管殼式換熱器設(shè)計淺析

劉家慶 唐 濱

福陸(中國)工程建設(shè)有限公司(上海 201210)

石油化工生產(chǎn)過程中，常常需要進(jìn)行加熱或冷卻；當(dāng)一種流體與另一種流體進(jìn)行換熱但是不允許二者混合時，需要在間壁換熱器中進(jìn)行熱交換。間壁換熱器的種類很多，包括套管換熱器、蛇管換熱器、管殼式換熱器和板式換熱器等。其中，管殼式換熱器由于傳熱面積大、傳熱效果好、適合的溫度和壓力區(qū)間大以及可靠性強(qiáng)的特點，成為實際生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛的換熱設(shè)備。本文針對管殼式換熱器在實際設(shè)計中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析。

1 換熱器設(shè)計輸入

通常，工藝專業(yè)會依據(jù)模擬計算或者專利商的輸入提出換熱器的工藝數(shù)據(jù)表，其中包含換熱器計算的必要參數(shù)：冷熱兩側(cè)的流量；冷熱流體的進(jìn)出口溫度或者氣液相體積分?jǐn)?shù)；冷熱兩側(cè)的進(jìn)口壓力以及換熱器的允許壓降；冷熱流體換熱計算需要的物理性質(zhì)，包括規(guī)定換熱溫度區(qū)間的黏度、導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱容以及兩側(cè)的污垢系數(shù)(污垢系數(shù)通常由專利商提供或者按照項目規(guī)定進(jìn)行選取，其他的物理性質(zhì)由模擬計算得到或?qū)＠烫峁?；對于冷凝和沸騰等有相變的流體，還需要提供焓曲線(即氣相分率和熱負(fù)荷隨溫度變化的趨勢，通常由模擬軟件生成或由專利商提供)，以及其他物性隨溫度梯度變化的值。

2 管殼式換熱器設(shè)計中關(guān)鍵參數(shù)的選擇

在接收到換熱器的工藝數(shù)據(jù)表后，首先依據(jù)換熱器的實際操作工況選取換熱器型式。通常，設(shè)計者可以依據(jù)管式交換器制造商協(xié)會(TEMA)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行換熱器型式的選取，詳見圖1。

2.1 管殼式換熱器型式的選擇

管殼式換熱器通常分為固定管板式、“U”型管式和浮頭式。

2.1.1 固定管板式換熱器的選用

固定管板式換熱器的選用需滿足下述條件：

(1)管子和殼體因熱膨脹引起的應(yīng)力不超過設(shè)計應(yīng)力的范圍，否則要選擇浮頭式或“U”型管式以保證管束可以自由伸縮；

(2)殼程介質(zhì)不易結(jié)垢，或殼程污垢便于化學(xué)清洗；

(3)開、停車或其他工況下臨時用的換熱器。

2.1.2 “U”型管式換熱器的選用

滿足下述條件時可選擇“U”型管式換熱器：

(1)管側(cè)不需要機(jī)械清洗或容易實現(xiàn)機(jī)械清洗時，但需要機(jī)械清洗時，“U”型轉(zhuǎn)彎直徑不得小于150 mm；

(2)管程污垢便于化學(xué)清洗；

(3)換熱器直徑通常不超過1 300 mm，否則要考慮“U”型端部加支撐，長度不超過9 000 mm。

2.1.3 浮頭式換熱器的選用

上述各項條件以外的情況以及應(yīng)力較大時，可選擇浮頭式換熱器。浮頭式換熱器的直徑應(yīng)不超過2 200 mm，長度不超過12 000 mm。

浮頭式換熱器AES(平蓋管箱)與BES(封頭管箱)區(qū)別：殼徑小(＜1 m)時，用BES，且一次成型；殼徑大(＞1 m)時，用AES，只拆一頭。

圖1 管殼式換熱器型式

2.2 殼體的選擇

殼體通常選擇“E”型，以下情況除外：

(1)當(dāng)換熱器內(nèi)發(fā)生溫度交叉時，需要兩臺或兩臺以上多管程換熱器串聯(lián)才能滿足要求，此時為減少串聯(lián)換熱器的臺數(shù)，可選擇“F”型。

(2)當(dāng)殼程流體的允許壓降較小，且“E”或“F”型不能滿足要求時，可采用“J”型、“X”型或“H”型。若無相變，可采用“H”型換熱器，其傳熱系數(shù)大，但是壓降較“X”型大；若有相變且泡露點相差較大，則采用“H”型；若對壓降要求很小，則采用“X”型。

(3)壓縮機(jī)段間冷卻器宜采用低壓降換熱器，如導(dǎo)流筒、“J”型、雙弓折流板或折流桿。

(4)對于殼程沸騰且汽化率大于50%時，可考慮用“K”型。

2.3 封頭的選擇

通常，選擇“B”型作為前封頭。對于水冷卻器，當(dāng)管側(cè)需要定期清洗且管側(cè)設(shè)計壓力小于1 MPa時，前封頭可選擇“A”型?！癈”型封頭常用于高壓場合?！癗”型封頭只有當(dāng)殼側(cè)所走物料較清潔，不需清洗時可考慮使用。

對于固定管板式換熱器，宜選擇“M”型作為后封頭；對于浮頭式換熱器，應(yīng)選擇“S”型作為后封頭?！癟”型一般不使用(其排管較少)，若塔內(nèi)設(shè)置的換熱器或塔頂冷凝器以及釜式換熱器管內(nèi)需要清洗時，可選用“T”型，但常用的為”U”型。浮頭式換熱器的殼徑應(yīng)大于DN300 mm，但最大只能做到1 800 mm，2 200 mm的浮頭式換熱器只有一些指定廠家能制作。管長一般最大做到9 m，若要設(shè)計到12 m則需要考慮廠家抽芯機(jī)的能力。若換熱面積不夠可考慮并聯(lián)方式，若存在溫度交叉則采用串聯(lián)的方式。

2.4 折流板和支撐板

對于殼側(cè)無相變的流體，折流板應(yīng)采用水平切邊；對于兩相流流體或“F”型換熱器，折流板應(yīng)采用垂直切邊。對于雙弓型折流板，盡量使第一塊板和最后一塊板是整板形式，防止存在死區(qū)，在用HTRI(美國傳熱研究公司商業(yè)化的傳熱計算軟件)設(shè)計時不設(shè)切口率，而是選擇重疊管排數(shù)。當(dāng)冷凝量不大時，可以使用切口不布管型式。若為單缺口形式，在滿足壓力且無相變情況下，切口率一般取25%；雙弓切口率最大為25%。

其他折流元件，如折流桿、折流環(huán)盤或螺旋折流板，需要經(jīng)業(yè)主或工程承包商同意方可使用。

管子無支撐跨距超過GB 151—2014《熱交換器》或TEMA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的0.8倍時，應(yīng)在管束之間設(shè)置支撐板。支撐板到端點的距離一般為200～300 mm。

2.5 防沖板

防沖板是為了防止殼側(cè)流體對管束的直接沖擊而設(shè)置。如果殼側(cè)入口是蒸汽或混相介質(zhì)，應(yīng)該在殼側(cè)入口處設(shè)置防沖板。對于無相變流體，當(dāng)入口處的ρV2(ρ為流體密度，kg/m3；V為流體入口處流速，m/s)超過表1數(shù)值時也應(yīng)加防沖板。

表1 殼側(cè)入口物流性質(zhì)

對于管側(cè)流體，下面幾種情況也應(yīng)作特別考慮，以減少流體對管子末端的磨蝕：對于氣體和蒸汽，入口處的ρV2超過7 000 kg/(m·s2)；對于液體，入口處的ρV2超過9 000 kg/(m·s2)。

3 HTRI計算注意事項

接到條件后，先判斷換熱溫度是否可行，是否有溫度交叉(即冷流體的出口溫度是否高于熱流體的出口溫度)，如果有溫度交叉就需要采用單管程或多臺換熱器串聯(lián)。對于無相變流體，如果兩側(cè)流體流量相差很大，換熱器往往不好設(shè)計，設(shè)計時需要謹(jǐn)慎，既要滿足大流量流體側(cè)的允許壓降，又要保證小流量流體側(cè)的流速不至于太低。如果可行，可建議工藝讓小流量流體走管程，并采用多管程以提高其流速。

一般情況下，下列介質(zhì)應(yīng)走管程：腐蝕性介質(zhì)、有毒介質(zhì)、易結(jié)垢介質(zhì)、溫度或壓力高的介質(zhì)(必須增加厚度或由碳鋼改合金鋼時，反之不必作為主要矛盾考慮)。上述情況之外，介質(zhì)走管程還是殼程一般考慮是否能夠提高傳熱系數(shù)和充分利用壓降。

無相變傳熱計算時應(yīng)盡可能避免流體在層流和過渡流狀態(tài)下，尤其是層流時傳熱模型的可靠性大幅下降。因為沿?fù)Q熱器管長，流體的流動狀態(tài)差別很大：管內(nèi)雷諾數(shù)Re＜2 000時為層流，Re＞10 000時為湍流；管束Re＜100時為層流，Re＞1 000時為湍流，通常Re＞4 000。高黏度流體，如重質(zhì)油和渣油等油品，黏度隨溫度變化很大，需要提供多點溫度下的黏度值進(jìn)行分段計算的傳熱系數(shù)也會相差很多。

以HTRI軟件計算為例，在管殼式換熱器實際計算中總結(jié)出來的一些注意事項如下：

(1)對于固定管板式換熱器，需要提供各種工況下的金屬壁溫給設(shè)備專業(yè)，以便于設(shè)備專業(yè)進(jìn)行熱應(yīng)力分析后考慮是否需要熱補(bǔ)償。

(2)對于有相變的流體走管程時，應(yīng)盡可能避免多管程，防止汽液在管箱中分離，并增大阻力。如果介質(zhì)干凈，可考慮采用2管程“U”型管換熱器。

(3)對于高效換熱器，切不可盲目聽從宣傳。首先要分析傳熱受哪一側(cè)熱阻控制，再針對高效換熱器的特點加以合理選擇。對熱阻控制的分析可以在HTRI計算報告中找到。

(4)對于換熱器的設(shè)計余量，切不可一味圖大，認(rèn)為面積越大越安全。經(jīng)驗表明，換熱面積過大會導(dǎo)致流速下降，使換熱器更容易結(jié)垢。如果在層流狀態(tài)下，計算偏差會很大。

(5)對于大流量氣體走殼程時，要避免振動情況發(fā)生。如壓縮機(jī)冷卻器，可采用窗口不布管型式。

(6)管口直徑通常不超過殼徑的1/2，否則設(shè)備大開孔，增加換熱器機(jī)械設(shè)計上的難度，因此必要時可采用多管口進(jìn)出(“X”或“H”型)。

(7)立式再沸器汽化率一般為20%～30%，最高不超過40%，低的時候可以在10%以內(nèi)(如多效蒸發(fā)再沸器)。臥式再沸器汽化率一般在50%以內(nèi)，大于50%可考慮用釜式。釜式再沸器殼徑不小于管束直徑的1.6倍。

(8)對于真空條件下的再沸器，最好提供兩條以上(不同壓力下)焓曲線，因為凈壓差對液體的汽化溫度影響很大，會導(dǎo)致傳熱溫差減小。因此設(shè)計裕量要大，在30%以上。

(9)用HTRI設(shè)計排管時一般不通過軟件自動排管，而要根據(jù)設(shè)計規(guī)定(GB 151—2014，GB 150—2011《壓力容器》)在Input Summary-Geometry-Clearance中進(jìn)行限定。一般管束和殼體之間的距離輸入值為50 mm。對于允許壓力降較小的換熱器，可以輸入較大值——0.25D(即管嘴直徑的0.25倍)。

(10)計算時B流路分率要控制在50%以上，E流路分率控制在20%以下。

(11)壓縮機(jī)段間換熱器的經(jīng)驗設(shè)計：

①壓縮機(jī)段間換熱器的允許壓降比較小，在選型時要選擇低壓力降的型式，如導(dǎo)流筒、“J”型、雙弓折流板或折流桿。壓縮機(jī)的段間冷卻器在大流量氣體走殼程時，要避免振動情況發(fā)生，可采用窗口不布管型式。

②壓縮機(jī)段間冷卻器的折流板一般選擇雙弓型。要盡量使第一塊板和最后一塊板為整板形式，防止存在死區(qū)，計算時不輸入切口百分?jǐn)?shù)和板間距，只輸入crosspass數(shù)值和重疊板數(shù)就可以。

③壓縮機(jī)二段、三段冷卻器的U值一般為300 W/(m2·k)，這點在換熱器計算中要注意。

④考慮到允許壓力降比較小，管束和殼體的間距可以輸入較大值——0.25D(即管嘴直徑的0.25倍)。

4 結(jié)語

換熱器的熱計算是一個系統(tǒng)性的計算過程，其中包括收集關(guān)鍵數(shù)據(jù)，依據(jù)經(jīng)驗確定換熱器型式。具體的結(jié)構(gòu)尺寸計算中，除了考慮一些規(guī)范和理論上的要求外，還需要考慮設(shè)備制造或者現(xiàn)場操作經(jīng)驗要點。本文初步闡述了管殼式換熱器熱計算的一些注意事項，希望對初學(xué)者有所幫助。