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摘 要：双管束换热器是针对特殊行业要求出气温度过低的要求，结合我公司的技术基础设计开发的、填补我公司产品空白的一种新型换热器，随着双管束换热器的设计开发成功，有效的提升我公司在换热器产品市场的竞争力，也为用户节约成本和占地空间。
关键词：双管束 结构设计 深冷水
中图分类号：TQ051.5 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）011-046-02
1 设计开发的出发点
由于医药等特殊行业需要把空气冷却到25℃或更低的温度，这就需要把高温的气体冷却下来，总所周知需要冷却的温度越低，需要的冷却水的温度就要越低，而这种深冷水的价格很高，无形中就增添了用户的运行成本，也造成了水资源的浪费，为了节约用水和降低运营成本，一般都用一个气体冷却器采用常温的循环水把高温气体降到40℃左右，然后再加个气体冷却器采用深冷水把气温再降到低温状态，这就达到了节约运营成本的目的。但这样也会是整个机组的流程更加复杂，也多加了个设备和多占用了很大的空间，并且也加大了设备的采购成本。介于这种原因，我们就研发了这种双管束换热器，把2个气体冷却器的融合到一起，用一个气体冷却器把高温气体降到低，并且尽量的少用深冷水。
我公司与山东鲁抗医药股份有限公司签订空分机组项目时，用户提出这个能否把2个气体冷却器融合到一起的问题，而我方以前没有这种换热器，用户只好采用了2个冷却器才达到了工艺要求的温度。经过此事为了满足用户的需求和市场的需要，我们经过认真的研究和探讨研发出这种双管束冷却器从而填补我公司在此项目上的空白。
我这次设计开发的双管束冷却器为：由换热管为复合翅片管的管束、壳体与管箱等组成，管程介质为冷流体、壳程介质为热流体。
2 设计的步骤
我厂曾经为医药公司设计过水煤气压缩机组，我以此机组的参数作为设计依据，设计一种新型的双管束冷却分离器组合设备。
压缩机组的参数：质量流量为75000 Nm3/h，机组进口气体压力为0.1 MPaA，机组进口气体温度为39℃，机组出口（即冷却器进口）压力为0.42MPaA，机组出口（冷却器进口）温度为127℃，冷却器允许压力损失为0.006 MPaA，介质为空气，湿度90%，分子量为28.95。
2.1 热力计算
传热采用成熟的计算软件DGK和HTRI，该软件能够计算多种形式的冷却器。做此冷却器计算时需要把传热计算分成了2个部分，先计算把高温气体127℃冷却到一个适当的温度40℃，然后在计算用深冷水把冷却后气体40℃冷到更低温的温度25℃，以这种方式节约了运行成本和设备的投入成本。
经过传热计算确定方案，同时确定了换热管的规格、数量、壳体的直径、水程布置、以及换热面积和压力损失等参数（见表1、表2），从而为设计提供了依据。
2.2 强度计算
强度计算时，壳体、管箱的计算基本同于一般的复合管式换热器是一样的，相对而言，在计算水箱时，要按循环水和深冷水中水压最大的进行计算和设计。如果循环水和深冷水的水压相差太大，还应该考虑下增大水箱中隔板的厚度。筒体、封头等主要受压件，利用SW6强度软件计算。
2.3 结构设计
结构设计是此次设计的重点，尤其是管箱、管束、分离器的设计，见图1、图2、图3。
（1）此冷却器的结构特点（见图3）：介质气体在换热管的外部走壳程，管程是冷却水。换热管采用双金属复合管。分离装置采用丝网式，安装在壳体的出气侧；管束采用长方形框架结构，管束的上下侧板间布置有多个支撑架，使管束紧凑并形成一体，在下侧板上含有滑轮方便管束与壳体的装配；冷却器设有前、后2个水箱，前水箱上设有2个进水口和2个出水口，并采用下进水上出水的形式，前后水箱都有隔板使水箱形成多个水程；气冷壳体内部设有隔板，密封条安装在隔板上达到封闭的效果和防止短路，这样的气体就都全部通过管束，达到设计的冷却效果。
设计时难点是管板的管孔分布，在设计管板的时候还要考虑到水箱的隔板位置（见图1），前管箱设有3个隔板，后水箱设有2个隔板，所以要考虑管板的管孔布置，布置一定要合理，这样才能使水箱有空间放置隔板、2个进出水口和2个出水口。
（2）介质流动方式。气体从进气管进入壳体首先通过上隔板折流改变气流的方向，使气体从管束的侧边横通过管束。首先气体先经过流有循环水的管束使介质气体的温度降低到一定的程度，然后温度降低的介质气体再经过流有深冷水的管束使气体达到流程所需的温度。当气体被冷却时，介质气体中的水蒸汽达到饱和状态，有冷凝水夹带在介质气体中，凝结水随着介质气体通过管束后碰到除沫网分离出来流到壳体底部，通过输水阀冷凝水再由排出壳体，介质气体通过分离后的成为干燥气体进入工艺流程。
（3）分离装置。
1）采用丝网式除沫器，丝网除沫器的液泛气速（即丝网除沫器操作中的极限气速）按下式计算：
式中：、-液滴和进口气体的密度，kg/m3
K-气体过滤网常数（网型SP时，K=0.201；网型HP时，K=0.233；网型DP时，K=0.198；网型HR时，K=0.222）
丝网除沫器的操作气速ug=0.5～0.8uf，m/s
2）处理气体所流通的直径D1按下式计算：
式中：Q-气体的处理流量 m3；ug-操作气速 m/s；D-处理气体所需的流通直径 m。
3）通过流通直径D就能算出面积 ，由于气冷壳体内的除沫网是矩形的就可以确定除沫网的长和宽。
3 经济性分析
（1）但单独使用深冷水冷却高温气体时，需要430t/h深冷水（18℃-26℃）这样的运行成本太高了，用户的长期效益就会收到很大的影响。
（2）如果用两台设备实现把高温气体冷到低温，设备的采购成本也要增加很多，两台的设备的价钱要比一台设备高的很多，并且一台设备的使用空间也比2台设备要小。
所以，此新型的换热器会在制药等需要低温气体的行业有很高的竞争力。
参考文献：
[1] GB151-1999 管壳式换热器[S].北京：中国标准出版社，1999.
[2] GB150-2011 压力容器[S].北京：中国标准出版社，2011.
[3] 陈虹微，王荣杰.基于模型的离心压缩机电机振动应用研究[J].徐州工程学院学报：自然科学版，2012，27（4）：69-73.
[4] 张志军.具有增强通风功能的自然采光装置研究[J].徐州工程学院学报：自然科学版，2012，28（1）：38-40.
关键词：双管束 结构设计 深冷水
中图分类号：TQ051.5 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）011-046-02
1 设计开发的出发点
由于医药等特殊行业需要把空气冷却到25℃或更低的温度，这就需要把高温的气体冷却下来，总所周知需要冷却的温度越低，需要的冷却水的温度就要越低，而这种深冷水的价格很高，无形中就增添了用户的运行成本，也造成了水资源的浪费，为了节约用水和降低运营成本，一般都用一个气体冷却器采用常温的循环水把高温气体降到40℃左右，然后再加个气体冷却器采用深冷水把气温再降到低温状态，这就达到了节约运营成本的目的。但这样也会是整个机组的流程更加复杂，也多加了个设备和多占用了很大的空间，并且也加大了设备的采购成本。介于这种原因，我们就研发了这种双管束换热器，把2个气体冷却器的融合到一起，用一个气体冷却器把高温气体降到低，并且尽量的少用深冷水。
我公司与山东鲁抗医药股份有限公司签订空分机组项目时，用户提出这个能否把2个气体冷却器融合到一起的问题，而我方以前没有这种换热器，用户只好采用了2个冷却器才达到了工艺要求的温度。经过此事为了满足用户的需求和市场的需要，我们经过认真的研究和探讨研发出这种双管束冷却器从而填补我公司在此项目上的空白。
我这次设计开发的双管束冷却器为：由换热管为复合翅片管的管束、壳体与管箱等组成，管程介质为冷流体、壳程介质为热流体。
2 设计的步骤
我厂曾经为医药公司设计过水煤气压缩机组，我以此机组的参数作为设计依据，设计一种新型的双管束冷却分离器组合设备。
压缩机组的参数：质量流量为75000 Nm3/h，机组进口气体压力为0.1 MPaA，机组进口气体温度为39℃，机组出口（即冷却器进口）压力为0.42MPaA，机组出口（冷却器进口）温度为127℃，冷却器允许压力损失为0.006 MPaA，介质为空气，湿度90%，分子量为28.95。
2.1 热力计算
传热采用成熟的计算软件DGK和HTRI，该软件能够计算多种形式的冷却器。做此冷却器计算时需要把传热计算分成了2个部分，先计算把高温气体127℃冷却到一个适当的温度40℃，然后在计算用深冷水把冷却后气体40℃冷到更低温的温度25℃，以这种方式节约了运行成本和设备的投入成本。
经过传热计算确定方案，同时确定了换热管的规格、数量、壳体的直径、水程布置、以及换热面积和压力损失等参数（见表1、表2），从而为设计提供了依据。
2.2 强度计算
强度计算时，壳体、管箱的计算基本同于一般的复合管式换热器是一样的，相对而言，在计算水箱时，要按循环水和深冷水中水压最大的进行计算和设计。如果循环水和深冷水的水压相差太大，还应该考虑下增大水箱中隔板的厚度。筒体、封头等主要受压件，利用SW6强度软件计算。
2.3 结构设计
结构设计是此次设计的重点，尤其是管箱、管束、分离器的设计，见图1、图2、图3。
（1）此冷却器的结构特点（见图3）：介质气体在换热管的外部走壳程，管程是冷却水。换热管采用双金属复合管。分离装置采用丝网式，安装在壳体的出气侧；管束采用长方形框架结构，管束的上下侧板间布置有多个支撑架，使管束紧凑并形成一体，在下侧板上含有滑轮方便管束与壳体的装配；冷却器设有前、后2个水箱，前水箱上设有2个进水口和2个出水口，并采用下进水上出水的形式，前后水箱都有隔板使水箱形成多个水程；气冷壳体内部设有隔板，密封条安装在隔板上达到封闭的效果和防止短路，这样的气体就都全部通过管束，达到设计的冷却效果。
设计时难点是管板的管孔分布，在设计管板的时候还要考虑到水箱的隔板位置（见图1），前管箱设有3个隔板，后水箱设有2个隔板，所以要考虑管板的管孔布置，布置一定要合理，这样才能使水箱有空间放置隔板、2个进出水口和2个出水口。
（2）介质流动方式。气体从进气管进入壳体首先通过上隔板折流改变气流的方向，使气体从管束的侧边横通过管束。首先气体先经过流有循环水的管束使介质气体的温度降低到一定的程度，然后温度降低的介质气体再经过流有深冷水的管束使气体达到流程所需的温度。当气体被冷却时，介质气体中的水蒸汽达到饱和状态，有冷凝水夹带在介质气体中，凝结水随着介质气体通过管束后碰到除沫网分离出来流到壳体底部，通过输水阀冷凝水再由排出壳体，介质气体通过分离后的成为干燥气体进入工艺流程。
（3）分离装置。
1）采用丝网式除沫器，丝网除沫器的液泛气速（即丝网除沫器操作中的极限气速）按下式计算：
式中：、-液滴和进口气体的密度，kg/m3
K-气体过滤网常数（网型SP时，K=0.201；网型HP时，K=0.233；网型DP时，K=0.198；网型HR时，K=0.222）
丝网除沫器的操作气速ug=0.5～0.8uf，m/s
2）处理气体所流通的直径D1按下式计算：
式中：Q-气体的处理流量 m3；ug-操作气速 m/s；D-处理气体所需的流通直径 m。
3）通过流通直径D就能算出面积 ，由于气冷壳体内的除沫网是矩形的就可以确定除沫网的长和宽。
3 经济性分析
（1）但单独使用深冷水冷却高温气体时，需要430t/h深冷水（18℃-26℃）这样的运行成本太高了，用户的长期效益就会收到很大的影响。
（2）如果用两台设备实现把高温气体冷到低温，设备的采购成本也要增加很多，两台的设备的价钱要比一台设备高的很多，并且一台设备的使用空间也比2台设备要小。
所以，此新型的换热器会在制药等需要低温气体的行业有很高的竞争力。
参考文献：
[1] GB151-1999 管壳式换热器[S].北京：中国标准出版社，1999.
[2] GB150-2011 压力容器[S].北京：中国标准出版社，2011.
[3] 陈虹微，王荣杰.基于模型的离心压缩机电机振动应用研究[J].徐州工程学院学报：自然科学版，2012，27（4）：69-73.
[4] 张志军.具有增强通风功能的自然采光装置研究[J].徐州工程学院学报：自然科学版，2012，28（1）：38-40.