管殼式換熱器的設計和選用

呂純真 中國石油廣東石化公司

一、前言

管殼式換熱器是最典型的間壁式換熱器，它在工業上有著悠久的歷史，在煉油行業中有著廣泛的應用。

二、管殼式換熱器的結構

管殼式換熱器主要有殼體、管束、管板、和封頭等部分組成，殼體多成圓形，內部裝有平行管束，管束兩端固定于管板上。在管殼式換熱器內進行換熱的兩種流體，一種在管內流動，其行程稱為管程；一種在管外流動，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。

為提高管外流體給熱系數，通常在殼體內安裝一定數量的橫向折流擋板。折流擋板不僅可以防止流體短路、增加流體速度，還迫使流體按規定路徑多次錯流通過管束，使湍動程度大為增加。常用的擋板有圓缺形和圓盤形兩種，前者應用更為廣泛。

三、管殼式換熱器的性能

在管殼式換熱器內，由于管內外流體溫度不同，殼體和管束的溫度也不同。如果兩者溫差很大，換熱器內部將出現很大的熱應力，可能使管子彎曲，斷裂或從管板上脫落。因此，當管束和殼體溫差超過50℃時，應采取適當的溫差補償措施，消除或減少熱應力。根據所采取的溫差補償措施，換熱器可分為固定管板式、浮頭式、U形管式三種，其中浮頭式換熱器中兩端的管板有一端可以沿軸向自由浮動，這種結構不但完全消除了熱應力，而且整個管束可以從殼體中抽出，便于清洗和檢修。

四、管殼式換熱器的設計和選用

（一）設計計算的大致步驟

1.首先由傳熱任務計算換熱器的熱流量（通常稱之為熱負荷）

2.作出適當的選擇并計算平均推動力△tm；

3.計算冷熱流體與管壁的對流給熱系數及總傳熱系數K；

4.由傳熱基本方程Q=KA△tm計算傳熱面；

其中，Q為換熱量，K為傳熱系數，A為換熱面積，△tm為平均推動力即溫差的對數平均值。

（二）設計計算中參數選擇

由傳熱基本方程式可知，為確定所需的傳熱面積，必須知道平均推動力△tm和傳熱系數K。為計算平均溫差△tm，首先必須選擇流體的流向及冷卻介質的出口溫度。為求得傳熱系數K，需決定冷、熱流體各走管內還是管外及適當的流速。同時，還必須選定適當的污垢熱阻。

五、管殼式換熱器的選型原則

（一）流向的選擇

當冷、熱流體的進出口溫度相同時，逆流操作的平均推動力大于并流，因而傳遞同樣的熱量所需的傳熱面積較小。如果換熱器的目的是單純的冷卻，逆流操作時，冷卻介質溫升可選擇得較大，因而冷卻介質用量可以較小。如果換熱器的目的是回收熱量，逆流操作回收的熱量溫位可以較高，因而利用價值較大。顯然在一般情況下，逆流操作總是優于并流，應盡量采用。但是，對于某些熱敏性物料的加熱過程，并流操作可避免出口溫度過高而影響產品質量。除逆流和并流之外，管殼式換熱器中，冷、熱流體還可作各種多管層多殼層的復雜流動。當流量一定時 ，管層數或殼層數越多，給熱系數越大，對傳熱過程有利。但是，多管層或多殼層必導致流體阻力損失。

（二）冷卻介質出口溫度的選擇

冷卻介質出口溫度越高，其用量可以越少，回收的能量價值也越高，同時，輸送流體的動力消耗即操作費用也減小。但是，冷卻介質出口溫度越高，傳熱過程的平均推動力△tm越小，傳遞同樣的熱流量所需的加熱面積A也越大，設備投資費用必然增加。因此，冷卻介質的選擇是一個經濟上的權衡問題。

（三）流速的選擇

流速的選擇一方面涉及傳熱系數K即所需傳熱面的大小，另一方面又與流體通過換熱面的阻力損失有關。因此，流速選擇也是經濟上權衡得失的問題。但不管怎樣，在可能的條件下，管內外都必須盡量避免層流狀態。

此外，在選用和設計管殼式換熱時，還必須考慮以下問題：

1.不潔凈和易結垢的液體宜在管層，因管內清洗方便；2.腐蝕性流體宜在管層，以免管束和殼體同時收到腐蝕；3.壓強高的流體宜在管內，以免殼體承受壓力；4.被冷卻的流體宜走殼層，便于散熱；5.飽和蒸汽宜走殼層，因飽和蒸汽比較清凈，給熱系數與流速無關而且冷凝液容易排出。

（四）換熱管規格和排列的選擇

換熱管直徑越小，換熱器單位容積的傳熱面積越大。因此，對于潔凈的流體管徑可取的小些。但對于不潔凈或宜結垢的流體管徑應取得大些 ，以免堵塞。考慮到制造和維修方便，加熱管的規格不宜過多。目前，我國實行的系列標準規定采用25mm×2.5 mm的管子，管中心距為 32mm和19 mm×2mm的管子，管中心距為25mm兩種規格，對一般流體是適應的。管長的選擇是以清洗方便和合理使用管材為準。我國生產的鋼管系列標準中管長有1.5m、2m、3m、4.5m、6m和9m六種 ，其中以3m和6m更為普遍。

管子的排列方式有等邊三角形和正方形兩種。與正方形相比，等邊三角形排列比較緊湊管外流體湍動程度高，給熱系數大。正方形排列雖 比較松散，給熱效果也較差，但管外清洗方便，對易結垢流體更為實用。

結論：管殼式換熱器在石油化工生產中，可作為加熱器、冷卻器、蒸發器和再沸器等，操作彈性大，允許操作壓力和溫度范圍較寬，檢修方便，在所有換熱器中占據主導地位。