管殼式換熱器的分類及工藝設(shè)計(jì)應(yīng)用概述

王韌韌，王悅

（天津市化工設(shè)計(jì)院，天津 300193）

1 管殼式換熱器的主要結(jié)構(gòu)型式及使用條件

1.1 管殼式換熱器的分類

常見的管殼式換熱器（以下簡稱換熱器）主要有：(1)固定管板式換熱器；(2)浮頭式換熱器；(3)U形管式換熱器；(4)釜式重沸器；(5)填料函式換熱器。

以下分別介紹五種換熱器的特點(diǎn)。

1.2 固定管板式換熱器的主要特點(diǎn)

該換熱器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、沒有殼程密封的問題，而且往往是管板兼做法蘭。

其適用于：(1)管、殼程溫差較大，壓力不高的工況；(2)管、殼程溫差不大，壓力較高的工況；(3)殼程介質(zhì)干凈；或雖會結(jié)垢，但通過化學(xué)清洗能去除的工況；(4)布管多，鍛件少，一次性投資低的工況。

最大的缺點(diǎn)是：換熱管與殼體間的金屬壁溫差會引起溫差應(yīng)力。

1.3 浮頭式換熱器的主要特點(diǎn)

適用于：(1)殼程易結(jié)焦及堵塞的工況；(2)大溫差的工況。

對于浮頭式換熱器，其固定端的一塊管板大多是以螺栓、墊片夾持在殼程和管箱法蘭之間。計(jì)算模型是把管板的布管區(qū)視為彈性基礎(chǔ)上受管孔均勻削弱的圓平板，管板外周不布管部分視為環(huán)板，承受均布載荷。

此類換熱器也有缺點(diǎn)，如：浮頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響排管數(shù)；處于殼程介質(zhì)內(nèi)的浮頭密封面操作中發(fā)生泄漏時(shí)很難采取措施；試壓胎具復(fù)雜等。

1.4 U形管式換熱器的主要特點(diǎn)

在換熱器中是唯一適用于高溫、高壓和高溫差的換熱器。

特點(diǎn)是：(1)可用于高溫差；(2)結(jié)構(gòu)簡單且泄漏點(diǎn)少；(3)可以進(jìn)行抽芯清洗；(4)比固定管板換熱器排管略少。

缺點(diǎn)是：管程流速太高時(shí)，將會對U形彎管段產(chǎn)生嚴(yán)重的沖蝕，（尤其是半徑小的管子）影響壽命；換熱管泄漏時(shí)，除外圈U形管外，其余不能更換，只能堵管。

1.5 釜式重沸器的主要特點(diǎn)

釜式重沸器的管程采用U形或浮頭管束，殼程為單（或雙）斜錐具有蒸發(fā)空間的殼體，一般為管程介質(zhì)加熱殼程介質(zhì)，故管程的溫度和壓力比殼程高，適用于：(1)管、殼程溫差大的工況；(2)一般管程壓力比殼程高，可采用T翅或表面多空強(qiáng)化傳熱管；(3)塔底空間較小的工況；(4)氣化率較高的工況（30%～80%）；(5)重沸工藝介質(zhì)的液相作為產(chǎn)品或分離要求高的工況；(6)用作蒸氣發(fā)生器，對蒸氣品質(zhì)要求不高，安裝空間受限制。

1.6 填料函式換熱器的主要特點(diǎn)

填料函式換熱器是另一種浮頭式換熱器，它的浮動端采用填料密封浮動管板（裙）可在填料函內(nèi)填料的壓力下，自由滑動，以補(bǔ)償換熱管與殼體的膨脹差量。

這類結(jié)構(gòu)直徑不能太大，壓力一般不高于2.5MPa，且不能用于貴重介質(zhì)及危害介質(zhì)，當(dāng)介質(zhì)危害不是太大時(shí)，也可以采用雙填料函密封加以彌補(bǔ)，之所以目前還有使用是因其解決溫差應(yīng)力的成本較低。

2 管殼式換熱器的設(shè)計(jì)

在初步選定換熱器形式后，確定換熱器的幾何參數(shù)至關(guān)重要。

由傳熱量公式：Q=KA△t

（Q為傳熱量；K為傳熱系數(shù)；A為傳熱面積；△t為平均溫差）可知：增加K、A和△t值，均可提高Q值。其中最主要的是提高K值。

性質(zhì)決定結(jié)構(gòu)。有了這一目標(biāo)，就使我們在設(shè)計(jì)過程中將重點(diǎn)放在合理提高傳熱系數(shù)，來改善換熱器的傳熱效果。

2.1 管殼式換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算中的主要設(shè)計(jì)軟件

國內(nèi)使用的換熱器計(jì)算軟件主要是HTFS(Heat transfer and Fluid Flow Service)和HTRI(Heat Transfer Research，Inc.)，也可以應(yīng)用 ASPEN PLUS 對換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)、核算和模擬。我們計(jì)算使用的軟件主要是ASPEN PLUS以及HTRI，以下對這兩款計(jì)算軟件的特點(diǎn)做一下簡單介紹。

2.1.1 HTRI

HTRI是美國熱傳遞研究公司推出換熱器計(jì)算程序，有設(shè)計(jì)、校核、模擬三種計(jì)算模式，可以進(jìn)行管殼式換熱器、板式換熱器、套管式換熱器、加熱爐、空冷器、螺旋板式換熱器等不同形式換熱的計(jì)算。

HTRI程序中殼體形式為TEMA標(biāo)準(zhǔn)的E、F、G、H、J12、J21、X 和 K 型，換熱管有光管、低翅片管、縱向翅片管和維蘭德“GEWA—KS”管等多種形式，管程數(shù)為1～16，折流板形式單弓形、雙弓形、窗口不布管形、拉桿形、螺旋板形、雙螺旋板形等多種形式。

2.1.2 ASPEN PLUS

ASPEN PLUS是ASPEN工程軟件包的一部分，該軟件包是一套用于工藝過程設(shè)計(jì)、模擬及分析的綜 合 工 具 ， 它 由 ASPEN HETRAN、ASPEN AEROTRAN和ASPEN TEAMS三個(gè)程序組成的集成軟件。

ASPEN PLUS程序是用來設(shè)計(jì)在成本和性能方面最有效的換熱器。程序提供詳細(xì)的投資成本估算，包括材料及建筑成本。換熱器部件的設(shè)計(jì)與國際設(shè)計(jì)代碼是一致的，設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果和圖形可以直接給制造者用來換熱器的制造。

2.2 換熱器幾何尺寸的確定

首先使用ASPEN PLUS模擬工藝物料的物性數(shù)據(jù)輸入換熱器形式、流體走向、流體溫度、壓力、流量及流股等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)性計(jì)算，初步計(jì)算出換熱器的熱負(fù)荷，冷熱流股的物性數(shù)據(jù)，生成冷熱流曲線，為下一步確定換熱器的直徑、換熱管的長度、換熱管標(biāo)準(zhǔn)管徑和管間距、換熱管排列方式、物料污垢系數(shù)等詳細(xì)尺寸提供合理的數(shù)據(jù)。

其次將生成的冷熱曲線導(dǎo)入HTRI進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，運(yùn)算得出比較合適的換熱器直徑和換熱管長，再進(jìn)行授核型和模擬型計(jì)算，檢驗(yàn)所選換熱器是否滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 需分析的計(jì)算結(jié)果

因傳熱過程與流體流動、物質(zhì)傳遞、流體流動性質(zhì)等密切相關(guān)，計(jì)算軟件的數(shù)據(jù)存有誤差，加之介質(zhì)的污垢系數(shù)在選取時(shí)還有一定的偶然性等因素，故用軟件計(jì)算后，計(jì)算結(jié)果有可能與實(shí)際選取的換熱器有較大差別。即使工程上允許有一定的設(shè)計(jì)偏差，有時(shí)使用值比計(jì)算值甚至高出30%以上，但從節(jié)能減排方面看，要盡量符合實(shí)際，有余量但不能過高，這需要對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行以下幾個(gè)方面的詳細(xì)分析。

2.3.1 傳熱系數(shù)

分析導(dǎo)致熱阻的主要原因。a）管程或殼程在熱阻中起決定作用，應(yīng)采取措增強(qiáng)湍動效果以提高傳熱系數(shù)；b）污垢亦產(chǎn)生熱阻效應(yīng)，應(yīng)該采取有效除垢以提高傳熱系數(shù)。管壁熱阻因在總熱阻中對傳熱系數(shù)影響不大可忽略。

2.3.2 平均溫差

平均溫差是對數(shù)平均溫差，但當(dāng)多管程或多殼程時(shí)，需要修正平均溫差。

2.3.3 流體流速

一般流體流速都有合理的范圍，特別是對于甲類和乙類流體還要考慮安全流速是否合理，操作是否安全可靠。

2.3.4 流體壓降

流體壓降與流速有密切關(guān)聯(lián)，重點(diǎn)分析壓降是否合理，工藝要求是否滿足。

2.3.5 振動

振動對于操作的安全性十分重要，因此在設(shè)計(jì)中對振動也要進(jìn)行必要的量化分析。

對上述重要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算后，還要對換熱器的長徑比、介質(zhì)走向、防沖板的設(shè)置、折流板間距、換熱器清洗等工藝參數(shù)進(jìn)行必要的考量，待一切參數(shù)均能滿足工藝要求，換熱器的整體設(shè)計(jì)才算完成。

3 計(jì)算中出現(xiàn)問題的解決

將經(jīng)常出現(xiàn)的問題解決方法進(jìn)行簡單的闡述。

舉例：

換熱器名稱：烷烴類產(chǎn)品冷凝器；換熱器類型：管殼式換熱器；冷流：水；熱流：烷烴類產(chǎn)品；要求：熱流壓降要控制在3kPa以下，冷流的溫差為6℃。

將冷熱流的反應(yīng)溫度壓力等操作條件及物流組成輸入ASPEN PLUS后，將輸出的數(shù)據(jù)及冷熱流曲線導(dǎo)入HTRI，對于有腐蝕性、有毒性及容易結(jié)垢的介質(zhì)一般走管程，所以首先確定水走殼程，烷烴類產(chǎn)品走管程。

ASPEN PLUS計(jì)算出換熱器的熱負(fù)荷為232kW，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初步確定該換熱器的TEMA type為BEM型，殼體內(nèi)徑為500mm，管長為3m，管程所選管子從經(jīng)濟(jì)合理的角度看，一般選φ19×2，管間距為25mm。布管的角度一般為30°，單管程。

由于該換熱器為冷凝器，會有相變出現(xiàn)，所以折流板應(yīng)選豎缺型折流板。折流板間距應(yīng)為所選殼體直徑的30%～60%，故應(yīng)在150～300mm之間選取。

基本數(shù)據(jù)輸入完畢，就可以讓軟件進(jìn)行計(jì)算了。因?yàn)榇伺_換熱器需要嚴(yán)格控制壓降，所以壓降和流速成為重點(diǎn)考核的因素。

報(bào)告中如出現(xiàn)：

1）Data Check Message中提示說曲線中某些數(shù)據(jù)有錯(cuò)誤，系統(tǒng)已經(jīng)忽略了錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。這就說明從ASPEN PLUS數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入的原始數(shù)據(jù)與HTRI數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)有所差別，如果想避免這樣的問題，可以從HTRI數(shù)據(jù)庫中查出該物質(zhì)的相關(guān)物性數(shù)據(jù)，直接進(jìn)行計(jì)算。

2）Runtime Messages中如提示管程壓降過大，可通過減小管程流速來降低壓力降。因?yàn)榱魉俑邉t傳熱系數(shù)也高，同時(shí)壓力降也增加。所以增大殼體直徑，減小管長，增大進(jìn)出口管徑，從而減小管程的壓力降。由于本換熱器的壓降值非常小，所以以上調(diào)整方法可能還不能達(dá)到工藝要求，還可以增加管子的直徑，改用φ25×2.5，管間距為32mm，甚至可以兩臺換熱器并聯(lián)，在既滿足換熱面積的同時(shí)也滿足了壓力降的要求。

3）Runtime Messages中如提示殼程流速過大，則可通過適當(dāng)減小折流板的板間距，減小殼體直徑等。

最終將問題全部解決之后，可得以下結(jié)論：換熱器的TEMA type為BEM，殼體內(nèi)徑為350mm，管長為2.5m，管程所選管子為φ25×2.5，管間距為32mm，布管的角度一般為30°，單管程；折流板應(yīng)選豎缺型折流板，折流板間距為200mm。我們可以將軟件中的 Heat exchanger rating data sheet以及 Dawings中的 Tube layout，exchanger dawing和 setting plan 直接導(dǎo)出用于換熱器的生產(chǎn)制造。