管壳式换热器的设计和选型

管壳式换热器的设计和选型 ( R# f( Q/ ?2 |2 |/ R7 O 管壳式换热器是一种传统的标准换热设备，它具有制造方便、选材面广、适应性强、处理 量大、清洗方便、运行可靠、能承受高温、高压等优点，在许多工业部门中大量使用，尤 其是在石油、化工、热能、动力等工业部门所使用的换热器中，管壳式换热器居主导地位。 为此，本节将对管壳式换热器的设计和选型予以讨论。 （一）管壳式换热器的型号与系列标准 鉴于管壳式换热器应用极广，为便于设计、制造、安装和使用，有关部门已制定了管壳式 换热器系列标准。 g8 S( P( m+ I“ D 公称换热面积 ； 公称直径 ； 3 A ?2 A! u4 4 y 公称压力 ； 换热器管长度 ； V( x. O5 D$ S# T+ j. w# g 换热管规格； / z5 K2 j- Q3 l3 Z9 v 管程数 。 （2）型号表示方法管壳式换热器的型号由五部分组成： 1 D+ o“ L+ q0 M5 M v+ 1换热器代号 * / |- K x; r: d4 x# Q: x4 R0 u 2公称直径 DN，mm； 3管程数：； 4公称压力 PN，MPa； d+ q0 g“ q$ k! R2 d 5公称换热面积 SN，m2。 例如 800mm、 0.6MPa 的单管程、换热面积为 110m2 的固定管板式换热器的型号为： G800 I-0.6-110 . G! 3 t9 x- d2 r G固定管板式换热器的代号。 2管壳式换热器的系列标准 固定管板式换热器及浮头式换热器的系列标准列于附录中，其它形式的管壳式换热器的系 列标准可参考有关手册。 / V% C+ a# + X4 c$ X2 e （二）管壳式换热器的设计与选型 换热器的设计是通过计算，确定经济合理的传热面积及换热器的其它有关尺寸，以完成生 产中所要求的传热任务。 1设计的基本原则 0 b7 x# K/ - N/ M9 _ （1）流体流径的选择流体流径的选择是指在管程和壳程各走哪一种流体，此问题受多方面 因素的制约，下面以固定管板式换热器为例，介绍一些选择的原则。 ! B7 t+ a1 l. J 不洁净和易结垢的流体宜走管程，因为管程清洗比较方便。 腐蚀性的流体宜走管程，以免管子和壳体同时被腐蚀，且管程便于检修与更换。 , F( D“ L3 N D 压力高的流体宜走管程，以免壳体受压，可节省壳体金属消耗量。 - M7 x! 3 S4 h( b0 v! Y 被冷却的流体宜走壳程，可利用壳体对外的散热作用，增强冷却效果。 饱和蒸汽宜走壳程，以便于及时排除冷凝液，且蒸汽较洁净，一般不需清洗。 : k0 M8 u) T9 R1 Y v4 R- h5 q 有毒易污染的流体宜走管程，以减少泄漏量。 : d0 Z r% r+ _/ V8 V 流量小或粘度大的流体宜走壳程，因流体在有折流挡板的壳程中流动，由于流速和流向 的不断改变，在低 Re（Re100）下即可达到湍流，以提高传热系数。 若两流体温差较大，宜使对流传热系数大的流体走壳程，因壁面温度与 大的流体接近， 以减小管壁与壳壁的温差，减小温差应力。 以上讨论的原则并不是绝对的，对具体的流体来说，上述原则可能是相互矛盾的。因此， 在选择流体的流径时，必须根据具体的情况，抓住主要矛盾进行确定。 （2）流体流速的选择流体流速的选择涉及到传热系数、流动阻力及换热器结构等方面。增 大流速，可加大对流传热系数，减少污垢的形成，使总传热系数增大；但同时使流动阻力 加大，动力消耗增多；选择高流速，使管子的数目减小，对一定换热面积，不得不采用较 长的管子或增加程数，管子太长不利于清洗，单程变为多程使平均传热温差下降。因此， 一般需通过多方面权衡选择适宜的流速。表 4-14 至表 4-16 列出了常用的流速范围，可供 设计时参考。选择流速时，应尽可能避免在层流下流动。 表 4-14 管壳式换热器中常用的流速范围 流体的种类 一般流体 易结垢液体 气体 . J2 Z+ L1 | 7 J 流速，m/s 管程 0.5 3.0 1.0 5.0 30 壳程 0.2 1.5 0.5 3.0 15 表 4-15 管壳式换热器中不同粘度液体的常用流速 液体粘度，mPas 1500 1500 500 500 100 100 35 35 1 1 最大流速，m/s 0.6 0.75 1.1 1.5 1.8 2.4 表 4-16 管壳式换热器中易燃、易爆液体的安全允许速度 液体名称 乙醚、二硫化碳、苯 甲醇、乙醇、汽油 丙酮 , z 7 f) p, z“ - l4 g8 l“ c 安全允许速度，m/s 1 2 3 10 5 2 z0 Y% q2 i4 7 A0 Z; _ （3）冷却介质（或加热介质）终温的选择在换热器的设计中，进、出换热器物料的温度一 般是由工艺确定的，而冷却介质（或加热介质）的进口温度一般为已知，出口温度则由设 计者确定。如用冷却水冷却某种热流体，水的进口温度可根据当地气候条件作出估计，而 出口温度需经过经济权衡确定。为了节约用水，可使水的出口温度高些，但所需传热面积 加大；反之，为减小传热面积，则可增加水量，降低出口温度。一般来说，设计时冷却水 的温度差可取 510。缺水地区可选用较大温差，水源丰富地区可选用较小的温差。若 用加热介质加热冷流体，可按同样的原则选择加热介质的出口温度。 （4）管子的规格和管间距 管子规格管子规格的选择包括管径和管长。目前试行的管壳式换热器系列只采用 252.5mm 及 192mm 两种管径规格的换热管。对于洁净的流体，可选择小管径，对于 易结垢或不洁净的流体，可选择大管径。管长的选择以清理方便和合理使用管材为原则。 我国生产的标准钢管长度为 6m，故系列标准中管长有 1.5、2、3 和 6m 四种。此外管 长 和壳径 的比例应适当，一般 为 46。 管间距管子的中心距 t 称为管间距，管间距小，有利于提高传热系数，且设备紧凑。但 由于制造上的限制，一般 ， 为管的外径。常用的 与 的对比关系见表 4-17。 表 4-17 管壳式换热器 与 的关系 换热管外径 ，mm 10 14 19 25 32 38 45 57 换热管中心距 ，mm 14 19 25 32 40 48 57 72 （5）管程和壳程数的确定 管程数的确定当换热器的换热面积较大而管子又不能很长时，就得排列较多的管子，为 了提高流体在管内的流速，需将管束分程。但是程数过多，导致管程流动阻力加大，动力 能耗增大，同时多程会使平均温差下降，设计时应权衡考虑。管壳式换热器系列标准中管 程数有 1、2、4、6 四种。采用多程时，通常应使每程的管子数相等。 管程数 可按下式计算，即 （4-114） 式中 . h$ O# $ , i! B 管程内流体的适宜速度，m/s； 管程内流体的实际速度，m/s。 壳程数的确定当温度差校正系数 时，应采用壳方多程。壳方多程可通过安装与管束平行 的隔板来实现。流体在壳内流经的次数称壳程数。但由于壳程隔板在制造、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使用，以代替壳方多程。 + m/ Z V- u1 a8 H/ M; a, j （6）折流档板的选用安装折流挡板的目的是为了加大壳程流体的速度，使湍动程度加剧， 提高壳程流体的对流传热系数。 折流挡板有弓形、圆盘形、分流形等形式，其中以弓形挡板应用最多。挡板的形状和间距 对壳程流体的流动和传热有重要的影响。弓形挡板的弓形缺口过大或过小都不利于传热， 还往往会增加流动阻力。通常切去的弓形高度为外壳内径的 1040%，常用的为 20%和 25% 两种。挡板应按等间距布置，挡板最小间距应不小于壳体内径的 1/5，且不小于 50mm；最大间距不应大于壳体内径。系列标准中采用的板间距为：固定管板式有 150、300 和 600mm 三种；浮头式有 150、200、300、480和 600mm 五种。板间距过 小，不便于制造和检修，阻力也较大；板间距过大，流体难于垂直流过管束，使对流传热 系数下降。 ( E, R9 c6 e; s5 F8 l y 挡板弓形缺口及板间距对流体流动的影响如图片 4-54 所示。为了使所有的折流挡板能固定 在一定的位置上，通常采用拉杆和定距管结构。 【图片 4-54】挡板缺口高度及板间距的影响。 % _0 k0 7 G4 l# P5 r$ |3 L0 Z 【播放动画 4-3】挡板缺口高度及板间距的影响。 $ # H0 5 J3 z5 p 应予指出，换热器的折流构件除通用的折流档板外，还有其它一些型式，如近年来开发出 的折流盘等，详细介绍见有关专业书籍。 + F6 k7 b9 V, x J7 6 t8 i! q2 值可由下面公式估算： 管子按正三角形排列 - 0 w1 I5 g$ H (4-116) , O“ 7 I9 I G 管子按正方形排列 0 y+ R, i3 J. F2 ?1 h9 S (4-117) 式中 n 为换热器的总管数。 ! w4 h% , j! g4 Q I/ n$ |) q d6 a 管程结垢校正系数，无因次，对 mm 的管子 ，对 mm 的管子 ； 串联的壳程数； 管程数。 式 4-118 中的直管阻力可按一般摩擦阻力公式计算；回弯阻力由下面经验公式估算，即 0 q0 Z5 _% R2 $ M5 2 B (4-119) 壳程流动阻力的计算用于计算壳程流动阻力的公式很多，由于壳程流体的流动状况较为 复杂，用不同的公式计算结果差别很大。下面介绍比较通用的埃索计算公式。 (4-120) ; v7 U3 M* t j$ f4 ; Y 其中 / ?4 D. ?% X5 |3 C! Y2 E (4-121) - l, , s3 e( S* Z* U (4-122) 2 j N. L8 X; Z# : x; J/ q z 式中 4 L9 g6 w0 d8 流体横过管束的压降，Pa； 5 9 t“ o# ) r. p s5 e) k7 o+ a/ i1 y 管壳式换热器的设计计算步骤如下： - C) h“ X$ + A9 p% G M“ _, L （1）估算传热面积，初选换热器型号 8 _: c( k$ _; 根据换热任务，计算传热量。 确定流体在换热器中的流动途径。 l1 m+ W% t. 确定流体在换热器中两端的温度，计算定性温度，确定在定性温度下的流体物性。 - |; g5 R2 V# i1 N. |- Q 计算平均温度差，并根据温度差校正系数不应小于 0.8 的原则，确定壳程数或调整加热 介质或冷却介质的终温。 * x% W; V/ R% c$ - G* J% S; 2 P( j 根据两流体的温差和设计要求，确定换热器的型式。 依据换热流体的性质及设计经验，选取总传热系数值 。 / |4 M; z* % J( F* N 依据总传热速率方程，初步算出传热面积 ，并确定换热器的基本尺寸或按系列标准选择 设备