管壳式换热器的工艺设计方法

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(1．天津工程职业技术学院，天津 300280；2．海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

换热器又称热交换器，在现代石油化工企业中，换热器的投资占全部投资的30%～40%。管壳式换热器具有单位体积内能够提供较大的换热面积、换热效果好、适应性强、操作弹性大、易制造、成本低、易于检修和清洗等优点，因此常被用作原油加热器、燃料气预热器、海水冷却器、天然气压缩冷却器、空气冷却器等广泛应用在石油化工领域。

一、管壳式换热器的类型

根据管壳式换热器的结构特点，常将其分为固定管板式、浮头式、U形管式、填料函式、滑动管板式、双管板式、薄管板式等类型。在石油化工企业应用较广的是前三种类型，下面简要介绍一下这三种类型管壳式换热器的结构特点及适用条件。

1.固定管板式换热器

固定管板式换热器的管束连接在管板上，管板与壳体焊接。其优点是结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换；缺点是当管束与壳体的壁温或材料的线胀系数相差较大时，壳体和管束中将产生较大的热应力。这种换热器适用于壳侧介质清洁且不易结垢、并能进行清洗、管程与壳程两侧温差不大或温差较大但壳侧压力不高的场合。为减少热应力，通常在固定管板式换热器中设置柔性元件(如膨胀节、挠性管板等)，来吸收热膨胀差。

2.浮头式换热器

浮头式换热器的两端管板中只有一端与壳体固定，另一端可相对壳体自由移动，称为浮头。浮头由浮头管板、钩圈和浮头端盖组成，是可拆连接，管束可从壳体内抽出。管束与壳体的热变形互不约束，因而不会产生热应力。浮头式换热器的特点是管间和管内清洗方便，不会产生热应力；但其结构复杂，造价比固定管板式换热器高，设备笨重，材料消耗量大，且浮头端小盖在操作中无法检查，制造时对密封要求较高。适用于壳体和管束之间壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。

3.U形管式换热器

U形管式换热器的结构特点是，只有一块管板，管束由多根U形管组成，管的两端固定在同一块管板上，管子可以自由伸缩。当壳体与U形换热器有温差时，不会产生热应力。由于受弯管曲率半径的限制，其换热管布管较少，管束最内层管间距较大，管板的利用率较低，壳程流体易形成短路，对传热不利。当管子泄露损坏时，只有管束外围处的U形管才便于更换，内层换热管坏了不能更换，只能堵死，而且坏一根U形管相当于坏两根管，报废率较高。U形管式换热器结构比较简单、价格便宜、承压能力强，适用于管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢需要清洗、又不适宜采用浮头式和固定管板式的场合。特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料。

二、设计方案的确定

1.资料收集

管壳式换热器工艺设计计算前需要收集的资料和基本参数有：换热器的功率或热负荷(冷或热流体的流量)、设计压力、设计温度、允许压力降和冷热流体的进出口温度、组分及其物理参数，换热器允许尺寸(成橇尺寸)等。

2.确定换热器的结构形式

在基本资料收集完毕之后，就需要根据冷热流体的温差、压力、腐蚀和结垢等性质选择合适的换热器型式。每种换热器都有其适合的场合，本文前面介绍了固定管板式、浮头式和U形管式换热器的结构特点和适用条件，可作为确定换热器结构型式的参考。

3.确定合适的流体流动通道

要使换热器正常而有效地工作，就必须慎重地确定流体的流动空间，即确定哪种流体走管程，哪种流体走壳程。正确合适地选择流动空间，对于提高换热器的效率，降低成本有很重要的意义。在管壳式换热器流体流动通道选择中可根据以下原则：

(1)不洁净和易结垢的液体宜在管程，因管内清洗方便(除U形管)；

(2)腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受到腐蚀；

(3)压力高的流体宜在管程，以免壳体承受压力；

(4)饱和蒸汽宜走壳程，因饱和蒸汽比较清洁，一般给热系数与流速无关，而且冷凝液容易排出；

(5)被冷却的流体宜走壳程，便于散热；

(6)若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，宜将给热系数大的流体通入壳程，以减少热应力；

(7)流量小而粘度大的流体一般以壳程为宜，因在壳程Re>100即可达到湍流，如流动阻力损失允许，将这种流体通入管内并采用多管程结构，反而能得到更高的给热系数。

在实际工艺设计过程中，上述要求往往不能同时满足，此时，应结合设计任务考虑其中的主要问题，优先满足其中较为重要的要求。

4.确定流体的污垢热阻

一般情况下，流体污垢热阻系数对换热器传热系数有较大影响，因此污垢系数选取也直接影响到换热器的设计。为了保证换热器在操作周期内具有充足的换热面积以保持良好性能，设计时必须计入与预期的操作和维护条件相适应的污垢热阻。污垢热阻的选取可参考GB151-1999《管壳式换热器》附录F7。

5.确定压力降

影响压力降大小的因素很多，其中流体流速关系较大。增加流体流速，可增大传热系数，使换热器结构紧凑，但增加流速将增大换热器的压力降，并使磨蚀和振动破坏加剧，还会造成动力消耗增加。因此，在换热器的设计中要将压力降控制在允许范围之内。

三、工艺设计计算

在收集完相关资料，并初步确定换热器的设计方案之后，就要对换热器进行工艺设计计算以确定换热器的一些几何参数。

1.工艺设计方法的类别

目前，管壳式换热器的工艺设计计算方法有以下几种：

(1)Colburn-Donohue法。管壳式换热器壳程的传热和流动过程比较复杂，1933年Colburn首先提出了以理想管排数据为基础的壳程传热膜系数计算关联式。1940年，Donohue第一个提出了完整的管壳式换热器综合设计方法。它的传热计算式是对Colburn关联式的修正，因此，称为Colburn-Donohue法。

(2)Kern法。Kern法是在Colburn-Donohue法基础上进行的一些改进，它的主要特点是将设计作为一个整体来处理，即除传热外，同时还考虑壳程-管程流动、温度分布、污垢及结构等问题。是目前管壳式换热器设计的重要参考方法之一。

(3)Bell-Delaware法。此方法的特点是利用大量实验数据，引入了各流路的校正系数，是一种精确度较高的半理论方法。该法考虑了传热、流动与结构综合效应，但是其传热关联式中的系数与指数因由实验数据回归而得，故适用范围受到限制。

(4)流路分析法。为了克服Bell-Delaware法的局限性，美国传热研究公司(Heat Transfer Research，Inc.，简写HTRI)利用Tinker的流动模型和Delaware大学的实验数据，并引用自己的研究成果，提出了具有独创性的流路分析法。

(5)软件包设计法。建立换热器工艺设计的计算机辅助系统，以代替繁琐的手工设计；将工程最优化理论引入设计程序，建立换热器的优化设计包。如美国HTRI和英国HTFS(Heat Transfer and Fluid Flow Service，简称HTFS)等公司推出的设计软件包。

(6)CAD和CFD设计法。随着计算机技术的发展，计算机辅助设计法(CAD)和基于计算流体动力学(CFD)和数值传热学的设计方法，将是21世纪管壳式换热器的两种主要设计方法。

2.工艺设计计算步骤

目前管壳式换热器的工艺设计计算基本都采用专业的计算机软件。将工艺流体的基本信息和相关参数输入到软件中之后，就可以进行计算了。计算完成后，通常情况下软件会按费用最低等原则自动选择一组工艺计算方案。为了优化换热器的工艺设计方案，还要不断调整换热器结构的相关参数，从而得到最优的工艺计算方案。通过换热器的工艺设计计算，可以确定换热器的结构形式，管壳程数，筒体内直径，换热管长度、规格、间距、排列形式和根数，折流板缺口弓高、间距和块数等参数。

四、工艺计算结果的分析与选择

软件计算后的工艺计算结果一般会有很多组，作为设计人员我们应该站在设备技术经济学角度，依据工程实际，使换热器的寿命周期费用尽可能最低。以使最终的换热器达到重量最轻、效率最高、振幅或噪声最小、成本最低、耗能最小、动负荷最小为目标，对工艺设计结果进行分析和选择。以下是工艺计算结果分析和选择时应考虑的一些因素：

1.换热器直径

关于换热器的直径，目前国内已有的标准系列(mm)：150，200，250，300，(350)，400，(450)，500，(550)，600，(650)，700，800，900，1000，(1100)，1200，(1300)，1400，(1500)，1600，(1700)，1800，(1900)，2000，2200，(2300)，2400，2600，2800，3000，3200，3400，3600，3800，4000。凡是()记号的换热器直径，尽可能不选。若换热器直径小于400，可以选用无缝钢管制造换热器。可选用的无缝钢管外径规格有：159，219，273，325，(377)。

2.换热管长度

在换热器设计中基本采用下列管长(mm)1500，2000，2500，3000，4500，5000，6000，7500，9000，12000，最常用的管长为1500，2000，3000，6000四种。一般钢管长6m或12m，选取的换热管长度符合其模数就没有余量，比较节约材料。同时选用换热管长度时要注意与换热器直径相匹配，换热器的换热管长度与公称直径比在4～25之间，常用的为6～10，立式换热器多为4～6。

3.管壳程程数

(1)管程：当换热器的换热面积较大而管子又不能很长时，为提高流体在管内的流速，需将管束分程。但程数过多，导致管程流动阻力和动力能耗增大，同时使平均传热温差下降，工艺设计时应权衡考虑。

(2)壳程：换热器壳程程数的选择，应从两个方面考虑，首先，对于换热管很长的换热器，如果为了减少占地面积，可以采用双壳程结构。但是双壳程在制造、安装和检修方面都很困难，故一般不宜采用。常用的方法是将几个换热器串联起来使用。

4.总传热系数

在换热器热负荷和有效对数温差一定的情况下，换热器面积和总传热系数成反比，显然总传热系数对换热器的换热面积影响很大。因此在对软件工艺计算结果进行分析选择时，我们应该将软件计算出的总传热系数与一些换热器设计手册中给出的经验值进行对比。应尽量保证计算值与经验值的相对误差较小，一般不宜超过±25%。

5.流体流速

流体的流速是换热器设计的重要变量。采用较高的流速有两个好处：一是提高总传热系数，从而减小传热面积；二是减少在管子表面生成污垢的可能性。但是也相应的增加了阻力和动力消耗，所以需要进行经济比较才能最后确定适宜的流速。此外在选择流速时，还必须考虑结构上的要求。为了避免设备的严重磨损，所计算出的流速不应超过最大允许的经验流速。工艺设计方案选择应时应着重考虑。

6.管束振动

振动对于操作的安全性十分重要，因此对振动的分析也必不可少。大多数换热器工艺计算软件都带有管束振动分析模块，如存在振动则需调整换热器的某些几何参数甚至改变其结构形式。管束振动的相关问题可参考GB151-1999《管壳式换热器》附录E。

7.设计余量

影响换热器工艺计算结果的因素很多，虽然工程上允许有一定的设计偏差，但为了保证换热器的使用效果，一般都需要换热器的工艺计算结果有10%～20%的设计余量。因此，在换热器工艺设计计算结果分析选择时，设计余量也是需要重点考虑的。

8.其他

换热管规格、排列方式，管、壳程进、出口设计，折流板结构设计等问题也要在工艺设计方案的选择中加以考虑。通过上述对管壳式换热器工艺计算结果的分析和选择，最后采用的工艺方案应满足以下条件：

(1)满足工艺条件要求；

(2)便于能量回收，以提高过程能量利用效率，节省能源；

(3)便于制造、安装、操作和维修；

(4)安全可靠性高；

(5)经济合理。

五、提高管壳式换热器传热能力的措施

管壳式换热器的传热系数是由壳程换热系数、管程换热系数和换热器冷、热介质的对数平均温差决定的[9]，因此，提高管壳式换热器传热能力的措施包括以下几点：

1.提高管壳式换热器冷、热介质的平均对数温差

冷、热介质平均对数温差除直接受冷、热介质进出口温度影响外，还受到冷、热介质的流动方向和换热流程的影响。当管壳式换热器冷、热流体的温度沿传热面变化时，两种流体逆流平均温差最大，顺流平均温差最小。在实际换热器设计中，冷、热流体多采用交错流方式，其平均对数温度介于逆流和顺流之间。因此，在设计中应尽量增加换热器冷、热流体的逆流比例，提高冷、热流体的对数平均温差，从而提高管壳式换热器的传热能力。

2.合理确定流体流动通道

在管壳式换热器的设计中，对于壳程安装折流板的换热器来说，壳程Re>100时流体就能达到湍流。因此，对于流量小或粘度大的流体优先考虑让其走壳程；对于刚性结构的换热器，若冷、热流体温差大，因壁面温度与换热系数大的流体温度接近，为减小管束与壳体的膨胀差，换热系数大的流体走壳程更加合理，而冷、热介质温差小，两流体换热系数相差大，换热系数大的流体走管程更加合理。

3.采用强化传热措施

在管壳式换热器设计中，通常采用强化传热措施来提高换热器的传热能力。强化传热常用的措施有：采用高效能传热面、静电场强化传热、粗糙壁面和搅拌等。

4.合理调整换热器结构参数

管壳式换热器中换热管的设计，管、壳程分程设计，折流板结构设计等，也影响着换热器的传热能力。换热器的结构越合理，换热器的传热能力越强，因此在管壳式换热器工艺计算过程中应反复调整相关参数，从而提高其传热能力。

参考文献：

[1]吴金星，韩东方，曹海亮等编著.高效换热器及其节能应用[M].北京：化学工业出版社，2009.

[2]何潮洪，冯霄主编.化工原理[M].北京：科学出版社，2001.

[3]董其伍，张垚等编.换热器[M].北京：化学工业出版社，2009.

[4]李汉.优化设计管壳式换热器[J].化工设计，2003，13(04).

[5]马小明，钱颂文，朱冬生等编著.管壳式换热器[M].北京：中国石化出版社，2010.

[6]昝河松.管壳式换热器工艺设计[J]. 化工设计，2007，17(05).

[7]刘巍等著.冷换设备工艺计算手册[M].北京：中国石化出版社，2003.

[8]于勇.管壳式换热器的设计计算[J]. 特种油气藏，2004，11(06).