62U形管式换热器的有效换热面积探讨

刘均安

(中石化宁波工程有限公司，浙江 宁波 315103)

U形管式换热器是石油化工领域常用的一种管壳式换热器，典型结构如图1所示，它的结构相对简单，只有一块管板，管束由多根U形管构成，U形管两端均固定在同一管板上，换热管可自由伸缩，即壳体和换热管有较大壁温差时也不会产生热应力，常见型式有BKU、BEU、BFU等。U形管式换热器应用范围较广，可用于高温、高压、壁温差大、壳程结垢较严重、管程易腐蚀等场合，造价相较其他型式低且不易发生内漏、检修相对简单、操作弹性大。U形管式换热器与其他型式的管壳式换热器最大区别在于管束结构，换热管布置时需要考虑换热管的最小弯曲半径，进而影响相同空间下的换热管布管数，因此可容纳的换热管数稍少于固定管板式换热器。U形管式换热器的有效换热面积常常容易忽略U形弯管段面积，而对于大型换热器U形弯管段面积占不小比例，需要视具体情况确定是否将U形弯管段面积计入有效换热面积，以准确评估换热器性能，优化换热器设计。

图1 典型U形管式换热器示意图

1 换热面积标准定义

目前，管壳式换热器设计遵循的标准主要有TEMA标准、API 660标准和GB 151标准。

TEMA标准(Standards of the Tubular Exchanger Manufacturers Association)为美国管式换热器制造商协会标准，是关于管壳式换热器设计、制造和检验的权威标准，TEMA标准已获得世界范围内的认可，最新版本为2007年12月发布的第9版[1]。

API 660标准(API Standard 660 - Shell-and-Tube Heat Exchangers)为美国石油学会制定并发布的标准，涵盖了石油石化行业对管壳式换热器的机械设计、材料选择、制造、检验、测试和运输的具体要求，用于补充TEMA标准，比TEMA标准规定了更为详细的要求，最新版本为2015年3月出版的第9版[2]。

GB 151标准为中国全国锅炉压力容器标准化技术委员会负责制定和归口的热交换器标准，用以规范在中国境内建造或使用的热交换器设计、制造、检验和验收的相关技术要求，标准编制参考了TEMA标准和API 660标准等标准技术内容，最新版本为GB/T 151-2014 热交换器，替代前一版GB 151-1999 管壳式换热器，标准性质由强制性改为推荐性[3-4]。

TEMA标准第9版并未明确给出有效换热面积定义。API 660标准第9版中3.6条定义：有效换热面积，是指有助于传热的换热管的外表面积，包括翅片表面(如果有)。GB 151标准GB/T 151-2014中3.2条定义：换热面积(heat transfer area)，a)计算换热面积，以换热管外径为基准，扣除不参与换热的换热管长度后，计算得到的外表面积，b)公称换热面积，圆整为整数后的计算换热面积[3]。旧版标准GB 151-1999中3.71条定义：计算换热面积，以换热管外径为基准，扣除深入管板内的换热管长度后，计算得到的管束外表面积；对于U形管式换热器，一般不包括U形弯管段的面积[4]。

对于U形管式换热器，我国还制定了推荐性标准GB/T 28712.3-2012(热交换器型式与基本参数 第3部分：U形管式热交换器)，该标准指出计算换热面积 由式(1)确定[5]：

(1)

式(1)中， d为换热管外径(mm)，L为U形换热管直段长度(mm)，δ为管板厚度(mm)，l1为换热管伸出管板长度(mm，设定为3)，n为U形换热管根数。可知，该计算公式并未计及U形弯管段面积，鉴于该标准先于GB/T151-2014颁布，其引用的GB 151标准仍为GB 151-1999，故其参照GB 151-1999规定“对于U形管式换热器，一般不包括U形弯管段的面积”，该公式没有计算U形弯管段面积，采用此法计算换热面积用于换热器设计相对保守。

综上所述，最新国内外标准虽然没有直接明确U形弯管段面积是否计入换热面积，但均明确只要参与了换热的面积都为有效换热面积，而GB 151-1999指出一般不包括U形弯管段的面积，也并未排除当U形弯管段参与换热的情况时需要特别考虑。文献[6]也指出：计算换热面积实际上表征了参与换热的换热管外表面积，计算时应扣除不参与换热的换热管长度，包括管程和壳程不参与换热的换热管长度，如深入管板内的换热管长度，换热管衬管长度；对于U形换热管的弯管段面积是否计入，根据弯管段的壳程流体流动情况具体确定。

因此，对于U形弯管段面积：(1)未参与换热，则不计入有效换热面积；(2)参与换热，则应计入有效换热面积。对于大多数的U形管式换热器(特别是卧式)，在弯管段处基本上是壳程换热的死区，即此处换热与直管段相比效果很差，故一般不计入换热面积。但是，当壳程进、出口位置设计合理，U形弯管段都参与换热过程，则弯管段面积应计入换热面积，特别是对于大中型换热器，U形弯管段面积占有较大比例，是否计入此部分面积对换热计算影响很大。对于壳程为相变传热，如冷凝器(比如立式BEU型式换热器)或是釜式蒸发器(比如常见的BKU型式换热器)，此时U形弯管段全部参与换热，U形弯管段面积应计入有效换热面积。对于不同壳程接管位置，如果接管位于U形弯前，如图2(a)所示，一般不计入弯管段换热面积；如果接管位于弯管段或是弯管段之后(包括接管位于封头的情况)，如图2(b)、(c)、(d)所示，则应计入弯管段面积。

图2 U形管式换热器壳程接管位置示意图

2 增加换热面积方法

对于U形管式换热器，增加换热面积的方法主要有：(1)在满足换热器设计要求的前提下，尽量采用30°正三角形布管，相较其他角度排列方式而言，布管更加紧凑且换热效率较高；(2)通过减小最中心布置的换热管U形弯的弯曲半径，使得相同空间和排列角度下可以多布管；(3)无法减少中心换热管U形弯的弯曲半径时，通过交叉布管方式多布管。

文献[7]指出，从经济性方面分析，U形管式换热器如采用正三角形布管，换热管选择30°正三角形排列方式，与选择60°转角正三角形排列方式相比，可以减少制造成本，因U形管弯曲半径规格数较少，相应弯制U形管的模具及人工等费用较少，而且选择30°正三角形排列方式还可以提高换热效率。

GB/T 151-2014中6.4.3 U形换热管6.4.3.1条规定：弯管段的弯曲半径R不宜小于两倍的换热管外径，常用U形换热管的最小弯曲半径 (见图3示意图)可按表(1)选取[3]。

表1 常用U形换热管的最小弯曲半径

API Standard 660 - 9th Edition中7.5.1.4条规定：U形弯的平均半径不应小于换热管公称外径的1.5倍。对于马氏体不锈钢、超奥氏体不锈钢(>6 % Mo)、双相不锈钢、钛、高镍合金(>30 % Ni)，U形弯的平均半径不应小于换热管公称外径的2.0倍[2]。

可见，API Standard 660 - 9th Edition标准规定U形弯半径可以低至1.5倍的换热管外径，较2.0倍的换热管外径，相同管板相应布管范围会有所增加，文献[8]详细论述了U形管束的弯曲半径确定方法，指出采用管内填充法和预变形法都能弯制出相对弯曲半径小到1.5的U形管。工程项目实践中发现国外专利商设计的U形管式换热器大部分采用的最小弯曲半径为1.5倍换热管外径。另外，如图4(b)所示，最中心换热管采用交叉布管的方法也可以进一步减少最内层管孔间距，从而实现多布管来达到增加换热面积的目的，使换热设备更加紧凑、经济。

图3 U形换热管的最小弯曲半径 示意图

图4 U形管式换热器最内层布管示意图

3 实际案例

结合实际案例，采用美国传热研究公司(Heat Transfer Research Inc.)开发的HTRI V7.3.2软件计算，对比分析某U形管式换热器不同方案计算结果。

表2 锅炉水冷却器设计参数

如表2所示，某装置需要设计一台锅炉水冷却器，该换热器的任务是把128.71℃的锅炉水冷却至40℃，采用的冷却介质是33℃的循环水，工艺要求循环水出口温度为40℃，需要冷却的锅炉水量为12000 kg/h。根据工艺要求及结合工程经验，换热器选型为卧式BEU，循环水走管程，换热管材质为不锈钢(SS316)，锅炉水污垢系数取0.000172m2·K/W，循环水污垢系数取0.000344m2·K/W。经HTRI计算，壳径定为600 mm，U形管直管段长定为6 m，换热管外径为25 mm，管壁厚为2.5 mm，换热管间距为32 mm，20块折流板，相对流体流动方向折流板为垂直切割，折流板切割率为25%，壳侧入口处加防冲挡板，如图5所示锅炉水冷却器外形图，然后通过改变其他结构参数得到不同方案计算结果见表3。

表3 不同方案HTRI软件计算结果

图5 锅炉水冷却器外形图

(2)

式(2)中， A1为直管段有效换热面积,A2为U形弯管段有效换热面积，d为换热管外径(mm)，L为U形换热管直段长度(mm)，δ为管板厚度(mm)， l1为换热管伸出管板长度(mm，通常设定为3)，n为U形换热管根数。

另外，为了考察大中型换热器中U形弯管段面积在换热器总有效换热面积的占比情况，表4统计了实际项目中所设计的蒸汽发生器(均为BKU型式)U形弯管段换热面积占比情况。

表4 不同BKU型式换热器U形弯管段换热面积占比情况

注：1.壳径指管板侧壳体直径，管长指U形管单侧直管段长度，限定圆直径、管板厚、总有效换热面积Aeff.均摘自HTRI计算报告;2.本表中总U形弯管段面积A2参考式(2)计算得到，也可根据换热器布管情况逐排计算U形弯管段面积加和获得。

由表4可见，大壳径U形管式换热器的U形弯管段面积占比较大，高达10%以上。因此，对于壳程为冷凝或蒸发的相变传热情况，由于U形换热管弯管段和直管段对换热起着同样重要的作用，应严格计算U形弯管段面积，以准确评估换热器性能、优化设计。

4 结语

综上所述，对于U形管式换热器弯管段面积是否计入有效换热面积，应根据具体情况分析判断：(1)未参与换热，则不计入有效换热面积；(2)参与换热，则应计入有效换热面积。在进行U形管式换热器设计时，在满足换热器设计要求的前提下，应尽量采用30°正三角形布管，最中心布置的换热管采用相对弯曲半径更小的U形管，以及中心换热管采用交叉布管方式，这样设计的换热设备更加紧凑、经济。对于壳程为冷凝或蒸发的相变传热情况，由于U形换热管弯管段和直管段对换热起着同样重要的作用，应严格计算U形弯管段面积，以准确评估换热器性能、优化设计。