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文献综述

双管板换热器管板结构设计方法综述

0引言

双管板是管壳程之间的换热介质不允许相互渗漏的情况下，可靠而有效的结构形

式[1]，而其中管板是一个关键部件，它的好坏直接影响到了整个产品的质量及可靠性[2]。

由于双管板换热器管板结构的多样性，其管板厚度设计方法目前国内没有标准可依,国外TEMA标准也仅给出了3种设计计算模型[3]。本文在不同准则下，对U型管双管板换热器的管板设计厚度进行研究，探索一个较为合理的双管板换热器管板设计方法。

1双管板换热器简介及其应用

双管板换热器是在换热器一端设有一定间距的两块管板或相当于有一定间距的两块管板的换热器[4]。在实际操作中，双管板换热器一般用于以下两种场合[5~6]:一种是绝对防止管壳程间介质混串的场合，一般在内外管板之间空腔上加排液倒淋装置，供日常观察和内管板发生泄漏时排放，使得管壳程介质切实被内外两层管板隔离。另一种是管壳程间介质压差很大的场合，通常在内外管板之间的空腔中加入一种介质，以减小管壳程间介质的压差。

双管板换热器的结构一般有两种[6]:一种为固定管板式换热器,一台换热器共有四块管板,如图1所示(无聚液壳)；另一种为U型管式换热器,一台换热器共有两块管板,如图2所示(有聚液壳)。这种换热器有一半管束管内外介质的流动方向为并流,另一半管束管内外介质的流动方向为逆流。而U型管式换热器的管板比固定管板式换热器少,其泄漏点就相应减少，且若换热器的换热面积小、壳程与管程的温差较大或壳程介质很脏、管束表面需经常清理,一般采用U型管式换热器[7]。

图1固定管壳式双管板换热器结构示意

图2U型管双管板换热器结构示意

美国TEMA标准中给出了3种双管板结构，分别是整体式、筒节焊接式（聚液壳式）和分离式[8]，如图3。

图3TEMA标准中3种双管板结构

Fig.3ThreekindsofdoubletubesheetstructuresinTEMA

2国内外相关标准

目前，双管板换热器的管板厚度设计方法，国内没有标准可依[4]，通常采用近似方法将双管板换热器分解成两部分，然后根据每块管板两侧所接触的介质压力与温度按

GB1511999[9]相应模块来进行设计计算。美国TEMA标准[8]中给出了3种双管板结构，并且给出了管板强度计算的方法[10]。

3前人主要的研究成果

Gardner[11]和Miller[12]作为先驱者为换热器管板的理论研究奠定了基础，Gardner认为只有在靠近管板表面的一薄层金属中存在较大的温度梯度，因而只在板表面处存在显著的热应力（或称为表皮效应），而其余部分热应力可以忽略。但实际上，管板结构本身很复杂，由于管板结构的复杂性，在当时就一个具有成百上千根换热管的换热器而言，想要进行直接的三维有限元分析是不可能的事情。随着计算机技术的发展，有限元的分析研究在管板上的应用越来越广泛。

在我国，对于双管板换热器的各项研究起步相对较晚，1986年，徐鸿[13~15]将国外关于管板设计的新思路引进国内，之后关于它的研究才真正活跃起来。而双管板换热器是管壳式换热器中特殊的一种，且其应用也是在近期才得以广泛，所以对于它的研究相对较少。刘军[5]从结构、用途、制造等方面比较了双管板换热器和单管板换热器,得出结构上来看,双管板换热器采用固定管板式结构,管束不能抽出清洗。用途上单管板换热器虽然很常见，但在使用中经常会出现泄漏现象。,故双管板换热器作为比单管板换器更可靠的换热器结构形式,可以更好地推广应用的结论。胡锡文等[16]应用有限元分析技术，对管壳式换热器在压力和温度载荷共同作用下进行强度分析，并考虑温度载荷单独作用下对管板应力产生的影响。刘天丰[17]采用三维有限元分析方法对BEM型管壳式换热器进行强度分析,并提出采用减少管板厚度的方案，且在此基础上提出法兰与壳体连接处加筋板的设计方案,基于有限元分析方法对换热器结构的进行了改进设计。郑丽娜[18]应用参数化的有限元方法对制冷装置异型管板的温度场和热应力场分析，并比较了不同布管形式对管板强度的影响，提出了优化设计方案。

孙佑志[19]阐述了双管板与换热管之间的连接一般采用强度焊加强度胀,如果在强度胀接过程中,不能严格按胀接工艺规程控制胀接率,使管子产生过胀,则只能重新制造，故其以急冷塔深冷器为例,介绍了柔性深孔强度胀接技术是双管板换热器制造的可行性。马玲[20]发现双管板换热器的下管板与管子采用焊接后会使管子的中心距增加,从而使设备的直径加大、成本有所增加,但它易于检修。特别是间隙G不是较大的情况下、特殊工况下,胀焊并用效果更佳。杨标[21]等人对双管板换热器制造过程中,厚管板采用机械胀接和液压胀接两种方法进行了分析比较，发现两种胀接方法都能够获得合格的胀接接头，但与机械胀接相比，液压胀接具有工作效率高、胀接质量好和生产成本低等优点。南京工业大学的汤伟[22]运用ANSYS软件对双管板换热器的内管板进行液压胀接模拟,并采用优化设计方法,对胀接压力进行了优化,获得了最佳的液压胀接压力,并通过试验验证了模拟的合理性,为双管板换热器内管板胀接工艺提供参考。

目前，国内工程上针对U型管双管板换热器管板厚度的计算，一般采用将其分解为固定管板换热器和U型管换热器两部进行计算[23]。于顺民[24]根据每块管板两侧的介质压力与温度分别按GB151-1999标准相应模块进行设计计算；南京工业大学的郑丽娜[3]、杨玉强[3]等人针对某U型管及固定管壳式换热器双管板结构，根据SW6软件相应模块进行管板厚度近似计算，在此基础上采用ANSYS软件对管板结构进行热应力分析和优化设计,得出采用SW6软件近似计算安全但结果过于保守，有限元优化设计有效地降低了管板厚度，为双管板换热器管板设计提供了有效手段；关婷[25]利用solidworks软件建立了管板的三维图形，并对其进行应力应变及相关分析。为提高和完善管板的结构性能提供了理论依据和实际方法，对节约材料、降低成本有着至关重要的作用。陈楠[26]通过不同准则下双管板换热器管板厚度设计计算，应用有限元分析技术对多种载荷工况下的双管板结构进行应力分析及优化设计，在系列化有限元分析的基础上，进一步运用统计分析软件，建立适合工程应用的双管板换热器内、外管板计算公式，探寻较为合理的双管板换热器管板设计方法。为双管板换热器管板结构设计方法提供了依据。

4存在的问题及发展趋势

目前，换热器在工、农业的各个领域应用十分广泛，在日常生活中传热设备也随处可见[27]。随着社会技术的发展，设备的技术含量和集成化进一步提高，为保证设备的正常工作，要求与之相关联的换热器设备应具有高可靠性，有的还提出了绝对可靠的要求[28]。

但是双管板换热器的管板厚度设计方法，国内没有标准可依[4]，通常采用近似方法将双管板换热器分解成两部分。而美国TEMA标准[8]虽然给出了3种双管板结构的管板设计方法，但管板的厚度计算仍是参照常规管壳式换热器管板的设计方法，再对管板径向剪切应力、组合应力和轴向应力进行校核，此方法与上面的近似计算方法类似。上面两种方法的合理性和安全性值得商榷[26]。

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