换热器流体结构动力学及异型压力容器

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第176页（2689字）

管壳式换热器既是流体设备和传热设备，又是压力容器，它既有流体流动和热交换热量传递问题，又有应力强度和介质腐蚀以及热应力、热膨胀变形和位移等问题，流体在壳程管束中横向流动时还会出现各种机理的流体诱导振动。

因此，研究范围包括传热管及管束各阶振动固有频率，管束振动偶联和振动响应特性，以及振动磨损、振动疲劳破坏等是集结构、材料、流体介质及温度和压力等于一体的边缘综合课题，(简称“换热器结构动力学”)，它有些类似新兴的边缘学科“流体结构动力学”。管壳式换热器的管板，是一种特殊的压力容器部件一当量平板；用以使流体进出入换热器壳程均匀分布和减少进出口压降，并起一定的热膨胀位移补偿作用的外导流简，则是由“圆柱壳体－过渡圆环壳体－短锥壳”等组成的具开孔接管的压力容器，而且又是具有热位移性能的半波膨胀节，其受力复杂。

这两个部件，前者已分别列入国外机械工程ASME和管壳式换热器TEMA标准，且亦都列入中国管壳式换热器标准，但都还没有完全成熟或是缺乏具体依据。炼油和石油化工行业中常用的列入ASME、TEMA和中国管壳式换热器标准中的K型壳程结构，亦广泛应用于卡特尔(Kettle)再沸器中，它是非轴对称的变径锥形壳体与轴对称圆柱体等相联的非常规壳体。

又诸如具定距柱或鼓泡的螺旋板换热器，具鼓泡的米勒板(Miller)板式或夹套式换热器，高温高压石油化工废热锅炉中的椭圆集流管等壳体，它们都是换热器异形或异型压力容器或其部件。

本课题在研究各种一般的非圆截面压力容器的应力强度理论、设计和规范化的基础上，还重点结合换热器和特别是管壳式换热器的上述异型壳体的应力强度、变形和位移性能、结构参数、热应力以及传热管的振动响应特性和振动疲劳等。所述异型压力容器系包括非圆截面异形压力容器和诸如布管的或受力非轴对称的圆形管板(例如局部不布管NTIW管板，具管程分程隔板的多管程管板，以及具大中心孔蒸发器管板和集“发生”、“冷凝”、“蒸发”、“吸收”于一体的布管复杂的溴化锂制冷装置管板等)，外导流筒组合短容器亦归入此类。这类异型(或异形)压力容器及设备部件有些已列入规范，有些在理论和应用设计技术上还是空白，更多的还没有规范化。

1984年，钱颂文、岑汉钊、吴振强等对双管程弓形区不布管的NTIW换热器管板进行冷模应力强度分析和试验，建立了三维有限元模型和计算机程序，得到该管板应力和变形的结果，开创了这一研究的先例。这一工程分析已发表(1989年)，并得到国际上承认，为国际四大检索SCI所收录。尔后，他们又对此管板进行热模试验和有限元分析，并考虑到双管程所引起的不同管程因管子管板温度和热膨胀不同而产生的管板上不同管程的附加轴向力，所得结果与美国A．I．Soler的《Mechanical Design of Heat Exchangers and Pressure Vessel Components》(1984)的管板传热和热应力分析实例相一致。与此同时，中国黄允昌等进行了中央开大孔的蒸发器管板的研究，亦采用了三维有限元模型。

南京化工学院的学者对变载荷的现场换热器高压管板进行了载荷谱分析和可靠性研究。这些工作还仅仅是开始，还有大量工作有待于探索。

换热器外导流简是换热器上发展的新结构，它的压降小，使壳程流体分布均匀，又有位移热膨胀补偿能力，也可减少壳程E旁流和增加管板布管，特别适用于当今发展热点折流杆和孔板式纵向流换热器。80年代初，兰州石油机械研究所首先研究和发表了外导流筒的文章，他们采用了悬臂梁的近似分析法。1985年，江楠和钱颂文进一步应用壳体理论对外导流筒进行研究，论文在韩国召开的国际ASME、KSME和原子能规范会议上发表。尔后，经过对此不断地进行研究，建立了有限元计算模型，探索其结构参数的最佳化；另外，在不少换热器设计中，特别是炼油折流杆和化肥折流杆、水煤气变换换热器上，经过数百台的应用实践，得到了良好的效果。

此外，张镜新等对阀门等异形容器出版了专集。洪锡纲自1986年，接受了中国压力容器设计标准委员会的任务，承担非圆形截面压力容器的应力分析研究和建立设计规范，该项研究已于1989年列入中国规范GB150－89钢制压力容器附录D中，填补了中国规范的这一空白。另外，洪锡纲等于1985年和1990年对啤酒米勒板换热器作了理论分析与应力测试，提出在引进生产线上开发应用。浙江大学等对鼓泡夹套等也取得了专利。

林榕端对螺旋板换热器弧形板壳作了系统的研究，取得了很大成绩。黎延新以及南京化工学院和化工部化工设备中心站等对换热器膨胀节作了长期深入的研究，并在生产中获得应用，还成立了中国膨胀节协会。

综上所述，异形压力容器，特别是换热器非轴对称受力异型压力容器部件这一领域的研究，在国内外还十分薄弱，今后研究的热点将是：(1)对换热器外导流筒应进行结构和结构参数的优化研究以及建立大量设计图线和简化设计公式；建立软件包，将其规范化，并列入换热器规范，以方便设计应用。(2)对各种异型管板，特别是工业中已应用到的重要换热设备上的异型管板，尚需大力进行研究，建立软件包。诸如局部不布管的高效换热器异型管板，溴化锂异型管板的温度场及温差应力，多管程管板温度场和温差应力等。

(3)对量大面广使用寿命极短的制冷氨冷凝器的管板应力、应力腐蚀、管板泄漏和开裂、使用寿命等应深入研究，以分析其破坏原因，力学机理，并提出解决措施。

。【参考文献】：

1 全国压力容器标准化技术委员会．GB150－89钢制压力容器，1989

2 吴振强，岑汉钊，钱颂文．化工机械，1989

3 钱颂文编着．管壳式换热器结构动力学．广州：华南理工大学出版社，1990

4 洪锡钢，廖景娱．第3届全国压力容器学术会议论文集，1992，4

5 Jiang N Qian S W，Proceeding of International Symposium on PVT and nuclearcodes，Standard KSME，ASME

(华南理工大学钱颂文教授、洪锡纲副教授撰)