管殼式換熱器的工藝設(shè)計(jì)方法

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(1．天津工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300280；2．海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

換熱器又稱熱交換器，在現(xiàn)代石油化工企業(yè)中，換熱器的投資占全部投資的30%～40%。管殼式換熱器具有單位體積內(nèi)能夠提供較大的換熱面積、換熱效果好、適應(yīng)性強(qiáng)、操作彈性大、易制造、成本低、易于檢修和清洗等優(yōu)點(diǎn)，因此常被用作原油加熱器、燃料氣預(yù)熱器、海水冷卻器、天然氣壓縮冷卻器、空氣冷卻器等廣泛應(yīng)用在石油化工領(lǐng)域。

一、管殼式換熱器的類型

根據(jù)管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，常將其分為固定管板式、浮頭式、U形管式、填料函式、滑動(dòng)管板式、雙管板式、薄管板式等類型。在石油化工企業(yè)應(yīng)用較廣的是前三種類型，下面簡(jiǎn)要介紹一下這三種類型管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及適用條件。

1.固定管板式換熱器

固定管板式換熱器的管束連接在管板上，管板與殼體焊接。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、能承受較高的壓力，造價(jià)低，管程清洗方便，管子損壞時(shí)易于堵管或更換；缺點(diǎn)是當(dāng)管束與殼體的壁溫或材料的線脹系數(shù)相差較大時(shí)，殼體和管束中將產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。這種換熱器適用于殼側(cè)介質(zhì)清潔且不易結(jié)垢、并能進(jìn)行清洗、管程與殼程兩側(cè)溫差不大或溫差較大但殼側(cè)壓力不高的場(chǎng)合。為減少熱應(yīng)力，通常在固定管板式換熱器中設(shè)置柔性元件(如膨脹節(jié)、撓性管板等)，來(lái)吸收熱膨脹差。

2.浮頭式換熱器

浮頭式換熱器的兩端管板中只有一端與殼體固定，另一端可相對(duì)殼體自由移動(dòng)，稱為浮頭。浮頭由浮頭管板、鉤圈和浮頭端蓋組成，是可拆連接，管束可從殼體內(nèi)抽出。管束與殼體的熱變形互不約束，因而不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。浮頭式換熱器的特點(diǎn)是管間和管內(nèi)清洗方便，不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力；但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)比固定管板式換熱器高，設(shè)備笨重，材料消耗量大，且浮頭端小蓋在操作中無(wú)法檢查，制造時(shí)對(duì)密封要求較高。適用于殼體和管束之間壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢的場(chǎng)合。

3.U形管式換熱器

U形管式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，只有一塊管板，管束由多根U形管組成，管的兩端固定在同一塊管板上，管子可以自由伸縮。當(dāng)殼體與U形換熱器有溫差時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。由于受彎管曲率半徑的限制，其換熱管布管較少，管束最內(nèi)層管間距較大，管板的利用率較低，殼程流體易形成短路，對(duì)傳熱不利。當(dāng)管子泄露損壞時(shí)，只有管束外圍處的U形管才便于更換，內(nèi)層換熱管壞了不能更換，只能堵死，而且壞一根U形管相當(dāng)于壞兩根管，報(bào)廢率較高。U形管式換熱器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、承壓能力強(qiáng)，適用于管、殼壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢需要清洗、又不適宜采用浮頭式和固定管板式的場(chǎng)合。特別適用于管內(nèi)走清潔而不易結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕性大的物料。

二、設(shè)計(jì)方案的確定

1.資料收集

管殼式換熱器工藝設(shè)計(jì)計(jì)算前需要收集的資料和基本參數(shù)有：換熱器的功率或熱負(fù)荷(冷或熱流體的流量)、設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、允許壓力降和冷熱流體的進(jìn)出口溫度、組分及其物理參數(shù)，換熱器允許尺寸(成橇尺寸)等。

2.確定換熱器的結(jié)構(gòu)形式

在基本資料收集完畢之后，就需要根據(jù)冷熱流體的溫差、壓力、腐蝕和結(jié)垢等性質(zhì)選擇合適的換熱器型式。每種換熱器都有其適合的場(chǎng)合，本文前面介紹了固定管板式、浮頭式和U形管式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和適用條件，可作為確定換熱器結(jié)構(gòu)型式的參考。

3.確定合適的流體流動(dòng)通道

要使換熱器正常而有效地工作，就必須慎重地確定流體的流動(dòng)空間，即確定哪種流體走管程，哪種流體走殼程。正確合適地選擇流動(dòng)空間，對(duì)于提高換熱器的效率，降低成本有很重要的意義。在管殼式換熱器流體流動(dòng)通道選擇中可根據(jù)以下原則：

(1)不潔凈和易結(jié)垢的液體宜在管程，因管內(nèi)清洗方便(除U形管)；

(2)腐蝕性流體宜走管程，以免管束和殼體同時(shí)受到腐蝕；

(3)壓力高的流體宜在管程，以免殼體承受壓力；

(4)飽和蒸汽宜走殼程，因飽和蒸汽比較清潔，一般給熱系數(shù)與流速無(wú)關(guān)，而且冷凝液容易排出；

(5)被冷卻的流體宜走殼程，便于散熱；

(6)若兩流體溫差較大，對(duì)于剛性結(jié)構(gòu)的換熱器，宜將給熱系數(shù)大的流體通入殼程，以減少熱應(yīng)力；

(7)流量小而粘度大的流體一般以殼程為宜，因在殼程Re>100即可達(dá)到湍流，如流動(dòng)阻力損失允許，將這種流體通入管內(nèi)并采用多管程結(jié)構(gòu)，反而能得到更高的給熱系數(shù)。

在實(shí)際工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中，上述要求往往不能同時(shí)滿足，此時(shí)，應(yīng)結(jié)合設(shè)計(jì)任務(wù)考慮其中的主要問(wèn)題，優(yōu)先滿足其中較為重要的要求。

4.確定流體的污垢熱阻

一般情況下，流體污垢熱阻系數(shù)對(duì)換熱器傳熱系數(shù)有較大影響，因此污垢系數(shù)選取也直接影響到換熱器的設(shè)計(jì)。為了保證換熱器在操作周期內(nèi)具有充足的換熱面積以保持良好性能，設(shè)計(jì)時(shí)必須計(jì)入與預(yù)期的操作和維護(hù)條件相適應(yīng)的污垢熱阻。污垢熱阻的選取可參考GB151-1999《管殼式換熱器》附錄F7。

5.確定壓力降

影響壓力降大小的因素很多，其中流體流速關(guān)系較大。增加流體流速，可增大傳熱系數(shù)，使換熱器結(jié)構(gòu)緊湊，但增加流速將增大換熱器的壓力降，并使磨蝕和振動(dòng)破壞加劇，還會(huì)造成動(dòng)力消耗增加。因此，在換熱器的設(shè)計(jì)中要將壓力降控制在允許范圍之內(nèi)。

三、工藝設(shè)計(jì)計(jì)算

在收集完相關(guān)資料，并初步確定換熱器的設(shè)計(jì)方案之后，就要對(duì)換熱器進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)計(jì)算以確定換熱器的一些幾何參數(shù)。

1.工藝設(shè)計(jì)方法的類別

目前，管殼式換熱器的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算方法有以下幾種：

(1)Colburn-Donohue法。管殼式換熱器殼程的傳熱和流動(dòng)過(guò)程比較復(fù)雜，1933年Colburn首先提出了以理想管排數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的殼程傳熱膜系數(shù)計(jì)算關(guān)聯(lián)式。1940年，Donohue第一個(gè)提出了完整的管殼式換熱器綜合設(shè)計(jì)方法。它的傳熱計(jì)算式是對(duì)Colburn關(guān)聯(lián)式的修正，因此，稱為Colburn-Donohue法。

(2)Kern法。Kern法是在Colburn-Donohue法基礎(chǔ)上進(jìn)行的一些改進(jìn)，它的主要特點(diǎn)是將設(shè)計(jì)作為一個(gè)整體來(lái)處理，即除傳熱外，同時(shí)還考慮殼程-管程流動(dòng)、溫度分布、污垢及結(jié)構(gòu)等問(wèn)題。是目前管殼式換熱器設(shè)計(jì)的重要參考方法之一。

(3)Bell-Delaware法。此方法的特點(diǎn)是利用大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，引入了各流路的校正系數(shù)，是一種精確度較高的半理論方法。該法考慮了傳熱、流動(dòng)與結(jié)構(gòu)綜合效應(yīng)，但是其傳熱關(guān)聯(lián)式中的系數(shù)與指數(shù)因由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸而得，故適用范圍受到限制。

(4)流路分析法。為了克服Bell-Delaware法的局限性，美國(guó)傳熱研究公司(Heat Transfer Research，Inc.，簡(jiǎn)寫HTRI)利用Tinker的流動(dòng)模型和Delaware大學(xué)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并引用自己的研究成果，提出了具有獨(dú)創(chuàng)性的流路分析法。

(5)軟件包設(shè)計(jì)法。建立換熱器工藝設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)，以代替繁瑣的手工設(shè)計(jì)；將工程最優(yōu)化理論引入設(shè)計(jì)程序，建立換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)包。如美國(guó)HTRI和英國(guó)HTFS(Heat Transfer and Fluid Flow Service，簡(jiǎn)稱HTFS)等公司推出的設(shè)計(jì)軟件包。

(6)CAD和CFD設(shè)計(jì)法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)法(CAD)和基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)和數(shù)值傳熱學(xué)的設(shè)計(jì)方法，將是21世紀(jì)管殼式換熱器的兩種主要設(shè)計(jì)方法。

2.工藝設(shè)計(jì)計(jì)算步驟

目前管殼式換熱器的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算基本都采用專業(yè)的計(jì)算機(jī)軟件。將工藝流體的基本信息和相關(guān)參數(shù)輸入到軟件中之后，就可以進(jìn)行計(jì)算了。計(jì)算完成后，通常情況下軟件會(huì)按費(fèi)用最低等原則自動(dòng)選擇一組工藝計(jì)算方案。為了優(yōu)化換熱器的工藝設(shè)計(jì)方案，還要不斷調(diào)整換熱器結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)，從而得到最優(yōu)的工藝計(jì)算方案。通過(guò)換熱器的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算，可以確定換熱器的結(jié)構(gòu)形式，管殼程數(shù)，筒體內(nèi)直徑，換熱管長(zhǎng)度、規(guī)格、間距、排列形式和根數(shù)，折流板缺口弓高、間距和塊數(shù)等參數(shù)。

四、工藝計(jì)算結(jié)果的分析與選擇

軟件計(jì)算后的工藝計(jì)算結(jié)果一般會(huì)有很多組，作為設(shè)計(jì)人員我們應(yīng)該站在設(shè)備技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)角度，依據(jù)工程實(shí)際，使換熱器的壽命周期費(fèi)用盡可能最低。以使最終的換熱器達(dá)到重量最輕、效率最高、振幅或噪聲最小、成本最低、耗能最小、動(dòng)負(fù)荷最小為目標(biāo)，對(duì)工藝設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析和選擇。以下是工藝計(jì)算結(jié)果分析和選擇時(shí)應(yīng)考慮的一些因素：

1.換熱器直徑

關(guān)于換熱器的直徑，目前國(guó)內(nèi)已有的標(biāo)準(zhǔn)系列(mm)：150，200，250，300，(350)，400，(450)，500，(550)，600，(650)，700，800，900，1000，(1100)，1200，(1300)，1400，(1500)，1600，(1700)，1800，(1900)，2000，2200，(2300)，2400，2600，2800，3000，3200，3400，3600，3800，4000。凡是()記號(hào)的換熱器直徑，盡可能不選。若換熱器直徑小于400，可以選用無(wú)縫鋼管制造換熱器?？蛇x用的無(wú)縫鋼管外徑規(guī)格有：159，219，273，325，(377)。

2.換熱管長(zhǎng)度

在換熱器設(shè)計(jì)中基本采用下列管長(zhǎng)(mm)1500，2000，2500，3000，4500，5000，6000，7500，9000，12000，最常用的管長(zhǎng)為1500，2000，3000，6000四種。一般鋼管長(zhǎng)6m或12m，選取的換熱管長(zhǎng)度符合其模數(shù)就沒(méi)有余量，比較節(jié)約材料。同時(shí)選用換熱管長(zhǎng)度時(shí)要注意與換熱器直徑相匹配，換熱器的換熱管長(zhǎng)度與公稱直徑比在4～25之間，常用的為6～10，立式換熱器多為4～6。

3.管殼程程數(shù)

(1)管程：當(dāng)換熱器的換熱面積較大而管子又不能很長(zhǎng)時(shí)，為提高流體在管內(nèi)的流速，需將管束分程。但程數(shù)過(guò)多，導(dǎo)致管程流動(dòng)阻力和動(dòng)力能耗增大，同時(shí)使平均傳熱溫差下降，工藝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)權(quán)衡考慮。

(2)殼程：換熱器殼程程數(shù)的選擇，應(yīng)從兩個(gè)方面考慮，首先，對(duì)于換熱管很長(zhǎng)的換熱器，如果為了減少占地面積，可以采用雙殼程結(jié)構(gòu)。但是雙殼程在制造、安裝和檢修方面都很困難，故一般不宜采用。常用的方法是將幾個(gè)換熱器串聯(lián)起來(lái)使用。

4.總傳熱系數(shù)

在換熱器熱負(fù)荷和有效對(duì)數(shù)溫差一定的情況下，換熱器面積和總傳熱系數(shù)成反比，顯然總傳熱系數(shù)對(duì)換熱器的換熱面積影響很大。因此在對(duì)軟件工藝計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析選擇時(shí)，我們應(yīng)該將軟件計(jì)算出的總傳熱系數(shù)與一些換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)中給出的經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比。應(yīng)盡量保證計(jì)算值與經(jīng)驗(yàn)值的相對(duì)誤差較小，一般不宜超過(guò)±25%。

5.流體流速

流體的流速是換熱器設(shè)計(jì)的重要變量。采用較高的流速有兩個(gè)好處：一是提高總傳熱系數(shù)，從而減小傳熱面積；二是減少在管子表面生成污垢的可能性。但是也相應(yīng)的增加了阻力和動(dòng)力消耗，所以需要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較才能最后確定適宜的流速。此外在選擇流速時(shí)，還必須考慮結(jié)構(gòu)上的要求。為了避免設(shè)備的嚴(yán)重磨損，所計(jì)算出的流速不應(yīng)超過(guò)最大允許的經(jīng)驗(yàn)流速。工藝設(shè)計(jì)方案選擇應(yīng)時(shí)應(yīng)著重考慮。

6.管束振動(dòng)

振動(dòng)對(duì)于操作的安全性十分重要，因此對(duì)振動(dòng)的分析也必不可少。大多數(shù)換熱器工藝計(jì)算軟件都帶有管束振動(dòng)分析模塊，如存在振動(dòng)則需調(diào)整換熱器的某些幾何參數(shù)甚至改變其結(jié)構(gòu)形式。管束振動(dòng)的相關(guān)問(wèn)題可參考GB151-1999《管殼式換熱器》附錄E。

7.設(shè)計(jì)余量

影響換熱器工藝計(jì)算結(jié)果的因素很多，雖然工程上允許有一定的設(shè)計(jì)偏差，但為了保證換熱器的使用效果，一般都需要換熱器的工藝計(jì)算結(jié)果有10%～20%的設(shè)計(jì)余量。因此，在換熱器工藝設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果分析選擇時(shí)，設(shè)計(jì)余量也是需要重點(diǎn)考慮的。

8.其他

換熱管規(guī)格、排列方式，管、殼程進(jìn)、出口設(shè)計(jì)，折流板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等問(wèn)題也要在工藝設(shè)計(jì)方案的選擇中加以考慮。通過(guò)上述對(duì)管殼式換熱器工藝計(jì)算結(jié)果的分析和選擇，最后采用的工藝方案應(yīng)滿足以下條件：

(1)滿足工藝條件要求；

(2)便于能量回收，以提高過(guò)程能量利用效率，節(jié)省能源；

(3)便于制造、安裝、操作和維修；

(4)安全可靠性高；

(5)經(jīng)濟(jì)合理。

五、提高管殼式換熱器傳熱能力的措施

管殼式換熱器的傳熱系數(shù)是由殼程換熱系數(shù)、管程換熱系數(shù)和換熱器冷、熱介質(zhì)的對(duì)數(shù)平均溫差決定的[9]，因此，提高管殼式換熱器傳熱能力的措施包括以下幾點(diǎn)：

1.提高管殼式換熱器冷、熱介質(zhì)的平均對(duì)數(shù)溫差

冷、熱介質(zhì)平均對(duì)數(shù)溫差除直接受冷、熱介質(zhì)進(jìn)出口溫度影響外，還受到冷、熱介質(zhì)的流動(dòng)方向和換熱流程的影響。當(dāng)管殼式換熱器冷、熱流體的溫度沿傳熱面變化時(shí)，兩種流體逆流平均溫差最大，順流平均溫差最小。在實(shí)際換熱器設(shè)計(jì)中，冷、熱流體多采用交錯(cuò)流方式，其平均對(duì)數(shù)溫度介于逆流和順流之間。因此，在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量增加換熱器冷、熱流體的逆流比例，提高冷、熱流體的對(duì)數(shù)平均溫差，從而提高管殼式換熱器的傳熱能力。

2.合理確定流體流動(dòng)通道

在管殼式換熱器的設(shè)計(jì)中，對(duì)于殼程安裝折流板的換熱器來(lái)說(shuō)，殼程Re>100時(shí)流體就能達(dá)到湍流。因此，對(duì)于流量小或粘度大的流體優(yōu)先考慮讓其走殼程；對(duì)于剛性結(jié)構(gòu)的換熱器，若冷、熱流體溫差大，因壁面溫度與換熱系數(shù)大的流體溫度接近，為減小管束與殼體的膨脹差，換熱系數(shù)大的流體走殼程更加合理，而冷、熱介質(zhì)溫差小，兩流體換熱系數(shù)相差大，換熱系數(shù)大的流體走管程更加合理。

3.采用強(qiáng)化傳熱措施

在管殼式換熱器設(shè)計(jì)中，通常采用強(qiáng)化傳熱措施來(lái)提高換熱器的傳熱能力。強(qiáng)化傳熱常用的措施有：采用高效能傳熱面、靜電場(chǎng)強(qiáng)化傳熱、粗糙壁面和攪拌等。

4.合理調(diào)整換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)

管殼式換熱器中換熱管的設(shè)計(jì)，管、殼程分程設(shè)計(jì)，折流板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，也影響著換熱器的傳熱能力。換熱器的結(jié)構(gòu)越合理，換熱器的傳熱能力越強(qiáng)，因此在管殼式換熱器工藝計(jì)算過(guò)程中應(yīng)反復(fù)調(diào)整相關(guān)參數(shù)，從而提高其傳熱能力。

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