管殼式換熱器的工藝設計方法

潘建東

（北京石油化工工程有限公司西安分公司，西安 710075）

在現代石油化工領域，換熱器的使用十分普遍，這主要是因為換熱器具有良好的換熱能力，能夠充分滿足石油化工企業的生產要求。在各種換熱器中，管殼式換熱器又是最為常用的一種，其被廣泛運用到原油加熱器、燃料預熱器、空氣冷卻器等多種設備中。管殼式換熱器，功能的發揮取決于其設計工藝，不同方式設計出的換熱器其性能也存在差異，這就需要對其工藝設計方法加以深入研究分析。

1 管殼式換熱器概述

管殼式換熱器就是通過封閉殼體中管束的壁面進行換熱的一種裝置。這種結構的換熱器在制作與操作上都十分漸變，且多種材料都可以用于制作管殼式換熱器，所以其在現代化工領域中的應用最為普遍。從其結構形式看，管殼式換熱器主要包含殼體、傳熱管束、管板、折流板以及管箱等。其中換熱器的殼體通常為圓筒形狀，殼體內部安裝并固定管束。換熱過程是依靠管束內流動的冷熱流體實現。為了進一步提升管程流體的傳熱系數，人們在殼體內安裝上擋板，通過擋板來加快殼程流體流速并增加流體的路程，最終達到更好的換熱效果。在管束的排列上，換熱器通常采用三角形或正方形的排列方式，其中三角形排列更為緊湊，而正方形排列則更容易對管束進行清理。

隨著人們對管殼式換熱器研究的不斷深入，逐漸研發出多種類型的管殼式換熱器，如固定管板式、浮頭式、U 形管式等，而這三種也是目前石油化工領域應用最多的類型。

固定管板式換熱器即將管束固定在管板上，管板直接焊接在殼體上。這種換熱器就是最常見的換熱器類型，其結構簡單且緊湊，更擁有良好的承壓能力以及造價優勢，同時容易進行后期養護工作。但這種換熱器也有其弊端，即一旦管束與殼體壁溫或材料線脹系數出現過大差距，則殼體與管束內部將產生較大熱應力，從而對換熱器本身造成損害。因此該類型換熱器通常需要增設一定的柔性元件來更好地吸收這種熱膨脹差，以保證換熱器的正常運行。

浮頭式換熱器在對管板進行固定時僅固定一端，而另一端則處于一種可以自由運動的狀態，所以就構成了一種浮頭。這種浮頭不但可以拆接，更能夠從殼體內抽出。其優點在于管束與殼體在受熱后產生的形變并不會相互約束，所以其產生的熱應力幾乎不存在。另外，這種換熱器也十分容易清理。但相較于固定管板式換熱器而言，這種換熱器的結構更為復雜，且成本更高，換熱器整體外形笨重，對使用條件有更多要求。因此，浮頭式換熱器多被用于殼體與管束間壁溫相差較大的生產條件下。

U 形管式換熱器是因其管束的獨特U 型形狀而得名。這種換熱器殼體內僅有一塊管板，U 型管的兩端都固定在這塊管板上，且管子本身是可以伸縮的。這種設計也可以減少熱應力的產生。但是因為U 型管受自身彎曲率半徑的限制，所以其能夠設置的管束數量十分有限，管束之間的間距要也較大，難以對管板進行充分利用。同時殼程流體容易形成短路，進而影響傳熱效果。這種換熱器的結構同樣十分簡單，且造價較低，也擁有良好的承壓能力，因此其在管、殼壁溫相差較大以及殼程介質容易結垢條件下也可以使用。

2 管殼式換熱器工藝設計方法

管殼式換熱器的設計是一項專業性、系統性的工作，其設計中需要考慮到多方面問題，這就需要對其工藝設計進行梳理和分析。此處主要圍繞設計方案、設計方法、工藝計算結果分析與選擇三方面展開分析。

2.1 設計方案的制定

在制定換熱器設計方案時，通常需要結合實際情況做好資料的收集工作，然后再對換熱器結構形式、流體流動通道、污垢熱阻以及壓力降進行合理的確定。

資料收集工作是管殼式換熱器設計的第一個階段，也是一項基礎性工作。資料收集過程中需要全面收集換熱器功率、熱負荷、壓力、溫度、允許壓力降、冷熱流體進出口溫度與組分等參數，同時還需要搜集換熱器使用場合的相關數據來為換熱器尺寸的確定提供依據。

換熱器的結構形式設計則需要依據前期搜集到的冷熱流體溫度、壓力、腐蝕以及結垢等信息來進行科學選型。同時因每種換熱器其所適用的場合也存在差異，所以還需要結合實際使用場合與需求來進行換熱器類型的選擇。

流體流動通道的設計上需要解決好不同流體所走管程與殼程的問題，同時要兼顧其換熱效率和成本。具體而言流體流動通道確定過程中需要以掌握以下規律和要求：①管程內應流動潔凈且不易結垢的流體、腐蝕性流體、高壓力流體；②飽和蒸汽、冷卻流體、流量小且黏度大的流體走殼程；③流體間溫差較大且換熱器結構為剛性結構時其熱系數大的流體應走殼程。

流體污垢熱阻的確定則需要考慮到預期的操作目標以及后續維護工作的各項基礎條件，同時嚴格參照國家相關污垢熱阻標準進行科學確定。

壓力降的確定則需要考慮到流體流速、傳熱系數、換熱器結構緊湊性等要素間的關系和影響作用，然后據此確定出壓力降的合理范圍。

2.2 設計方法

在具體的管殼式換熱器工藝設計方法上，目前國際上已經產生了多套設計方法，且其設計工藝逐漸優化，對管殼式換熱器的發展產生了較大推動作用。

Donohue2Donohue 法是一種于20世紀30年代誕生的一種基于理想管排數據的殼側傳熱系數計算方法，其考慮到流體傳熱與流動阻力的相互制約關系，并在設計時對這兩反面數據進行綜合考慮，因此該設計方法是一種綜合設計方法，同時也是最早的綜合設計法。

Kern 法則進一步對Colburn2Donohue 進行了完善，將殼程與管程流動、溫度分布、污垢和結構等也納入設計的考慮范圍內，從而形成了一種更為完善的綜合設計思路。該方法極大推動了今天的管殼式換熱器的研發工作。

Bell2Delaware 法主要是通過大量實驗數據將不同流路的校正系數也運用到實際設計中，從而使管式換熱器設計的精確度更高。

流路分析法則是對Bell2Delaware 法的一種改進，其主要采取計算殼側壓降的方法來進行流路，且能夠與計算機運算相互結合。

基于計算流體動力學的設計方法則是在現代計算機技術發展下誕生的一種設計方法，并為今天的設計方法提供了基礎。該設計方法經歷了三個階段的發展，而目前以流體動力學與數值傳熱學為計算基礎的設計方法仍處于研究階段。但依靠計算機輔助設計系統和工程最優化理論而進行的程序化設計則已經在今天的管殼式換熱器設計中得到了較多應用，并開發出了多種軟件。

2.3 計算結果的分析和選擇

在利用設計方法計算出管殼式換熱器的相關參數后，因計算結果的組合較多，所以設計過程中還需進行結果的分析，然后結合技術經濟學理論與實際使用要求來對計算結果組合進行科學選擇。

（1）換熱器直徑。換熱器直徑需要從現有各種標準系列的換熱器產品中進行選擇。當前已經形成的換熱器直徑標準如表1所示：

表1 換熱器直徑標準系列（mm）

在直徑的選擇上，通常不建議選擇標準系列2中的直徑系列。

（2）換熱管長度。換熱管長度的標準同樣有多種，而目前使用最多的則是1 500、2 000、3 000、6 000（mm）的換熱管。同時要確保其管長盡可能滿足其模數需求即可，以避免造成材料浪費。此外，換熱管的長度也需要與換熱器直徑參數匹配起來。一般情況下兩者的比應該控制在4～25，且以6～10 為最佳。

（3）管殼程程數。管程與殼程的程數也是設計中在分析結果時需要考慮的問題。其中管程程數的多少都會影響流動阻力以及動力能耗，如程數過多則流動阻力與動力能耗都會加大，且傳熱溫差也會變小，所就需要結合換熱器面積情況和程數的影響作用尋求一種程數上的平衡。殼程程數的確定需要結合其占地面積情況、制造難度以及安裝與檢修難度進行綜合分析。

（4）傳熱系數。傳熱系數通常與換熱器面積存在反比關系，所以在分析計算結果時就需要將總傳熱系數的計算結果與設計手冊內的經驗值進行比對，從而將兩者的誤差加以控制，保證其誤差在±25%以內。

（5）流體流速。該參數是實際設計中變化最復雜的。通常情況下會盡可能地提升換熱器流速，這是因為流速的提升能夠使傳熱系數增大，進而有助于傳熱面積的降低。同時流速的提升也能夠減少污垢的產生。但流速提升也會影響到流體流動阻力與動力消耗，因此在分析結果時就需要綜合正負兩方面影響進行分析，并將結構要求也考慮在內。

（6）管束振動。這一方面問題的解決通常可以直接依靠換熱器設計計算軟件，同時將國家的相關技術標準作為參考。

（7）設計余量。設計余量是基于換熱器工藝計算時通常都會存在一定的偏差，而這將影響換熱器使用效果。因此為了避免這種影響對換熱器設計和最終的使用效果造成過大的負面作用，就需要設計人員在計算結果上保留一定的設計余量。通常這個設計余量應控制在10%～20%。

3 結語

綜上所述，管殼式換熱器工藝設計是十分復雜的，其既需要做好前期的資料搜集和設計方案的制定工作，也需要結合現有的先進設計方法進行計算，并對計算結果進行分析，然后綜合各方面因素選擇出最佳的結果組合，從而確保管殼式換熱器設計的科學合理性。