管殼式換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

周秀英　南京久鼎制冷空調(diào)設(shè)備有限公司

管殼式換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

周秀英南京久鼎制冷空調(diào)設(shè)備有限公司

影響管殼式換熱器的性能的因素有很多，如換熱管尺寸、殼體類型等，因此本文主要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，詳細(xì)探討了管殼式換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)工作者提供幫助。

管殼式換熱器；優(yōu)化設(shè)計(jì)；實(shí)際應(yīng)用

管殼式換熱器作為一種通用設(shè)備，具有適應(yīng)性強(qiáng)、生產(chǎn)成本低以及選材范圍廣等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在工業(yè)中，并在我國(guó)工業(yè)中發(fā)揮著不可替代的作用。隨著我國(guó)技術(shù)的不斷發(fā)展，換熱器也逐漸向大型化的方向發(fā)展，應(yīng)用范圍也逐漸擴(kuò)大，促進(jìn)了管殼式換熱器的進(jìn)一步發(fā)展。本文在此進(jìn)一步探討了管殼式換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

1.管殼式換熱器設(shè)計(jì)

1.1初始設(shè)計(jì)

在開始設(shè)計(jì)之前，充分了解管殼式換熱器的實(shí)際情況，如殼體形狀、管束布置方式等，為管殼式換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定良好的基礎(chǔ)。

1.2換熱器尺寸選擇

設(shè)計(jì)時(shí)一定要合理選擇換熱器的尺寸，以此提高換熱器的性能，實(shí)現(xiàn)換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。換熱器尺寸與換熱器的容積、殼程傳熱膜系數(shù)、總換熱系數(shù)和換熱面積以及管側(cè)壓降等都具有直接關(guān)系，在實(shí)際應(yīng)用中，換熱器管徑越大，換熱器容積隨之增大，殼程傳熱膜系數(shù)隨之降低，總換熱系數(shù)和換熱面積逐漸減小，管側(cè)壓降也開始降低。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)換熱器尺寸對(duì)換熱器性能的影響，合理確定換熱管徑的尺寸，最好選擇直徑為φ19的換熱管，同時(shí)可以根據(jù)具體應(yīng)用情況，適當(dāng)增大換熱器管徑，進(jìn)而改變換熱器容積、壓降條件等。

1.3傳熱膜分析

1.3.1總傳熱膜系數(shù)

利用Ki表達(dá)式來表示以內(nèi)表面為準(zhǔn)的傳熱系數(shù)，Ki表示式：

上述式子中，Ai表示為內(nèi)表，A0表示為換熱管的外表，Am表示為平均傳熱面積；ri表示為管內(nèi)流體污垢熱阻，r0表示為管外流體污垢熱阻；σ和λw分別表示管壁厚度、管壁材料的導(dǎo)熱系數(shù)；ai表示為管程，a0表示為殼程傳熱膜系數(shù)。

可以將式子（1）簡(jiǎn)化為式子（2）：

從式中（2）可以看出，式子（2）不僅忽略了管壁熱阻，同時(shí)還忽略了污垢熱阻，在實(shí)際應(yīng)用中，可以將Ki近似看作為ai，因此可以下面直接對(duì)管程傳熱膜系數(shù)進(jìn)行分析。

1.3.2管程傳熱膜系數(shù)

在湍流情況下，可以用式子（3），表示低粘度流體的管程熱傳膜系數(shù)。

上述式子中，λi、di、Rei、Pri分別表示為濕空氣導(dǎo)熱系數(shù)、換熱管內(nèi)徑、流體雷諾數(shù)、普朗特?cái)?shù)，流體被加熱時(shí)、被冷卻時(shí)n值為0.4、0.3。

流體雷諾數(shù)與換熱管管內(nèi)徑、流速具有一定的關(guān)系，可以下列式子來表示：

上述式子中，ρi和μi為流體密度、流體動(dòng)力粘度。

將式子（4） Rei代入到式子（3）中，可以得到下列式子：

1.4殼體類型選擇

殼體類型多種多樣，一般分為帶有折流擋板的單管程E型殼體、縱向折流板F型殼體、G型殼體、H型殼體以及J型殼體。（1）帶有折流擋板的單管程E型殼體：該殼體是較為簡(jiǎn)單一種殼體類型，它將介質(zhì)流向設(shè)計(jì)為逆向流動(dòng)，這樣可以充分發(fā)揮溫差效應(yīng)的作用，通常采用該殼體類型，其換熱管的尺寸相對(duì)較小。另外當(dāng)采用多管程時(shí)，容易出現(xiàn)介質(zhì)不完全逆向流動(dòng)出現(xiàn)情況，從而造成誤差，為了解決這一問題，應(yīng)合理矯正對(duì)數(shù)平均溫差。（2）縱向折流板F型殼體：即使采用多管程，該殼體也可以實(shí)現(xiàn)介質(zhì)的完全逆向流動(dòng)，殼體內(nèi)壓降不僅與管排數(shù)量成正比關(guān)系，同時(shí)與殼程流速平方也成正比關(guān)系。對(duì)于殼體尺寸相同，以及折流板數(shù)量相同換熱器，F(xiàn)型殼體的流體流速、壓降比E型殼體要分別高出兩倍和四倍，但是F型殼體截面上管子的數(shù)量和E型殼體是相同的。（3）G型殼體、H型殼體以及J型殼體：與E殼體相比，G型殼體的壓降是其二分之一，H型殼體的壓降是其十六分之一，J型殼體的壓降時(shí)期八分之一。

根據(jù)上述幾種殼體類型，筆者認(rèn)為，在換熱器初始設(shè)計(jì)過程中，可以選擇E型殼體，如果采用多管程換熱器，為避免多殼程引起的損失，需要將E型殼體換成F型殼體，如果出現(xiàn)愛你管側(cè)壓降首先情況，可以選擇J型殼體。

1.5壓力降分析

在濕空氣與水換熱過程中，需要充分考慮管程流體壓力損失情況，可以由以下式子，表示管程壓力降。

在上述式子中，ΔPL、ΔPr、ΔPn分別表示為直管摩擦阻力壓降、回彎管摩擦阻力壓降、管箱進(jìn)出口壓降；NP、NS為管程數(shù)、串聯(lián)殼程數(shù)；Ft表示為結(jié)構(gòu)校正因子。

若能滿足低壓狀態(tài)下的壓力條件，一定也會(huì)滿足高壓下的壓力條件，當(dāng)式子中NS值為1時(shí)，可以將（6）式子轉(zhuǎn)化為下列式子：

1.6管束布置

在設(shè)計(jì)時(shí)，還充分考慮管間距與管板直徑的比值，將其控制在合理的范圍之內(nèi)，并且合理布置管束。管間距與管板直徑的比值與給定殼體形狀換熱器的換熱管數(shù)有關(guān)，一般情況下，給定殼體形狀換熱器的換熱管數(shù)會(huì)隨著間距與管板直徑的比值增大而增多，因此可以取1.25作為管間距與管板直徑的比值，同時(shí)可以根據(jù)具體的情況，適當(dāng)擴(kuò)大管間距與管板直徑的比值。管束布局主要分為內(nèi)聯(lián)布置和錯(cuò)列布置兩類，內(nèi)聯(lián)布置和錯(cuò)列布置分別是按照管子45°或90°、30°或者60°進(jìn)行排列布置，內(nèi)聯(lián)布置主要采用機(jī)械方法對(duì)管壁面進(jìn)行清洗，錯(cuò)列布置主要采用化學(xué)方法對(duì)管壁面進(jìn)行清洗。

在換熱器殼體直徑一定的情況下，且換熱管數(shù)量較多，可以選錯(cuò)列布置方式。在實(shí)際應(yīng)用中，采用30°、60°以及90°布管方式，其對(duì)換熱性能影響是基本相同的，而45°布管方式在壓降不變的情況下，會(huì)提高換熱性能。

所以在選擇布管方式時(shí)，必須充分考慮換熱與壓降之間的關(guān)系，選擇最佳的布管方式，進(jìn)而提高換熱性能。根據(jù)上述對(duì)布管方式的應(yīng)用探討，在設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)換熱器換熱管清洗方式，選擇布管方式。

1.7折流板形狀選擇

折流板形狀對(duì)換熱性能具有重要影響，所以選擇合適的折流板形狀是非常重要的，尤其是折流板的切割率，它對(duì)換熱器折流板流通面積也具有重要影響。所以對(duì)根據(jù)給定的折流板間距和管子數(shù)量，計(jì)算折流板的優(yōu)化數(shù)據(jù)為缺口率為27%的最優(yōu)折流板。

2.實(shí)例分析

對(duì)某工業(yè)的換熱器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，工藝參數(shù)設(shè)置為：

另外為了滿足設(shè)計(jì)要求，還需要嚴(yán)格控制壓降，當(dāng)最小壓強(qiáng)在300pa時(shí)，需要將壓降控制在15pa范圍之內(nèi)。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)一定的情況下， 采用結(jié)構(gòu)計(jì)算和熱力計(jì)算，得出不同壓漿損失下的各項(xiàng)參數(shù)，為了便于工藝制造，根據(jù)換熱器的強(qiáng)度，可以取di=0.02m，計(jì)算結(jié)果如下：

根據(jù)上述表格，可以看出，當(dāng)di一定時(shí)，壓降損失逐漸增大時(shí)，每程管數(shù)和換熱器體積會(huì)逐漸減小，壓損換熱率會(huì)降低。

在壓降損失不斷變化的情況下，取di=0.02為最小值，其計(jì)算結(jié)果如下：

根據(jù)上表，我們可以看出，當(dāng)在壓降損失不斷變化的情況下，取di=0.02為最小值，且另外兩個(gè)di的取值分別為0.025、0.030，這時(shí)，每程管數(shù)逐漸減小，換熱體積逐漸增大，壓損換熱率會(huì)增大，并有最佳換熱體積以及壓損換熱率。

通過該管殼式換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例的詳細(xì)分析，可以看出，采用本文的管殼式換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，可以獲得最佳的換熱體積以及壓損換熱率，能夠?qū)崿F(xiàn)管殼式換熱器對(duì)壓降效果的有效控制，保證管殼式換熱器的良好性能，進(jìn)而提高換熱器的換熱效果。

綜上所述，管殼式的優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅合理確定殼體類型、換熱管尺寸以及管束布置等，還應(yīng)合理選擇折流板切割率的初始值，同時(shí)還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)傳熱膜以及壓力降情況的準(zhǔn)確計(jì)算和分析，充分發(fā)揮管殼式換熱器的作用，從而達(dá)到管殼式換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的，使其能夠更好的應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中。

3.小結(jié)

總之，管殼式換熱器作為化工、動(dòng)力、冶金制冷行業(yè)的通用設(shè)備，對(duì)各行各業(yè)的發(fā)展具有重要作用，所以必須不斷的對(duì)管殼式換熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使管殼式換熱器能夠有效控制壓降，實(shí)現(xiàn)良好的換熱效果，筆者認(rèn)為這還需要我國(guó)相關(guān)工作者堅(jiān)持不懈的努力，加強(qiáng)對(duì)管殼式換熱器的不斷研究，這樣才能促進(jìn)我國(guó)工業(yè)持續(xù)、不斷的發(fā)展。

［1］吳健.管殼式換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［J］.廣州化工，2015，01：137-139.

［2］賴家鳳.管殼式換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.化工管理，2015，12：133.

［3］蔣連勝.基于管殼式換熱器設(shè)計(jì)與制造的相關(guān)研究［J］.廣東化工，2015，12：185+169.