大管孔導(dǎo)流板管殼式換熱器及其計(jì)算

劉炳福（湖南化工醫(yī)藥設(shè)計(jì)院，湖南長(zhǎng)沙 410007）

大管孔導(dǎo)流板管殼式換熱器及其計(jì)算

劉炳福
（湖南化工醫(yī)藥設(shè)計(jì)院，湖南長(zhǎng)沙 410007）

管殼式換熱器的折流板有圓缺形、碟環(huán)形等，使氣體折流橫過(guò)換熱管流動(dòng)，有其缺點(diǎn)。大管孔導(dǎo)流板是將這種板制作成一塊整版，板上的管孔開(kāi)大，叫大管孔導(dǎo)流板，即管孔直徑比換熱管直徑大10%以上，讓管隙流體全部導(dǎo)流從換熱管外壁與大管孔的環(huán)隙間流過(guò)，使流體更趨向于緊貼換熱管壁內(nèi)外逆流傳熱。實(shí)踐證明傳熱效果很好。還介紹了這種換熱器傳熱系數(shù)和壓力降的計(jì)算公式，很有實(shí)用價(jià)值。

大管孔導(dǎo)流板；換熱器；傳熱系數(shù)；壓力降

1　管殼式換熱器現(xiàn)狀

目前，流體換熱大多使用管殼式換熱器，在硫酸工業(yè)中是必不可少的并且需要計(jì)算的重要設(shè)備。管殼式換熱器中熱流體走管內(nèi)（或管隙），冷流體走管隙（或管內(nèi)），通過(guò)管壁進(jìn)行換熱。為了提高傳熱效率，傳統(tǒng)的換熱器在管隙設(shè)置折流板，使管隙的流體改變方向，橫過(guò)換熱管流動(dòng)，提高流速，增加傳熱系數(shù)。

典型的以貝爾式理論設(shè)計(jì)的管殼式換熱器折流板為圓缺形，缺口處不布置或少布置換熱管，以減少缺口處流體壓力降，從而可整體提高管隙流體流速，增加傳熱系數(shù)。

但在貝爾式計(jì)算公式中，有些問(wèn)題值得關(guān)注。

一是管隙給熱系數(shù)，計(jì)算公式為：

式中Fg為漏流系數(shù)，計(jì)算公式為：

其中Stb為管孔與管子之間的漏流，Ssb為換熱器管殼與折流板之間的漏流，F(xiàn)g均小于 1?？梢?jiàn)，管孔與管子之間的漏流，在折流板換熱器中是作為降低換熱系數(shù)來(lái)對(duì)待的，出發(fā)點(diǎn)基于管孔與管子之間的漏流減少了橫過(guò)換熱管流動(dòng)的流體流量。實(shí)際上，應(yīng)該使管孔與管子之間流體流動(dòng)時(shí)的換熱會(huì)更好。

另外，流體橫過(guò)換熱管流動(dòng)時(shí)，迎風(fēng)面換熱較好，但背風(fēng)面有氣體死角，因而影響換熱效果。

二是管隙壓力降，計(jì)算公式為：

其中，Δpb為兩塊折流板間垂直管束流動(dòng)的壓力降，其計(jì)算式為：

其中Nc即為兩塊折流板上的管排數(shù)，而且，壓力降基本與該管排數(shù)成正比。這就限制了這種換熱器的大型化，當(dāng)要求較大的換熱器時(shí)，必須加大管間距，加大外殼直徑，從而減少壓力降。為此，也有設(shè)計(jì)蝶環(huán)形折流板的，使流體減少流過(guò)兩塊折流板上的管排數(shù)，但中心筒也要占用不少空間，而不能減少外殼直徑。

為解決這些問(wèn)題，就有采用其它折流板的，如空心環(huán)管、多孔板等，有使流體順換熱管逆流換熱的趨向，但都不是增加流體通過(guò)管孔與換熱管環(huán)隙的流量，不能更趨向于使流體緊貼換熱管逆流換熱。

2　大管孔導(dǎo)流板換熱器

大管孔導(dǎo)流板換熱器就是將這種板制作成一塊整版，板上的管孔開(kāi)大，叫大管孔導(dǎo)流板，即管孔直徑比換熱管外徑大10%以上，讓管隙流體全部導(dǎo)流從換熱管外壁與大管孔的環(huán)隙間流過(guò)，使流體更趨向于緊貼換熱管壁的內(nèi)外而逆流傳熱。流體在流過(guò)環(huán)隙時(shí)，速度明顯加快，流過(guò)環(huán)隙后，速度重新放慢，流體始終圍繞在換熱管隙激烈湍流流動(dòng)，沒(méi)有死角，提高傳熱效率。當(dāng)壓力降相當(dāng)時(shí)，可減少換熱器面積，換熱器面積可比常規(guī)換熱器減少30%～40%，因而節(jié)省換熱器材料，減少投資；或換熱面積相當(dāng)時(shí)，可減小壓力降，壓力降可比常規(guī)換熱器減小約30%～40%，因而節(jié)省主風(fēng)機(jī)電耗。大管孔導(dǎo)流板換熱器明顯地克服了流體橫過(guò)換熱管流動(dòng)的一些缺點(diǎn)，沒(méi)有背風(fēng)面的氣體死角；而且是逆流傳熱；流體不是橫過(guò)管束流動(dòng)，壓力降幾乎不受管排數(shù)的影響。

大管孔導(dǎo)流板換熱器換熱管內(nèi)外的氣流都是順著管子逆流縱向流動(dòng)，不是橫向流動(dòng)，不會(huì)引起換熱管抖動(dòng)。這是因?yàn)閾Q熱管并不是特別長(zhǎng)，且換熱管兩端焊牢在管板上拉緊，管內(nèi)外流體速度不高，換熱管不需支撐。大量實(shí)踐證明，大管孔導(dǎo)流板沒(méi)有換熱管抖動(dòng)碰撞磨損的現(xiàn)象。

大管孔的大小根據(jù)計(jì)算而得，既要有較高的傳熱系數(shù)，節(jié)省換熱面積；又要有較低的壓力降，達(dá)到節(jié)能的目的；還要有一定的壓力降，以便管隙副線閥的調(diào)節(jié)。

3　大管孔導(dǎo)流板換熱器傳熱系數(shù)的計(jì)算

在工藝計(jì)算得出換熱器的管內(nèi)外流體成分、流量、壓力、溫度、換熱量、平均分子量、平均重度，并進(jìn)行初步排布管后，進(jìn)行大管孔導(dǎo)流板換熱器傳熱系數(shù)的計(jì)算。

3.1管內(nèi)給熱系數(shù)

管內(nèi)給熱系數(shù)的計(jì)算，首先計(jì)算雷諾準(zhǔn)數(shù)，公式為：

式中，GI——管內(nèi)流速，kg/m2.s；

DI——換熱管內(nèi)徑，m；

UI——平均分子量粘度。

當(dāng)雷諾準(zhǔn)數(shù)Re1＞10 000時(shí)，管內(nèi)給熱系數(shù)采用下式計(jì)算（單位W/m2.K）：

式中，γ——系數(shù)，縮放管換熱管0.040 1；鋼光管換熱管0.026 7

CI——平均分子量熱容量，kJ/（kg·k）

λI——導(dǎo)熱系數(shù)，計(jì)算式為：

式中，TI——流體平均溫度，℃

S3、S2、O2、N2——流體成分，kmol %

D0——換熱管外徑，m；

當(dāng)雷諾準(zhǔn)數(shù)ReI＜10 000時(shí)，管內(nèi)給熱系數(shù)采用下式計(jì)算（單位 W/m2.K）：

式中，γ——系數(shù)，縮放管換熱管 0.202；鋼光管換熱管0.135；

L——換熱管長(zhǎng)度，m。

3.2管隙給熱系數(shù)

管隙給熱系數(shù)采用精確流路分析法進(jìn)行計(jì)算，分筒體給熱系數(shù)和大管孔導(dǎo)流板處給熱系數(shù)。

3.2.1筒體給熱系數(shù)

筒體給熱系數(shù)，首先計(jì)算雷諾準(zhǔn)數(shù)。當(dāng)雷諾準(zhǔn)數(shù)Re3＞10 000時(shí)，按下式計(jì)算（單位W/m2.K）：

式中，D2——流體流經(jīng)筒體的當(dāng)量直徑，m

式中，N0——換熱管數(shù)；

（L1/5）^0.8——管隙流體進(jìn)出口端校正系數(shù)；

式中，L1——單臺(tái)換熱器的換熱管在筒體內(nèi)的長(zhǎng)度，L1為換熱管長(zhǎng)L減去上下管板厚度、再減去0.01，m。

當(dāng)雷諾準(zhǔn)數(shù)Re2＜10 000時(shí)，按下式計(jì)算（單位W/m2.K）：

3.2.1大管孔導(dǎo)流板處給熱系數(shù)

大管孔導(dǎo)流板處給熱系數(shù)，當(dāng)雷諾準(zhǔn)數(shù)Re3＞10000時(shí)，按下式計(jì)算（單位W/m2.K）：

式中，D3——流體流經(jīng)大管孔導(dǎo)流板處的當(dāng)量直徑，m；

式中，DK——大孔直徑，m；

Ds——外殼內(nèi)徑，m；

BB——大管孔導(dǎo)流板塊數(shù)

（1－FY/FB）^0.5——大管孔導(dǎo)流板圓周與殼內(nèi)壁的漏流系數(shù)；

式中，F(xiàn)Y——大管孔導(dǎo)流板圓周與殼內(nèi)壁的漏流面積，m2；

FB——大管孔導(dǎo)流板處總流道面積，m2

當(dāng)雷諾準(zhǔn)數(shù)Re3＜10 000時(shí)，按下式計(jì)算（單位W/m2.K）：

3.2.3管隙給熱系數(shù)

管隙給熱系數(shù)為：

3.3傳熱系數(shù)

傳熱系數(shù)：

式中，Z——污垢系數(shù)，0.005～0.015

4　大管孔導(dǎo)流板換熱器壓力降的計(jì)算

在工藝計(jì)算得出換熱器的管內(nèi)外流體成分、流量、壓力、溫度、換熱量、平均分子量、平均重度，并進(jìn)行大管孔導(dǎo)流板換熱器計(jì)算后，進(jìn)行壓力降的計(jì)算。

4.1管內(nèi)壓力降

管內(nèi)壓力降的計(jì)算采用下式（單位 Pa）：

式中，OI——管內(nèi)流體平均重度，kg/m3

4.2管隙壓力降

4.2.1筒體壓力降（單位Pa）

式中，O0——管隙流體平均重度，kg/m3

4.2.2大管孔導(dǎo)流板處壓力降（單位Pa）

4.2.3進(jìn)出管口處壓力降（單位Pa）

4.2.4管隙壓力降

4.3總壓力降

總壓力降為管內(nèi)壓力降和管隙壓力降之和：

［1］ 南京化學(xué)工業(yè)（集團(tuán)）公司設(shè)計(jì)院編寫(xiě).硫酸工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.物化數(shù)據(jù)篇.化工部硫酸工業(yè)信息站出版，1990.

［2］ 南京化學(xué)工業(yè)（集團(tuán)）公司設(shè)計(jì)院編寫(xiě).硫酸工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.工藝計(jì)算篇.化工部硫酸工業(yè)信息站出版，1994.

收稿日期：2016-04-20

作者簡(jiǎn)介： 劉炳福（1944—），男，湖南桃園人，高級(jí)工程師，副總工程師，主要從事化工設(shè)計(jì)工作。

Big Hole Baffle Tube and Shell Heat Exchanger Calculation

Liu Bing-fu

shell and tube heat exchanger baffles have a moon-shaped，annular plate，so that the gas flow deflector across the heat exchange tubes，has its drawbacks.Big hole baffle plate is to make this into a full-page，open a large hole board，called the big hole deflector that pore diameter than the diameter of the heat transfer tubes more than 10% larger，so that tube gap all heat exchange fluid diversion from the outer ring with the big hole interstitial flow through the fluid tend to close the inner and outer countercurrent heat exchange tube has proved very good heat transfer effect.This also describes the formula coefficient of heat transfer and pressure drop，very practical value.

big hole baffles；heat exchanger；heat transfer coefficient；pressure drop

TQ053.6

A

1003-6490（2016）05-0098-02

2016-04-28

常亞娜（1979—），女，山東濟(jì)寧人，工程師，主要從事化工設(shè)計(jì)工作。