管殼式換熱器的估算設(shè)計(jì)探討

（140606 安徽豐原集團(tuán)有限公司 安徽 蚌埠）

【摘要】管殼式換熱器廣泛地應(yīng)用在工農(nóng)業(yè)各個(gè)領(lǐng)域，通過對換熱器傳熱計(jì)算的分析，說明換熱器的結(jié)構(gòu)因素對換熱器性能的影響和提高與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供借鑒和參考，同時(shí)在換熱器設(shè)備中，因管殼式換熱器具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性高、適應(yīng)性大、材料范圍廣等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】管殼式換熱器 傳熱面積 熱負(fù)荷 總傳熱系數(shù) 平均溫差

Abstract：Tube and shell heat exchanger is widely used in industrial and agricultural fields， through the analysis of heat exchanger heat transfer calculation， shows the structure of the heat exchanger factors affect the performance of heat exchanger and improve with reference and reference for the structural design， at the same time in heat exchanger equipment， because of the tube and shell heat exchanger with solid structure， high reliability and adaptability， the advantages of wide material is widely used.

Key words：Tubular heat exchanger；heat transfer area； heat load；total heat transfer coefficient；mean temperature difference

在各種結(jié)構(gòu)形式的換熱器中，管殼式換熱器無疑是加工工業(yè)中最常用的基本的換熱器結(jié)構(gòu)形式。它可以提供相當(dāng)大的傳熱面積對體積和重量之比。這種換熱器的換熱面積，在形式上很容器做成很寬的尺寸范圍，并且機(jī)械強(qiáng)度足以經(jīng)受住正常的工廠制造過程所受的力，承受住運(yùn)輸和現(xiàn)場安裝以及正常運(yùn)行條件下所遇到的外部和內(nèi)部應(yīng)力。目前，我國針對其標(biāo)準(zhǔn)化、科學(xué)化、規(guī)模化的生產(chǎn)已制定了國家標(biāo)準(zhǔn)GB151-1999《管殼式換熱器》。

換熱器的設(shè)計(jì)過程主要有傳熱計(jì)算和流體阻力計(jì)算兩個(gè)方面，在設(shè)計(jì)新的換熱器時(shí)結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇尤為重要，因?yàn)樗怯?jì)算的基準(zhǔn)。由于換熱器的設(shè)計(jì)方法比較繁瑣，很多只能使用計(jì)算機(jī)計(jì)算，不便于手工計(jì)算。本文就針對管殼式換熱器手工計(jì)算作相關(guān)探討，使其在缺乏相應(yīng)的計(jì)算軟件時(shí)，可以使用這些方法。

一、換熱器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

第一個(gè)準(zhǔn)則是換熱器應(yīng)完全滿足設(shè)計(jì)過程的要求；在允許的壓降內(nèi)完成流體的熱交換，而且在污垢存在的情況下，仍然保持這種換熱能力，至到下一個(gè)規(guī)定的檢修期。但是由于某些原因制成的換熱器只能限于某個(gè)尺寸，而實(shí)際運(yùn)行條件和過程特性逐日變化。即在任何情況下污垢形成的特性都隨時(shí)間變化。因此說滿足過程要求，最多也只是從統(tǒng)計(jì)學(xué)的幾率意義而言。所以設(shè)計(jì)者通過合理的保險(xiǎn)設(shè)計(jì)，并利用設(shè)備運(yùn)行的靈活性，以及在設(shè)備部件留有余量的方法，以保證設(shè)計(jì)本身適當(dāng)?shù)某晒茁省?/p>

第二個(gè)準(zhǔn)則是換熱器必須經(jīng)得起工廠環(huán)境的使用條件。這里主要考慮的是機(jī)械應(yīng)力，而且不僅在正常運(yùn)行情況下，還要考慮在運(yùn)輸、檢修以及由于設(shè)備失常和可能的事故造成的非設(shè)計(jì)條件下的運(yùn)行情況。還存在由于管路系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和不穩(wěn)態(tài)流動(dòng)和流體流動(dòng)的溫 度變化，造成加給換熱器的外部應(yīng)力。

第三、在滿足上述準(zhǔn)則的情況下，換熱器的造價(jià)應(yīng)當(dāng)盡可能的低。

二、換熱器的設(shè)計(jì)估算流程

1.基本設(shè)計(jì)方程

A0 = QT/U0FΔTLM = QT/U0ΔTM

式中：A0—換熱器所需的總傳熱面積（msup2;），按管外徑計(jì)算；

QT—換熱器的熱負(fù)荷（W或J/S）；

U0—總傳熱系數(shù)[W/（msup2;.K）]；

F-結(jié)構(gòu)修正因子；

ΔTLM-對逆流流動(dòng)計(jì)算的對數(shù)平均溫差（K）；

2.熱負(fù)荷的確定

熱負(fù)荷通常由下式計(jì)算：

QT = Mh（hh，in- hh，out）= Mc（hc，out- hc，in）（1）

式中：Mh、Mc 分別為熱流體和冷流體的質(zhì)量流率；

hh，in、 hh，out、hc，out、 hc，in分別為熱流體和冷流體進(jìn)、出口處的比焓（J/Kg）；

如果兩種流體傳熱時(shí)沒有相變發(fā)生，那么方程（1）可以轉(zhuǎn)化成:QT = Mh Cph（Th，in- Th，out）= McCpc（Tc，out- Tc，in）（2）

式中：Cph、Cpc為比熱容[J/（Kg.K）]

Th，in、 Th，out為熱流體入口和出口溫度（K）

Tc，in、 Tc，out為冷流體入口和出口溫度（K）

如果某一流體是等溫相變的情況（如凝結(jié)），則QT = MΔh（3）

式中M為單位時(shí)間發(fā)生相變的流體質(zhì)量（kg/s）；Δh為相變潛熱（J/Kg）。

三、平均溫差的估算

在很多情況下，對數(shù)平均溫差可以由十分接近的算術(shù)平均溫差（AMTD）來代替即：ΔTAM=frac12;[（Th，in- Th，out）+（Tc，out- Tc，in）]（4）

對于在各種換熱器流動(dòng)形式的F值，常?？梢缘玫竭m當(dāng)?shù)墓烙?jì)值而不用去查圖：

1.對于單管程、純逆流的換熱器，F(xiàn)=0；

2.對單管程而有任意偶數(shù)的管程（即1~2n程換熱器）的情況下，F(xiàn)值就可以估計(jì)為 0.9，最大可能值為1.0，最小推薦值為0.8；

如果（逆流）端頭溫差之比接近于1，F(xiàn)值就越大；如何出口處的流體溫度接近，F(xiàn) 值就較小。

四、U0的估算

在換熱器初步設(shè)計(jì)中，最難的一步就是總傳熱系數(shù)，對于總傳熱系數(shù)來說，較好的方法就是由兩側(cè)的α值和壁面及污垢熱阻來求得；即U0=1/[(1/α0)+RF0+(ΔXm/λm)( A0/Am)+( RFt+1/αr) ( A0/Ai) ( 1/Ef)]（5）

式中ΔXm為壁厚；

Am為有效平均壁面?zhèn)鳠崦娣e，用內(nèi)、外半徑ri和r0計(jì)算的算術(shù)平均值作近似值來求得，即Am=ΠL(ri+r0)（6）

Ef所用的擴(kuò)展表面的效率，對于大多數(shù)工業(yè)過程應(yīng)用來說，該值將在0.75~0.95之間。

α傳熱膜系數(shù)值可以通過查表所得；

五、A0的計(jì)算

以上知道了QT、U0和ΔTM，那么總外側(cè)傳熱面積A0就可以計(jì)算出。

六、給定殼徑和長度的傳熱面積

由下圖1-15可知?dú)す苁綋Q熱器的傳熱面積與殼內(nèi)徑及有效管長的關(guān)系。圖中縱坐標(biāo)為A0單位為msup2;，橫坐標(biāo)為有效管長（對直管束是管板到管板的距離；對于U形管束是從管板到管切線間的直線長度）單位為m。標(biāo)著數(shù)的實(shí)黑線是常用的殼內(nèi)徑，以m為單位。

對單管程固定管板的換熱器，管外徑為19mm，三角形排列節(jié)距為23.6mm，用標(biāo)準(zhǔn)管計(jì)算表，就可算出配某一尺寸殼體的總的管外側(cè)傳熱面積。因此求得了傳熱面積A0，由圖1就可以查出給定管徑和排列的換熱器，在單殼情況下的管長和殼徑的一組數(shù)據(jù)。也用于其它管徑、排列方式、管程數(shù)及管束類型的情況。圖1-15中標(biāo)著參數(shù)（有3：1，6：1等標(biāo)記）虛線，表示給定的有效管長與殼徑之比。

圖中比殼徑的3倍還短的殼體，流動(dòng)分布較差，并且造成過分的進(jìn)、出口流動(dòng)壓力損失，而且造價(jià)也比面積相同殼體較長而直徑較小的要高，特別是殼測流體是高壓的情況就更甚。比殼徑的15倍還長的殼體，機(jī)械加工比較難，需要大的空間不能使管束移開和裝進(jìn)，并且減少回程對造價(jià)的影響比較明顯。很多換熱器的殼體都在6：1到8：1的范圍，隨著預(yù)計(jì)壓降方法的改進(jìn)，有向更高的數(shù)值發(fā)展的明顯趨勢。

七、結(jié)論

1.對于大多數(shù)換熱器的設(shè)計(jì)方法，作為熱量q和溫差ΔT之間的比例常數(shù)即膜傳熱系數(shù)是個(gè)最基本的概念。必須認(rèn)識到傳熱系數(shù)不是一個(gè)基本量，而僅僅是為了使設(shè)計(jì)計(jì)算的方程便于表示。

2.換熱器的熱工計(jì)算是換熱器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，只有不斷調(diào)整相關(guān)參數(shù)，反復(fù)計(jì)算，才能其性能更高，設(shè)計(jì)更加合理。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB151-1999 管殼式換熱器；

[2]吳德榮．化工工藝設(shè)計(jì)手冊．第4版，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.6；

[3]董大勤，袁鳳隱．壓力容器設(shè)計(jì)手冊，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.7；

[4]朱聘冠．換熱器原理及計(jì)算[M]，北京：清華大學(xué)出版社，1987.