管壳式换热器的分类及工艺设计应用概述

王韧韧，王悦

（天津市化工设计院，天津 300193）

1 管壳式换热器的主要结构型式及使用条件

1.1 管壳式换热器的分类

常见的管壳式换热器（以下简称换热器）主要有：(1)固定管板式换热器；(2)浮头式换热器；(3)U形管式换热器；(4)釜式重沸器；(5)填料函式换热器。

以下分别介绍五种换热器的特点。

1.2 固定管板式换热器的主要特点

该换热器的特点是结构简单、紧凑、没有壳程密封的问题，而且往往是管板兼做法兰。

其适用于：(1)管、壳程温差较大，压力不高的工况；(2)管、壳程温差不大，压力较高的工况；(3)壳程介质干净；或虽会结垢，但通过化学清洗能去除的工况；(4)布管多，锻件少，一次性投资低的工况。

最大的缺点是：换热管与壳体间的金属壁温差会引起温差应力。

1.3 浮头式换热器的主要特点

适用于：(1)壳程易结焦及堵塞的工况；(2)大温差的工况。

对于浮头式换热器，其固定端的一块管板大多是以螺栓、垫片夹持在壳程和管箱法兰之间。计算模型是把管板的布管区视为弹性基础上受管孔均匀削弱的圆平板，管板外周不布管部分视为环板，承受均布载荷。

此类换热器也有缺点，如：浮头结构复杂，影响排管数；处于壳程介质内的浮头密封面操作中发生泄漏时很难采取措施；试压胎具复杂等。

1.4 U形管式换热器的主要特点

在换热器中是唯一适用于高温、高压和高温差的换热器。

特点是：(1)可用于高温差；(2)结构简单且泄漏点少；(3)可以进行抽芯清洗；(4)比固定管板换热器排管略少。

缺点是：管程流速太高时，将会对U形弯管段产生严重的冲蚀，（尤其是半径小的管子）影响寿命；换热管泄漏时，除外圈U形管外，其余不能更换，只能堵管。

1.5 釜式重沸器的主要特点

釜式重沸器的管程采用U形或浮头管束，壳程为单（或双）斜锥具有蒸发空间的壳体，一般为管程介质加热壳程介质，故管程的温度和压力比壳程高，适用于：(1)管、壳程温差大的工况；(2)一般管程压力比壳程高，可采用T翅或表面多空强化传热管；(3)塔底空间较小的工况；(4)气化率较高的工况（30%～80%）；(5)重沸工艺介质的液相作为产品或分离要求高的工况；(6)用作蒸气发生器，对蒸气品质要求不高，安装空间受限制。

1.6 填料函式换热器的主要特点

填料函式换热器是另一种浮头式换热器，它的浮动端采用填料密封浮动管板（裙）可在填料函内填料的压力下，自由滑动，以补偿换热管与壳体的膨胀差量。

这类结构直径不能太大，压力一般不高于2.5MPa，且不能用于贵重介质及危害介质，当介质危害不是太大时，也可以采用双填料函密封加以弥补，之所以目前还有使用是因其解决温差应力的成本较低。

2 管壳式换热器的设计

在初步选定换热器形式后，确定换热器的几何参数至关重要。

由传热量公式：Q=KA△t

（Q为传热量；K为传热系数；A为传热面积；△t为平均温差）可知：增加K、A和△t值，均可提高Q值。其中最主要的是提高K值。

性质决定结构。有了这一目标，就使我们在设计过程中将重点放在合理提高传热系数，来改善换热器的传热效果。

2.1 管壳式换热器设计计算中的主要设计软件

国内使用的换热器计算软件主要是HTFS(Heat transfer and Fluid Flow Service)和HTRI(Heat Transfer Research，Inc.)，也可以应用 ASPEN PLUS 对换热器进行设计、核算和模拟。我们计算使用的软件主要是ASPEN PLUS以及HTRI，以下对这两款计算软件的特点做一下简单介绍。

2.1.1 HTRI

HTRI是美国热传递研究公司推出换热器计算程序，有设计、校核、模拟三种计算模式，可以进行管壳式换热器、板式换热器、套管式换热器、加热炉、空冷器、螺旋板式换热器等不同形式换热的计算。

HTRI程序中壳体形式为TEMA标准的E、F、G、H、J12、J21、X 和 K 型，换热管有光管、低翅片管、纵向翅片管和维兰德“GEWA—KS”管等多种形式，管程数为1～16，折流板形式单弓形、双弓形、窗口不布管形、拉杆形、螺旋板形、双螺旋板形等多种形式。

2.1.2 ASPEN PLUS

ASPEN PLUS是ASPEN工程软件包的一部分，该软件包是一套用于工艺过程设计、模拟及分析的综 合 工 具 ， 它 由 ASPEN HETRAN、ASPEN AEROTRAN和ASPEN TEAMS三个程序组成的集成软件。

ASPEN PLUS程序是用来设计在成本和性能方面最有效的换热器。程序提供详细的投资成本估算，包括材料及建筑成本。换热器部件的设计与国际设计代码是一致的，设计计算结果和图形可以直接给制造者用来换热器的制造。

2.2 换热器几何尺寸的确定

首先使用ASPEN PLUS模拟工艺物料的物性数据输入换热器形式、流体走向、流体温度、压力、流量及流股等基础数据进行设计性计算，初步计算出换热器的热负荷，冷热流股的物性数据，生成冷热流曲线，为下一步确定换热器的直径、换热管的长度、换热管标准管径和管间距、换热管排列方式、物料污垢系数等详细尺寸提供合理的数据。

其次将生成的冷热曲线导入HTRI进行设计计算，运算得出比较合适的换热器直径和换热管长，再进行授核型和模拟型计算，检验所选换热器是否满足设计要求。

2.3 需分析的计算结果

因传热过程与流体流动、物质传递、流体流动性质等密切相关，计算软件的数据存有误差，加之介质的污垢系数在选取时还有一定的偶然性等因素，故用软件计算后，计算结果有可能与实际选取的换热器有较大差别。即使工程上允许有一定的设计偏差，有时使用值比计算值甚至高出30%以上，但从节能减排方面看，要尽量符合实际，有余量但不能过高，这需要对计算结果进行以下几个方面的详细分析。

2.3.1 传热系数

分析导致热阻的主要原因。a）管程或壳程在热阻中起决定作用，应采取措增强湍动效果以提高传热系数；b）污垢亦产生热阻效应，应该采取有效除垢以提高传热系数。管壁热阻因在总热阻中对传热系数影响不大可忽略。

2.3.2 平均温差

平均温差是对数平均温差，但当多管程或多壳程时，需要修正平均温差。

2.3.3 流体流速

一般流体流速都有合理的范围，特别是对于甲类和乙类流体还要考虑安全流速是否合理，操作是否安全可靠。

2.3.4 流体压降

流体压降与流速有密切关联，重点分析压降是否合理，工艺要求是否满足。

2.3.5 振动

振动对于操作的安全性十分重要，因此在设计中对振动也要进行必要的量化分析。

对上述重要技术参数进行计算后，还要对换热器的长径比、介质走向、防冲板的设置、折流板间距、换热器清洗等工艺参数进行必要的考量，待一切参数均能满足工艺要求，换热器的整体设计才算完成。

3 计算中出现问题的解决

将经常出现的问题解决方法进行简单的阐述。

举例：

换热器名称：烷烃类产品冷凝器；换热器类型：管壳式换热器；冷流：水；热流：烷烃类产品；要求：热流压降要控制在3kPa以下，冷流的温差为6℃。

将冷热流的反应温度压力等操作条件及物流组成输入ASPEN PLUS后，将输出的数据及冷热流曲线导入HTRI，对于有腐蚀性、有毒性及容易结垢的介质一般走管程，所以首先确定水走壳程，烷烃类产品走管程。

ASPEN PLUS计算出换热器的热负荷为232kW，根据经验初步确定该换热器的TEMA type为BEM型，壳体内径为500mm，管长为3m，管程所选管子从经济合理的角度看，一般选φ19×2，管间距为25mm。布管的角度一般为30°，单管程。

由于该换热器为冷凝器，会有相变出现，所以折流板应选竖缺型折流板。折流板间距应为所选壳体直径的30%～60%，故应在150～300mm之间选取。

基本数据输入完毕，就可以让软件进行计算了。因为此台换热器需要严格控制压降，所以压降和流速成为重点考核的因素。

报告中如出现：

1）Data Check Message中提示说曲线中某些数据有错误，系统已经忽略了错误的数据。这就说明从ASPEN PLUS数据库导入的原始数据与HTRI数据库中的数据有所差别，如果想避免这样的问题，可以从HTRI数据库中查出该物质的相关物性数据，直接进行计算。

2）Runtime Messages中如提示管程压降过大，可通过减小管程流速来降低压力降。因为流速高则传热系数也高，同时压力降也增加。所以增大壳体直径，减小管长，增大进出口管径，从而减小管程的压力降。由于本换热器的压降值非常小，所以以上调整方法可能还不能达到工艺要求，还可以增加管子的直径，改用φ25×2.5，管间距为32mm，甚至可以两台换热器并联，在既满足换热面积的同时也满足了压力降的要求。

3）Runtime Messages中如提示壳程流速过大，则可通过适当减小折流板的板间距，减小壳体直径等。

最终将问题全部解决之后，可得以下结论：换热器的TEMA type为BEM，壳体内径为350mm，管长为2.5m，管程所选管子为φ25×2.5，管间距为32mm，布管的角度一般为30°，单管程；折流板应选竖缺型折流板，折流板间距为200mm。我们可以将软件中的 Heat exchanger rating data sheet以及 Dawings中的 Tube layout，exchanger dawing和 setting plan 直接导出用于换热器的生产制造。