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域常用的一種管殼式換熱器，典型結構如圖1所示，它的結構相對簡單，只有一塊管板，管束由多根U形管構成，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也不會產生熱應力，常見型式有BKU、BEU、BFU等。U形管式換熱器應用范圍較廣，可用于高溫、高壓、壁溫差大、殼程結垢較嚴重、管程易腐蝕等場合，造價相較其他型式低且不易發生內漏、檢修相對簡單、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別在于管束結構，換熱管布置時需要考慮換熱管的最小彎曲半徑，進而影響相同空間下的換熱管布管數，因此可容納的換熱管數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形彎管段面積計入有效換熱面積，以準確評估換熱器性能，優化換熱器設計。

圖1 典型U形管式換熱器示意圖

1 換熱面積標準定義

目前，管殼式換熱器設計遵循的標準主要有TEMA標準、API 660標準和GB 151標準。

TEMA標準(Standards of the Tubular Exchanger Manufacturers Association)為美國管式換熱器制造商協會標準，是關于管殼式換熱器設計、制造和檢驗的權威標準，TEMA標準已獲得世界范圍內的認可，最新版本為2007年12月發布的第9版[1]。

API 660標準(API Standard 660 - Shell-and-Tube Heat Exchangers)為美國石油學會制定并發布的標準，涵蓋了石油石化行業對管殼式換熱器的機械設計、材料選擇、制造、檢驗、測試和運輸的具體要求，用于補充TEMA標準，比TEMA標準規定了更為詳細的要求，最新版本為2015年3月出版的第9版[2]。

GB 151標準為中國全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會負責制定和歸口的熱交換器標準，用以規范在中國境內建造或使用的熱交換器設計、制造、檢驗和驗收的相關技術要求，標準編制參考了TEMA標準和API 660標準等標準技術內容，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，標準性質由強制性改為推薦性[3-4]。

TEMA標準第9版并未明確給出有效換熱面積定義。API 660標準第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標準GB/T 151-2014中3.2條定義：換熱面積(heat transfer area)，a)計算換熱面積，以換熱管外徑為基準，扣除不參與換熱的換熱管長度后，計算得到的外表面積，b)公稱換熱面積，圓整為整數后的計算換熱面積[3]。舊版標準GB 151-1999中3.71條定義：計算換熱面積，以換熱管外徑為基準，扣除深入管板內的換熱管長度后，計算得到的管束外表面積；對于U形管式換熱器，一般不包括U形彎管段的面積[4]。

對于U形管式換熱器，我國還制定了推薦性標準GB/T 28712.3-2012(熱交換器型式與基本參數 第3部分：U形管式熱交換器)，該標準指出計算換熱面積 由式(1)確定[5]：

(1)

式(1)中， d為換熱管外徑(mm)，L為U形換熱管直段長度(mm)，δ為管板厚度(mm)，l1為換熱管伸出管板長度(mm，設定為3)，n為U形換熱管根數?？芍?，該計算公式并未計及U形彎管段面積，鑒于該標準先于GB/T151-2014頒布，其引用的GB 151標準仍為GB 151-1999，故其參照GB 151-1999規定“對于U形管式換熱器，一般不包括U形彎管段的面積”，該公式沒有計算U形彎管段面積，采用此法計算換熱面積用于換熱器設計相對保守。

綜上所述，最新國內外標準雖然沒有直接明確U形彎管段面積是否計入換熱面積，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U形彎管段參與換熱的情況時需要特別考慮。文獻[6]也指出：計算換熱面積實際上表征了參與換熱的換熱管外表面積，計算時應扣除不參與換熱的換熱管長度，包括管程和殼程不參與換熱的換熱管長度，如深入管板內的換熱管長度，換熱管襯管長度；對于U形換熱管的彎管段面積是否計入，根據彎管段的殼程流體流動情況具體確定。

因此，對于U形彎管段面積：(1)未參與換熱，則不計入有效換熱面積；(2)參與換熱，則應計入有效換熱面積。對于大多數的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，即此處換熱與直管段相比效果很差，故一般不計入換熱面積。但是，當殼程進、出口位置設計合理，U形彎管段都參與換熱過程，則彎管段面積應計入換熱面積，特別是對于大中型換熱器，U形彎管段面積占有較大比例，是否計入此部分面積對換熱計算影響很大。對于殼程為相變傳熱，如冷凝器(比如立式BEU型式換熱器)或是釜式蒸發器(比如常見的BKU型式換熱器)，此時U形彎管段全部參與換熱，U形彎管段面積應計入有效換熱面積。對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，則應計入彎管段面積。

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)在滿足換熱器設計要求的前提下，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)無法減少中心換熱管U形彎的彎曲半徑時，通過交叉布管方式多布管。

文獻[7]指出，從經濟性方面分析，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形管彎曲半徑規格數較少，相應彎制U形管的模具及人工等費用較少，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條規定：U形彎的平均半徑不應小于換熱管公稱外徑的1.5倍。對于馬氏體不銹鋼、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小于換熱管公稱外徑的2.0倍[2]。

可見，API Standard 660 - 9th Edition標準規定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，相同管板相應布管范圍會有所增加，文獻[8]詳細論述了U形管束的彎曲半徑確定方法，指出采用管內填充法和預變形法都能彎制出相對彎曲半徑小到1.5的U形管。工程項目實踐中發現國外專利商設計的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一步減少最內層管孔間距，從而實現多布管來達到增加換熱面積的目的，使換熱設備更加緊湊、經濟。

圖3 U形換熱管的最小彎曲半徑 示意圖

圖4 U形管式換熱器最內層布管示意圖

3 實際案例

結合實際案例，采用美國傳熱研究公司(Heat Transfer Research Inc.)開發的HTRI V7.3.2軟件計算，對比分析某U形管式換熱器不同方案計算結果。

表2 鍋爐水冷卻器設計參數

如表2所示，某裝置需要設計一臺鍋爐水冷卻器，該換熱器的任務是把128.71℃的鍋爐水冷卻至40℃，采用的冷卻介質是33℃的循環水，工藝要求循環水出口溫度為40℃，需要冷卻的鍋爐水量為12000 kg/h。根據工藝要求及結合工程經驗，換熱器選型為臥式BEU，循環水走管程，換熱管材質為不銹鋼(SS316)，鍋爐水污垢系數取0.000172m2·K/W，循環水污垢系數取0.000344m2·K/W。經HTRI計算，殼徑定為600 mm，U形管直管段長定為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，相對流體流動方向折流板為垂直切割，折流板切割率為25%，殼側入口處加防沖擋板，如圖5所示鍋爐水冷卻器外形圖，然后通過改變其他結構參數得到不同方案計算結果見表3。

表3 不同方案HTRI軟件計算結果

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形換熱管直段長度(mm)，δ為管板厚度(mm)， l1為換熱管伸出管板長度(mm，通常設定為3)，n為U形換熱管根數。

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統計了實際項目中所設計的蒸汽發生器(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.殼徑指管板側殼體直徑，管長指U形管單側直管段長度，限定圓直徑、管板厚、總有效換熱面積Aeff.均摘自HTRI計算報告;2.本表中總U形彎管段面積A2參考式(2)計算得到，也可根據換熱器布管情況逐排計算U形彎管段面積加和獲得。

由表4可見，大殼徑U形管式換熱器的U形彎管段面積占比較大，高達10%以上。因此，對于殼程為冷凝或蒸發的相變傳熱情況，由于U形換熱管彎管段和直管段對換熱起著同樣重要的作用，應嚴格計算U形彎管段面積，以準確評估換熱器性能、優化設計。

4 結語

綜上所述，對于U形管式換熱器彎管段面積是否計入有效換熱面積，應根據具體情況分析判斷：(1)未參與換熱，則不計入有效換熱面積；(2)參與換熱，則應計入有效換熱面積。在進行U形管式換熱器設計時，在滿足換熱器設計要求的前提下，應盡量采用30°正三角形布管，最中心布置的換熱管采用相對彎曲半徑更小的U形管，以及中心換熱管采用交叉布管方式，這樣設計的換熱設備更加緊湊、經濟。對于殼程為冷凝或蒸發的相變傳熱情況，由于U形換熱管彎管段和直管段對換熱起著同樣重要的作用，應嚴格計算U形彎管段面積，以準確評估換熱器性能、優化設計。