换热器的设计与选型

管壳式换热器的设计

摘要：本文从管径、管程数和折流板等换热器的结构和流体参数方面介绍了管壳式换热器的设计。

关键词：管壳式换热器设计

Design of Shell & Tube Heat Exchanger

Abstract：This article introduces design of tube and shell heat exchanger from the aspects of structure such as the pipe diameter, the number of passes and baffle of heat exchanger and fluid parameters

Key words：shell& tube; heat exchanger;design

前言

能源是当前人类面临的重要问题之一,能源开发及转换利用已成为各国的重要课题,而换热器是能源利用过程中必不可少的设备,几乎一切工业领域都要使用。近几年由于新技术发展和新能源开发利用,各种类型的换热器越来越受到工业界的重视,而换热器又是节能措施中较为关键的设备,因此,无论是从工业的发展,还是从能源的有效利用,换热器的合理设计和选型都具有非常重要的意义[1]。

管壳式换热器一般有三种结构型式: 固定管板式、浮头式和U 形管式。由于换热器的使用场合、使用目的、换热介质物性等因素的不同, 决定了管壳式换热器的结构型式。

管壳式换热器设计参数有：（1）热负荷及流量大小；（2）流体的性质；（3）温度、压力及允许压降的范围；（4）对清洗、维修的要求；（5）设备结构、材料、尺寸及重量；（6）价格、使用安全性和寿命。对换热器进行设计时主要考虑以上六个方面。

1.管壳式换热器结构的设计

1.1换热器管形的设计

管子外形有光管、螺纹管。相同条件下, 采用螺纹管管束比光管管束能增加换热面积2 倍左右。同时, 由于螺纹管的螺纹结构能有效破坏流体边界层, 有效提高了换热器的传热能力。当壳程介质易结垢时, 由于外螺纹管束沿轴向的胀缩作用使换热管外壁的硬垢脱落, 具有良好的自洁作用, 能够有效防止管束外壁的结垢, 减小换热器壳程热阻, 提高换热器的传热能力。

1.2换热器管径的设计

由于小直径换热管具有单位体积传热面积大, 换热器结构紧凑, 金属耗量少, 传热系数高的特点, 在换热器结构设计中, 对于管程介质清洁、不易结垢的介质, 采用小管径管束能有效增加换热面积。相同条件下, 采用Φ19mm 管束比采用Φ25mm 管束能提高传热面积30%～40% , 节约金属20% 以上。

1.3换热管排列方式的设计

管子的排列方式有等边三角形、正方形和同心圆排列等, 对于壳程介质不易结垢或可用化学方法清洗污垢的介质, 采用三角形排列可使换热器的外径减小15%，对于需要机械清洗的管束, 管子排列应采用正方形；对于小于300mm 的换热器, 为使管束排列紧凑, 可采用同心圆排列[2]。

1.4管壳程分程设计及程数选择

当换热器的换热面积较大而管子又不能很长时, 为提高流体在管内的流速, 需将管束分程。但程数过多, 导致管程流动阻力和动力能耗增大, 同时使平均传热温差下降, 设计时应权衡考虑。管壳式换热器系列标准中管程数有1、2、4、6四种。

当温差校正系数小于0.8时, 应采用多壳程。壳方多程可通过安装与管束平行的隔板来实

现。但由于壳程隔板在制造、安装和检修方面都很困难, 故一般不宜采用。常用的方法是将几个换热器串联使用, 以代替壳方多程[3]。

1.5折流板的结构设计

折流板的结构设计包括型式的确定, 形状的设计, 缺口高度设计和折流板间距设计。换热器壳程折流板可分为横向折流板和纵向折流板, 由于壳程加装纵向折流板在制造工艺上较困难, 而且造成壳程压降增加, 因此一般采用壳程加装横向折流板。壳程加装横向折流板后, 壳程换热介质雷诺数Re0≥100 时, 壳程介质即达湍流, 能有效提高换热器的传热能力, 横向折流板常采用弓形和盘- 环形, 弓形折流板加工、制造和组装较方便, 使用最普遍, 盘- 环形折流板主要用于小型换热器中。在换热器结构设计中, 合理设计折流板间距是保证壳程换热介质的压力降满足设计要求的关键[4, 5]。

2.管壳式换热器内流体参数的选择

2.1管壳程流体路径的确定

在换热器中哪一种流体走管内，哪一种流体走管外，这个问题受多方面因素的限制，一些选择的原则如下。

（1）不清洁和易结垢的流体宜走管程，以便清洗。

（2）流量小的流体和粘度大的液体宜走管程，因管程易做成多程结构，可以得到较大的流速，提高给热系数。

（3）腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀。

（4）压力高的流体宜走管程，这样可减小对壳程的机械强度要求。

（5）饱和蒸汽宜走壳程，因为流速对饱和蒸汽的冷凝给热系数几乎无影响，饱和蒸汽的冷凝表面又不需要清洗，在壳程流动易于及时排除冷凝水。

（6）被冷却的流体宜走壳程，这样可利用外壳向环境散热，增强冷却效果。

（7）有毒性的介质走管程，因为管程泄露的几率小。

2.2流体流速的选择

根据经验，流体的流速范围如下。

2.3流体允许压力降的选择

对于无相变的换热, 流速越高, 换热强度越大, 则所选换热器的面积越小, 制作费用越低, 并且有利于抑制污垢的生成, 但流速过高, 可引起压力降增大, 动力消耗增加, 对传热管的冲蚀加剧。因此, 在换热器的设计中要将压力降控制到允许范围之内。

当壳程的热阻是控制侧时, 可通过增加折流板数或缩小壳径的办法, 来增加壳侧流体流速, 减少传热热阻。但是减少折流板间距是有限制的,一般不能小于壳径的1/5或50mm。当管程的热阻是控制侧时, 则可依靠增加管程数来增加流体流速。管程数有1、2、4、6管程等, 对压力降的影响较大, 设计时必须注意满足允许压力降的要求[6]。

2.4换热器两端冷热流体温差的取值

换热器两端冷、热流体的温差大，可使换热器的传热面积小，节省设备投资。但要使冷、热流体温差大，冷却剂出口温度就要低，导致冷却剂的用量大，增大了操作费用。所以，当换