浅析管壳式换热器的工艺设计

翟向辉 李楠

【摘要】隨着我国科学技术的快速发展，国内管壳式换热器的研究及应用得到了快速的发展，能够进一步满足社会和经济发展需要，为我国社会生产的稳定、可持续性发展提供强有力的支持。本文通过管壳式换热器的产品概述和工作原理介绍，分析管壳式换热器工艺设计过程中存在的问题，然后进一步分析工艺设计的原理以及方法，并通过选择并确定合理的方法完善工艺设计。

【关键词】管壳式换热器；设计；问题

随着人们生活水平质量日益提高，细节品质更加受到人们的重视。热能作为人们日常生活和工作中不可或缺的组成部分，其提供方式一直受到社会各界的广泛关注，管壳式换热器作为热能提供的主要设备之一，始终受到普遍应用和重视，其技术和发展速度又有所提高。但是还要不断的结合先进的科学技术对其进行完善和创新，完善其工艺过程设计，才能够从根本上保障热能的稳定性和质量。

1、管壳式换热器的概述

1.1 管壳式换热器的概念。管壳式换热器凭借其诸多优点，得到了人们的认可并且广泛的应用到生产和生活中，比如化工、石油以及能源等诸多领域，它是以封闭在壳体中的管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。其主要由壳体、传热管束、管板以及折流板等部件组成，其具有操作方便，结构简单，并且适合高温和高压工作等优点。

1.2 管壳式换热器的工作原理。管壳式换热器是通过传热管束来完成液体汽化成蒸汽或者蒸汽冷凝成液体等过程中的热量传递，管壳式换热器的壳体主要是以圆筒的形式为主，内部有管束并且将其固定在管板的两端，进而将其分为两种换热流体。其一，管程流体，主要就是指在管束内流动的流体。其二，壳程流体，其主要就是指管外流动的流体。同时，壳体内还设置有若干挡板，挡板不仅能够使流体根据规定的路程进行多次横向的流动，还能够有效的提高壳程流体的速度，从而有效的提高管外流体的传热系数。

管板上的换热管可分为等边三角形和正方形两种排列方式：其中等边三角形的排列方式是通过增加换热管之间的紧凑程度从而提高传热系数，但不便于清洗；正方形的排列方式适用于比较容易产生结垢的流体，其优点就是便于清洗。

2、管壳式换热器设计中需要注意的事项

2.1 存在钢板、钢管负偏差问题。目前，我国管壳式换热器结构在设计过程中往往会面临着钢板以及钢管负偏差的问题，相关的设计人员必须要加以重视。钢板的负偏差会导致管壳式换热器开孔补强不足。钢管负偏差问题主要可以分为两大类：其一，在结构设计的时候管束存在着问题，进而会对管板和折流板管孔之间的公差精度造成一定的影响；其二，换热管本身的材质也会对管孔公差带来一定的影响，从而在一定程度上直接影响到开孔补强的效果。

2.2 划类、程数问题。我国目前的实际配件能力还比较低，对于工艺性能的结构要求远远不能满足工艺的基本要求。管壳式换热器在压力容器管理的时候，并没有严格的按照相关规定和标准提出设计要求和制造技术的要求。并且在进行类别划分的时候，并没有按照相关规定和标准进行几何容积的取值，从而导致管壳式换热器在划类和管程分程方面存在着比较大的问题。

2.3 热处理问题。管壳式换热器的浮头盖以及管箱在进行热处理的时候面临着一定的问题，无法对低合金钢以及碳钢制的浮头盖以及管箱的侧向进行热处理。另外，由于冷轧换热管并没有进行相应的热处理工作，进而无法提高钢管本身的耐应力腐蚀，黄铜等有色金属冷轧的换热管也没有经过任何的热处理工作。

3、前端管箱的选取原则

在GB151中分别列出了A、B、C、N、D五种前端管箱型式，这五种前端管箱都是固定的形式。从其结构上看，B型管箱维护时，需要移去整个前端管箱，比较麻烦，但其造价便宜，适合清洁介质；A、C、N型管箱都可以通过拆除前端管箱的法兰盖进行维护；C型管箱的管板与管箱是集成一体的；N型管箱除管板管箱集成外，还将管板和壳体之间直接焊接，以减少泄漏；D型管箱为特殊高压管箱。

4、换热管的选取原则

在GB151中给出了不同材质的常用管换热规格和偏差。经过计算，同样的金属材料和壁厚，小管径的换热管可以提供更大的换热面积，管子排布更紧凑，造价更加便宜。以外径分别为25mm和19mm，壁厚为2mm的换热管为例计算，每立方米钢材可以提供的换热面积依次是0.379m2/m3和0.559m2/m3，后者比前者的换热面积增加47.5%。因此在做换热器设计时，应优先选择小外径的换热管。

但是当外径小于19mm时，进行机械清理十分困难，只能用化学方法清理。所以易结垢结块的物料不宜采用小外径的换热管，应尽量采用外径25mm及以上的管子。对于有汽液两相流的物流，例如再沸器、锅炉等，多采用32mm的外径。

5、管壳换热器的工艺设计原理与方法

5.1 Colburn2Donohue法。由于管壳式换热器会受到壳侧流动以及传热过程中一些因素的影响，早在上个世纪三十年代由Colburn提出了以理想管排数据为基础的壳侧传热系数计算公式，但是由于换热器内部的流体传热和流动阻力是同时进行的，二者相互制约，所以导致这公式存在着一定的局限性。随着时代的变化和发展，Donohue在Colburn公式的基础上不断的完善，在设计计算中加入了换热器流体传热以及流动阻力的考虑，从而提出了比较完整的管壳式换热器综合设计方法，即Colburn2Donohue法。

5.2 Kern法。随着科学技术的快速发展，在Colburn2Donohue法的基础上进行不断的完善，由Kern对传热温度的分布以及污垢结构等方面的问题进行了综合考虑，有利于管壳式换热器的进一步发展，被业内广泛的认可，即Kern法，是目前管壳式换热器的重要设计参考书。

随着科学技术的快速发展，社会各个行业对管壳式换热器的需求日益增多，并且对其要求越来越高。为了能够满足社会各界对管壳式换热器的需求，换热器在进行工艺设计的时候必须要注重以上所提到的问题，并选择合适的计算方法，从根本上保障换热器的质量和效率。

参考文献：

[1]NB/T47015-2011 压力容器焊接规程 国家能源局.

[2]张利银.管壳式换热器工艺设计[J].中国石油和化工标准与质量，2013（12）：107.

[3]刘明言，林瑞泰，李修伦，黄鸿鼎.管壳式换热器工艺设计的新挑战[J].化学工程，2005（01）：16-19.