固定管板換熱器的設計

謝曉宇 唐維維

摘 要：換熱器是進行熱交換操作的通用設備，廣泛應用于化工、石油、醫藥和制冷等行業。本文對固定管板換熱器的設計進行分析。

關鍵詞：固定板；換熱器；設計

引言

固定管板式換熱器具有結構緊湊、承壓能力強、換熱效率高等優點， 但當管束材料的線膨脹系數或管殼程溫差較大時會產生局部熱應力， 影響管板與換熱管間的連接密封性。管板是其換熱器主要的承壓元件，換熱管、管箱、筒體等構成復雜的彈性體系。

一、換熱器概述

換熱器是在實際工業生產中用于物料之間進行熱量交換的換熱設備，在大型化工廠以及石油化工企業中廣泛應用，通過各種換熱器的組合，高效地利用各種流體的能量，使產品的單位能耗下降，由此可以通過生產成本的降低來得到更為高效的經濟效益。最近幾年，國家對能源需求不斷提高，節約能源成為時代主流，對于換熱器節約能源的要求也與日俱增。為響應國家號召，對于換熱器新的結構設計和增大傳熱面積，高效利用能源的研究蓬勃發展，一些新研發的換熱器被應用到實際生產中。

二、換熱器的選擇

換熱器按照結構形式可分為：浮頭式換熱器、固定管板式換熱器；U形管換熱器；填料函式換熱器等。固定管板式換熱器主要零部件有殼體、管箱、管板、換熱管、法蘭、封頭等一系列，結構簡單，制造成本低，應用較為廣泛。

固定管板式換熱器特有優點：1）旁路滲流維持在較低水平；2）用料較少，制造成本低廉；3）不易發生內部泄漏；4）換熱面積大，較浮頭式換熱器換熱面積提高20%～30%。本設計中介質為，水與水蒸氣，無明顯相變和腐蝕性流體，故本設計采用固定管板式換熱器。

三、固定管板換熱器傳熱效率設計

設計人員在對固定管板換熱器進行設計的過程中，除了需要按照相關的規定來布管外，更要考慮到換熱器的傳熱效率。影響換熱器傳熱效率因素包括介質流動線路與防短路設置，折流板間距，殼體與管束進、出口結構設計以及殼程接管進、出口處流通面積。首先要求設計人員嚴格相關工藝設計參數來確定介質在換熱器內的流速，然后再根據流速狀況對折流板弓高以及間距進行設計，從而提高傳熱效率。

3.1介質流動線路與防短路設置

設計人員在對固定管板換熱器進行設計的過程中，只需要嚴格按照相關的規范來確定殼程圓筒與折流板之間的間隙距離，便能顯著地避免出現介質短路的狀況。一般來說，設計人員為了改變介質的流動方向，會對殼程介質中的流動路線采用弓形折流板的方式，主要目的在于其能垂直于管束流動，從而能夠在應用的過程中獲得較好的傳熱效果。而折流板的弓形缺口大小能夠在一定程度上對介質流動阻力造成影響，相關規定中對弓高尺寸的范圍規定為圓筒內直徑的0.20倍～0.25倍。但在設計的過程中不可在此范圍內任意地選取。這是由于，若選取值過小，會導致在殼體中增加介質的流速。盡管可能會在一定程度上提高傳熱系數，但會增加流動阻力及壓力降，造成在各項工藝參數不變的情況下介質通過殼程的流量減小，這就要求設計人員在結構設計的過程中將其壓降控制在工藝設計要求范圍內。若取值過大，則會在一定程度上增加流體停滯區，并且縮小換熱管的有效換熱長度。因此，設計人員在設計折流板需要切除的弓高時，必須通過精準的計算來決定。

3.2折流板間距

折流板間距的大小也會在一定程度上影響傳熱效率。若折流板間距過小，則會在一定程度上增加殼程介質的流速，從而能夠有效地提高傳熱系數，但也會造成泄漏量增加，從而增大壓降。因此，設計人員在設計時需要考慮傳熱與壓降的均衡性。一般來說，折流板間距不得低于30%Di。若折流板間距過大，則會在一定程度上增加殼程介質的軸向流，從而進一步擴大介質在殼體內的流體停滯區，最終減小換熱器的有效傳熱長度。相關的標準規定，折流板最小間距一般不得低于圓筒直徑的1/5，且控制在50mm以上。因此，設計人員要根據產品的具體情況進行合理規定，最為合理的方式是通過折流板缺口處的縱向流通面積來確定。一般來說，折流板缺口軸向流通面積需要大于或等于縱向流通面積。

3.3殼體與管束進、出口結構設計

設計人員在設計的過程中需要按照相關規定來對殼體進、出口面積進行準確計算，若在設計的過程中發現進、出口面積小于進口接管的流通面積，則表明此項結構設計不合理。并且也說明，殼程介質在殼體進、出口處具有較大的流動阻力，造成流動不暢通，增加了流速，從而影響傳熱效率。這就要求設計人員對結構進行重新設計，直至進、出口面積大于或等于進口接管的流通面積。設計者可以對進、出口布管方式進行調整，并且適當減少布管的數量。但如果大量減少換熱管數量，仍無法滿足相關工藝的要求，則需要通過加大殼體公稱直徑以及換熱管長度等方式來合理安排殼體進、出口面積與進口接管的流通面積。

3.4殼程接管進、出口處流通面積

設計人員在設計的過程中需要嚴格按照殼程進、出口接管與折流板的位置來確定殼程接管的進、出口流通面積。若發現殼程進口流通面積小于進口接管流通面積，則需要流體進入熱換器后增大流速；若殼程出口流通面積小于進口接管流通面積，則說明殼程介質的流通出現不暢通狀況，便會對傳熱效率造成影響。這時，設計人員需要對結構進行重新設計，對進、出口處折流板與管板之間的間距進行調整，以此來改變殼程進、出口接管與折流板的位置。

四、案例驗證

本公司采購的一臺換熱器，其相關的參數如下：換熱管長度為7500mm，殼程為30%鹽水，折流板間距為300mm，弓高為400mm，換熱管為15.8mm，管中心距離為20mm，布管數量為2780根，殼程進、出口接管公稱直徑為450mm，接管規格為480mm×10mm。換熱器投入實際應用中發現整個系統達不到設計相關要求，具有較低的效率。

由于采用的設備沒有防沖擋板，而根據其布管數量可以得知，DL=1180mm，h=（1200-1180）/2=10.0mm，F1與F2為1.0，管間距S=20mm，換熱管外徑d0=16.0mm。進、出口流通面積為：AS=460×10.0×π+（460×π/4）×（20-16.0）/（12×1）=144560mm2。殼程接管進、出口流通面積為：Ad=（460/2）2π=166190 mm2。As

五、結束語

設計人員在設計固定管板換熱器殼程接管的過程中，需要嚴格相關工藝設計參數來確定介質在換熱器內的流速，然后再根據流速狀況對折流板弓高以及間距進行設計，以此來獲得最佳的傳熱效果。

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