头端和壳程连接起来。在下方开口处，可以利旁路量壳程入口与浮头端连接起来。然而，进行旁路加设容易导致换热器壳程流体流动受到影响，继而使流体的流量受到影响。为避免这一问题出现，还要根据壳程容积和浮头端管箱容积进行分析。根据二者的比值，可以将流入旁路内径设为50mm，流出旁路的内径则为40mm。

分析改进效果可以发现，经过改进的两种结构的流体滞留问题都得到了一定程度的改善，并且壳程流体的形态和速度基本没有变化。与此同时，流出旁路中的流体拥有较大的速度，所以可以认为流体在浮头端的流动已经变得顺畅。但是，使用旁路进行浮头端和壳程入口的连接，将导致壳程入口流量受到影响。所以，应选择利用旁路进行浮头端和壳程连接的方式进行换热器结构改进。

3 结论

总之，相较于管壳式换热器，浮头式换热器具有适应性强、便于清洗和选材范围广等优点。但是，由于结构结构相对复杂，该种换热器容易形成流体滞留浮头管箱的问题，限制了换热器的推广应用。而利用本文提出的方法进行换热器结构的改进，则能够避免换热器出现堵塞和结垢的问题，继而有利于换热器的推广应用。

[1]郭建章，杨茜，姜大鹏.浮头式换热器的结构改进及流场模拟分析[J].青岛大学学报：工程技术版，2014，（2）：116-120.

[2]张海峰，唐平.一种浮头式管板换热器的设计[J].科技信息，2011，（18）：362-363.

Improved Structure of Heat Exchangers

YU Hongzhou, ZHANG Shouwei
(Shandong Asahi machinery group, Limited by Share Ltd, Linyi 276023)

This paper analyses based on floating head for the structure of heat exchanger, through the analysis of the fluid in the floating head for the flow process in the heat exchanger and explore local overheating problem of structure causes, and put forward the improvement measures of the structure. After analysis, using bypass connection floating head and the shell structure improvement method, so as to effectively solve the floating head heat exchanger of local overheating problems.

floating head heat exchanger, structure, improvement