62U形管式換熱器的有效換熱面積探討

劉均安

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

U形管式換熱器是石油化工領(lǐng)域常用的一種管殼式換熱器，典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，它的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，只有一塊管板，管束由多根U形管構(gòu)成，U形管兩端均固定在同一管板上，換熱管可自由伸縮，即殼體和換熱管有較大壁溫差時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，常見(jiàn)型式有BKU、BEU、BFU等。U形管式換熱器應(yīng)用范圍較廣，可用于高溫、高壓、壁溫差大、殼程結(jié)垢較嚴(yán)重、管程易腐蝕等場(chǎng)合，造價(jià)相較其他型式低且不易發(fā)生內(nèi)漏、檢修相對(duì)簡(jiǎn)單、操作彈性大。U形管式換熱器與其他型式的管殼式換熱器最大區(qū)別在于管束結(jié)構(gòu)，換熱管布置時(shí)需要考慮換熱管的最小彎曲半徑，進(jìn)而影響相同空間下的換熱管布管數(shù)，因此可容納的換熱管數(shù)稍少于固定管板式換熱器。U形管式換熱器的有效換熱面積常常容易忽略U形彎管段面積，而對(duì)于大型換熱器U形彎管段面積占不小比例，需要視具體情況確定是否將U形彎管段面積計(jì)入有效換熱面積，以準(zhǔn)確評(píng)估換熱器性能，優(yōu)化換熱器設(shè)計(jì)。

圖1 典型U形管式換熱器示意圖

1 換熱面積標(biāo)準(zhǔn)定義

目前，管殼式換熱器設(shè)計(jì)遵循的標(biāo)準(zhǔn)主要有TEMA標(biāo)準(zhǔn)、API 660標(biāo)準(zhǔn)和GB 151標(biāo)準(zhǔn)。

TEMA標(biāo)準(zhǔn)(Standards of the Tubular Exchanger Manufacturers Association)為美國(guó)管式換熱器制造商協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，是關(guān)于管殼式換熱器設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)的權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)，TEMA標(biāo)準(zhǔn)已獲得世界范圍內(nèi)的認(rèn)可，最新版本為2007年12月發(fā)布的第9版[1]。

API 660標(biāo)準(zhǔn)(API Standard 660 - Shell-and-Tube Heat Exchangers)為美國(guó)石油學(xué)會(huì)制定并發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋了石油石化行業(yè)對(duì)管殼式換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)、材料選擇、制造、檢驗(yàn)、測(cè)試和運(yùn)輸?shù)木唧w要求，用于補(bǔ)充TEMA標(biāo)準(zhǔn)，比TEMA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了更為詳細(xì)的要求，最新版本為2015年3月出版的第9版[2]。

GB 151標(biāo)準(zhǔn)為中國(guó)全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)負(fù)責(zé)制定和歸口的熱交換器標(biāo)準(zhǔn)，用以規(guī)范在中國(guó)境內(nèi)建造或使用的熱交換器設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收的相關(guān)技術(shù)要求，標(biāo)準(zhǔn)編制參考了TEMA標(biāo)準(zhǔn)和API 660標(biāo)準(zhǔn)等標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容，最新版本為GB/T 151-2014 熱交換器，替代前一版GB 151-1999 管殼式換熱器，標(biāo)準(zhǔn)性質(zhì)由強(qiáng)制性改為推薦性[3-4]。

TEMA標(biāo)準(zhǔn)第9版并未明確給出有效換熱面積定義。API 660標(biāo)準(zhǔn)第9版中3.6條定義：有效換熱面積，是指有助于傳熱的換熱管的外表面積，包括翅片表面(如果有)。GB 151標(biāo)準(zhǔn)GB/T 151-2014中3.2條定義：換熱面積(heat transfer area)，a)計(jì)算換熱面積，以換熱管外徑為基準(zhǔn)，扣除不參與換熱的換熱管長(zhǎng)度后，計(jì)算得到的外表面積，b)公稱換熱面積，圓整為整數(shù)后的計(jì)算換熱面積[3]。舊版標(biāo)準(zhǔn)GB 151-1999中3.71條定義：計(jì)算換熱面積，以換熱管外徑為基準(zhǔn)，扣除深入管板內(nèi)的換熱管長(zhǎng)度后，計(jì)算得到的管束外表面積；對(duì)于U形管式換熱器，一般不包括U形彎管段的面積[4]。

對(duì)于U形管式換熱器，我國(guó)還制定了推薦性標(biāo)準(zhǔn)GB/T 28712.3-2012(熱交換器型式與基本參數(shù) 第3部分：U形管式熱交換器)，該標(biāo)準(zhǔn)指出計(jì)算換熱面積 由式(1)確定[5]：

(1)

式(1)中， d為換熱管外徑(mm)，L為U形換熱管直段長(zhǎng)度(mm)，δ為管板厚度(mm)，l1為換熱管伸出管板長(zhǎng)度(mm，設(shè)定為3)，n為U形換熱管根數(shù)?？芍?，該計(jì)算公式并未計(jì)及U形彎管段面積，鑒于該標(biāo)準(zhǔn)先于GB/T151-2014頒布，其引用的GB 151標(biāo)準(zhǔn)仍為GB 151-1999，故其參照GB 151-1999規(guī)定“對(duì)于U形管式換熱器，一般不包括U形彎管段的面積”，該公式?jīng)]有計(jì)算U形彎管段面積，采用此法計(jì)算換熱面積用于換熱器設(shè)計(jì)相對(duì)保守。

綜上所述，最新國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)雖然沒(méi)有直接明確U形彎管段面積是否計(jì)入換熱面積，但均明確只要參與了換熱的面積都為有效換熱面積，而GB 151-1999指出一般不包括U形彎管段的面積，也并未排除當(dāng)U形彎管段參與換熱的情況時(shí)需要特別考慮。文獻(xiàn)[6]也指出：計(jì)算換熱面積實(shí)際上表征了參與換熱的換熱管外表面積，計(jì)算時(shí)應(yīng)扣除不參與換熱的換熱管長(zhǎng)度，包括管程和殼程不參與換熱的換熱管長(zhǎng)度，如深入管板內(nèi)的換熱管長(zhǎng)度，換熱管襯管長(zhǎng)度；對(duì)于U形換熱管的彎管段面積是否計(jì)入，根據(jù)彎管段的殼程流體流動(dòng)情況具體確定。

因此，對(duì)于U形彎管段面積：(1)未參與換熱，則不計(jì)入有效換熱面積；(2)參與換熱，則應(yīng)計(jì)入有效換熱面積。對(duì)于大多數(shù)的U形管式換熱器(特別是臥式)，在彎管段處基本上是殼程換熱的死區(qū)，即此處換熱與直管段相比效果很差，故一般不計(jì)入換熱面積。但是，當(dāng)殼程進(jìn)、出口位置設(shè)計(jì)合理，U形彎管段都參與換熱過(guò)程，則彎管段面積應(yīng)計(jì)入換熱面積，特別是對(duì)于大中型換熱器，U形彎管段面積占有較大比例，是否計(jì)入此部分面積對(duì)換熱計(jì)算影響很大。對(duì)于殼程為相變傳熱，如冷凝器(比如立式BEU型式換熱器)或是釜式蒸發(fā)器(比如常見(jiàn)的BKU型式換熱器)，此時(shí)U形彎管段全部參與換熱，U形彎管段面積應(yīng)計(jì)入有效換熱面積。對(duì)于不同殼程接管位置，如果接管位于U形彎前，如圖2(a)所示，一般不計(jì)入彎管段換熱面積；如果接管位于彎管段或是彎管段之后(包括接管位于封頭的情況)，如圖2(b)、(c)、(d)所示，則應(yīng)計(jì)入彎管段面積。

圖2 U形管式換熱器殼程接管位置示意圖

2 增加換熱面積方法

對(duì)于U形管式換熱器，增加換熱面積的方法主要有：(1)在滿足換熱器設(shè)計(jì)要求的前提下，盡量采用30°正三角形布管，相較其他角度排列方式而言，布管更加緊湊且換熱效率較高；(2)通過(guò)減小最中心布置的換熱管U形彎的彎曲半徑，使得相同空間和排列角度下可以多布管；(3)無(wú)法減少中心換熱管U形彎的彎曲半徑時(shí)，通過(guò)交叉布管方式多布管。

文獻(xiàn)[7]指出，從經(jīng)濟(jì)性方面分析，U形管式換熱器如采用正三角形布管，換熱管選擇30°正三角形排列方式，與選擇60°轉(zhuǎn)角正三角形排列方式相比，可以減少制造成本，因U形管彎曲半徑規(guī)格數(shù)較少，相應(yīng)彎制U形管的模具及人工等費(fèi)用較少，而且選擇30°正三角形排列方式還可以提高換熱效率。

GB/T 151-2014中6.4.3 U形換熱管6.4.3.1條規(guī)定：彎管段的彎曲半徑R不宜小于兩倍的換熱管外徑，常用U形換熱管的最小彎曲半徑 (見(jiàn)圖3示意圖)可按表(1)選取[3]。

表1 常用U形換熱管的最小彎曲半徑

API Standard 660 - 9th Edition中7.5.1.4條規(guī)定：U形彎的平均半徑不應(yīng)小于換熱管公稱外徑的1.5倍。對(duì)于馬氏體不銹鋼、超奧氏體不銹鋼(>6 % Mo)、雙相不銹鋼、鈦、高鎳合金(>30 % Ni)，U形彎的平均半徑不應(yīng)小于換熱管公稱外徑的2.0倍[2]。

可見(jiàn)，API Standard 660 - 9th Edition標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定U形彎半徑可以低至1.5倍的換熱管外徑，較2.0倍的換熱管外徑，相同管板相應(yīng)布管范圍會(huì)有所增加，文獻(xiàn)[8]詳細(xì)論述了U形管束的彎曲半徑確定方法，指出采用管內(nèi)填充法和預(yù)變形法都能彎制出相對(duì)彎曲半徑小到1.5的U形管。工程項(xiàng)目實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)國(guó)外專利商設(shè)計(jì)的U形管式換熱器大部分采用的最小彎曲半徑為1.5倍換熱管外徑。另外，如圖4(b)所示，最中心換熱管采用交叉布管的方法也可以進(jìn)一步減少最內(nèi)層管孔間距，從而實(shí)現(xiàn)多布管來(lái)達(dá)到增加換熱面積的目的，使換熱設(shè)備更加緊湊、經(jīng)濟(jì)。

圖3 U形換熱管的最小彎曲半徑 示意圖

圖4 U形管式換熱器最內(nèi)層布管示意圖

3 實(shí)際案例

結(jié)合實(shí)際案例，采用美國(guó)傳熱研究公司(Heat Transfer Research Inc.)開(kāi)發(fā)的HTRI V7.3.2軟件計(jì)算，對(duì)比分析某U形管式換熱器不同方案計(jì)算結(jié)果。

表2 鍋爐水冷卻器設(shè)計(jì)參數(shù)

如表2所示，某裝置需要設(shè)計(jì)一臺(tái)鍋爐水冷卻器，該換熱器的任務(wù)是把128.71℃的鍋爐水冷卻至40℃，采用的冷卻介質(zhì)是33℃的循環(huán)水，工藝要求循環(huán)水出口溫度為40℃，需要冷卻的鍋爐水量為12000 kg/h。根據(jù)工藝要求及結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，換熱器選型為臥式BEU，循環(huán)水走管程，換熱管材質(zhì)為不銹鋼(SS316)，鍋爐水污垢系數(shù)取0.000172m2·K/W，循環(huán)水污垢系數(shù)取0.000344m2·K/W。經(jīng)HTRI計(jì)算，殼徑定為600 mm，U形管直管段長(zhǎng)定為6 m，換熱管外徑為25 mm，管壁厚為2.5 mm，換熱管間距為32 mm，20塊折流板，相對(duì)流體流動(dòng)方向折流板為垂直切割，折流板切割率為25%，殼側(cè)入口處加防沖擋板，如圖5所示鍋爐水冷卻器外形圖，然后通過(guò)改變其他結(jié)構(gòu)參數(shù)得到不同方案計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同方案HTRI軟件計(jì)算結(jié)果

圖5 鍋爐水冷卻器外形圖

(2)

式(2)中， A1為直管段有效換熱面積,A2為U形彎管段有效換熱面積，d為換熱管外徑(mm)，L為U形換熱管直段長(zhǎng)度(mm)，δ為管板厚度(mm)， l1為換熱管伸出管板長(zhǎng)度(mm，通常設(shè)定為3)，n為U形換熱管根數(shù)。

另外，為了考察大中型換熱器中U形彎管段面積在換熱器總有效換熱面積的占比情況，表4統(tǒng)計(jì)了實(shí)際項(xiàng)目中所設(shè)計(jì)的蒸汽發(fā)生器(均為BKU型式)U形彎管段換熱面積占比情況。

表4 不同BKU型式換熱器U形彎管段換熱面積占比情況

注：1.殼徑指管板側(cè)殼體直徑，管長(zhǎng)指U形管單側(cè)直管段長(zhǎng)度，限定圓直徑、管板厚、總有效換熱面積Aeff.均摘自HTRI計(jì)算報(bào)告;2.本表中總U形彎管段面積A2參考式(2)計(jì)算得到，也可根據(jù)換熱器布管情況逐排計(jì)算U形彎管段面積加和獲得。

由表4可見(jiàn)，大殼徑U形管式換熱器的U形彎管段面積占比較大，高達(dá)10%以上。因此，對(duì)于殼程為冷凝或蒸發(fā)的相變傳熱情況，由于U形換熱管彎管段和直管段對(duì)換熱起著同樣重要的作用，應(yīng)嚴(yán)格計(jì)算U形彎管段面積，以準(zhǔn)確評(píng)估換熱器性能、優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，對(duì)于U形管式換熱器彎管段面積是否計(jì)入有效換熱面積，應(yīng)根據(jù)具體情況分析判斷：(1)未參與換熱，則不計(jì)入有效換熱面積；(2)參與換熱，則應(yīng)計(jì)入有效換熱面積。在進(jìn)行U形管式換熱器設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足換熱器設(shè)計(jì)要求的前提下，應(yīng)盡量采用30°正三角形布管，最中心布置的換熱管采用相對(duì)彎曲半徑更小的U形管，以及中心換熱管采用交叉布管方式，這樣設(shè)計(jì)的換熱設(shè)備更加緊湊、經(jīng)濟(jì)。對(duì)于殼程為冷凝或蒸發(fā)的相變傳熱情況，由于U形換熱管彎管段和直管段對(duì)換熱起著同樣重要的作用，應(yīng)嚴(yán)格計(jì)算U形彎管段面積，以準(zhǔn)確評(píng)估換熱器性能、優(yōu)化設(shè)計(jì)。