孙兰义教授新作《换热器工艺设计》第3章 管壳式换热器ppt

第第3章章 管壳式换热器管壳式换热器 孙兰义孙兰义 2014/11/2 目录目录 3.1 管壳式换热器的特点管壳式换热器的特点 3.2 管壳式换热器结构参数选择管壳式换热器结构参数选择 3.3 管壳式换热器工艺条件的选择管壳式换热器工艺条件的选择 3.4 管壳式换热器计算方法及经验数据管壳式换热器计算方法及经验数据 3.5 软件计算结果分析与设计方案调整软件计算结果分析与设计方案调整 3.6 管壳式换热器管壳式换热器Aspen EDR示例示例 3.1 管壳式换热器的特点管壳式换热器的特点 目前，在换热器中应用最多的是管壳式换热器。管壳式目前，在换热器中应用最多的是管壳式换热器。管壳式 换热器适用的操作温度与压力范围较大，制造成本低，换热器适用的操作温度与压力范围较大，制造成本低， 清洗方便，处理量大，工作可靠，长期以来，人们已在清洗方便，处理量大，工作可靠，长期以来，人们已在 其设计和加工制造方面积累了许多经验，建立了一整套其设计和加工制造方面积累了许多经验，建立了一整套 程序，人们可以容易地查找到其可靠的设计及制造标准，程序，人们可以容易地查找到其可靠的设计及制造标准， 并且能使用众多材料制造，设计成各种尺寸及型式，因并且能使用众多材料制造，设计成各种尺寸及型式，因 此管壳式换热器往往成为人们的首选。此管壳式换热器往往成为人们的首选。 管壳式换热器的结构特点管壳式换热器的结构特点 管壳式换热器主要由外壳、管板、管束和封头等部件组成 ，图3-1为结构示意图。 1管箱；2管程接管（管嘴）；3管板； 4壳程接管（管嘴）；5管束；6浮头 图图3-1 管壳式换热器结构管壳式换热器结构示意图示意图 管壳式换热器的类型及管壳式换热器的类型及适用范围适用范围 管壳式换热器通常有固定管板式、U形管式和浮头式三种型式。 3.1 管壳式换热器的特点管壳式换热器的特点 从从经济的角度上来看经济的角度上来看，在工艺条件允许时在工艺条件允许时，应该应该优先优先 选选用用固定固定管板式换热器管板式换热器。但是当遇到以下两种情况时但是当遇到以下两种情况时，就就 应该选用应该选用浮头式换热器浮头式换热器 3.1 管壳式换热器的特点管壳式换热器的特点 （1）壳体和管子的金属温差超过）壳体和管子的金属温差超过30或或50，或者冷流进口和热，或者冷流进口和热 流进口之间的极限温度差超过流进口之间的极限温度差超过110。在此情况下如果采用固定管。在此情况下如果采用固定管 板式换热器，就会因热应力使管板胀口处产生泄漏。板式换热器，就会因热应力使管板胀口处产生泄漏。 （2）容易使管子腐蚀或者在壳程中容易结垢的介质不能采用固定管）容易使管子腐蚀或者在壳程中容易结垢的介质不能采用固定管 板式换热器，否则管束既无法更换，又无法机械清扫。板式换热器，否则管束既无法更换，又无法机械清扫。 表表3-1 管壳式换热器系列特征和适用范围管壳式换热器系列特征和适用范围 3.1 管壳式换热器的特点管壳式换热器的特点 类型 系列名称 系列范围 特性 适用范围 公称直径 /mm 管程 数 管长/m 管子 （外径 厚度）/（mm mm） 排列 方式 固定 管板 式 GB/T 28712.2 2012 1591800 1，2， 4，6 1.5， 2， 3， 4.5，6，9 192 252.5 热膨胀补偿方式：刚性，温差 50；加膨胀节，温差 90120；结构简单、紧凑， 长管时造价最低，管束不可抽 出 温差较小； 壳程压 力低； 壳程流体清 洁且不易结垢； 可 立式或卧式 U 形 管式 GB/T 28712.3 2012 3251200 2，4 3，6 192 252.5 U 形端自由伸缩补偿性好；结 构简单，管束抽出容易；管子 排列不紧凑，管长分布不均匀 温差较大； 管内流 体较干净； 管内可 承受高压 浮头 式 GB/T 28712.1 2012 3251900 2，4， 6 3， 4.5， 6， 9 192 252.5 浮头可伸缩，补偿性好，管束 可抽出；造价较高 适用面广泛； 管内 外均可承受高温 高压 管壳式换热器的主要组合管壳式换热器的主要组合部件部件 TEMA标准中规定的管壳式换热器的主要组合 部件如图3-2所示。 同TEMA主要组合部件相比，我国GB/T 151 1999规定的主要组合部件中增加了U形管换热器壳 体（I）和外导流筒结构（O），在釜式再沸器（K ）中增加了双管束型式，取消了穿流壳体（全错流 X），在GB/T 1511999中，将管壳式换热器的主 要组合部件分为前端管箱、壳体和后端结构（包括 管束）三部分，详细分类及代号见图3-3。 3.1 管壳式换热器的特点管壳式换热器的特点 图图3-2 TEMA 管壳式换热器管壳式换热器 中的主要部件和部件代号图中的主要部件和部件代号图 壳体壳体 各壳体详细介绍见书各壳体详细介绍见书第第3章章 管壳式换热器管壳式换热器 p2p5。 根据各种根据各种壳体类型的特点，可以归纳出壳体类型的特点，可以归纳出壳体壳体 类型选择的主要原则类型选择的主要原则如下：如下： 图图3-3 GB/T 151-1999 管壳式管壳式 换热器中的主要部件和部件代号图换热器中的主要部件和部件代号图 3.1 管壳式换热器的特点管壳式换热器的特点 E型壳体为标准壳体，采用最多；型壳体为标准壳体，采用最多； G型和型和H型壳体多用于卧式热虹吸再沸器，或阻力降型壳体多用于卧式热虹吸再沸器，或阻力降 要求较低的场合；要求较低的场合； J型壳体多用于塔顶冷凝器，或阻力降要求较低的场型壳体多用于塔顶冷凝器，或阻力降要求较低的场 合；合； K型壳体用于一次通过式釜式再沸器；型壳体用于一次通过式釜式再沸器； F型壳体用于需要多壳体的工况，它可起到两台或多型壳体用于需要多壳体的工况，它可起到两台或多 台串联换热器的作用，并允许换热器温度交叉的出现。台串联换热器的作用，并允许换热器温度交叉的出现。 前端管箱和后端管箱 前端管箱有封头管箱和平盖管箱两种基本型式。封头管箱（B）最常用，一 般是在管侧流体较清洁的情况下使用。平盖管箱可以是可拆式（A）也可以与 管板做成一个整体（C）。对于水冷却器，当管侧需要定期清洗且管侧设计压 力小于1 MPa时，前封头可选A型，对于高压换热器前封头宜选择D型。各管箱 详细介绍见书p6p7。 可参考的一般选型指导： 3.1 管壳式换热器的特点管壳式换热器的特点 壳侧和管侧有污垢时，前端管箱与后端管箱分别选壳侧和管侧有污垢时，前端管箱与后端管箱分别选A和和S； 管侧无污垢时分别选管侧无污垢时分别选B和和U； 壳侧无污垢时，分别选壳侧无污垢时，分别选N和和N；壳侧和管侧无污垢选；壳侧和管侧无污垢选B和和M； 当换热器操作压力为高压时选当换热器操作压力为高压时选DEU。 管壳式换热器型号表示方法管壳式换热器型号表示方法 3.1 管壳式换热器的特点管壳式换热器的特点 图图3-4换热器型号表示方法换热器型号表示方法 3.2 管壳式换热器结构参数选择管壳式换热器结构参数选择 换热换热管管 管子外形管子外形 换热器的管子外形有光滑管、螺纹管和波纹管等多种型式。 光滑管适用于任何条件，应用面广。 当壳程流体的传热系数只有管程的1/3时，采用螺纹管，能强化壳程传热过 程。 当管程流体的传热系数低于壳程的3/5以下，雷诺准数低时，选用波纹管能 大幅度提高管内传热系数。 图图3-5螺纹管示意图螺纹管示意图 图图3-6波纹管示意图波纹管示意图 管径管径 换热管一般推荐选用外径为19 mm的管子。对于易结垢的物料（一 般认为污垢热阻大于0.00034 m2 K/W），或允许压力降较小时采用外 径为25 mm的管子。对于如再沸器等有相变的换热环境多采用32 mm 到38 mm的管径。直接受火加热时多采用76 mm的管径。在国外一些 石油化工装置中，甚至有采用10 mm的管子，在深冷和空分装置中， 已有采用57.5 mm的管子。相关换热管规格见书p31p33。 3.2 管壳式换热器结构参数选择管壳式换热器结构参数选择 正三角形排列正三角形排列应用最普遍，其传热系数高于正方形排列。一般适用于不应用最普遍，其传热系数高于正方形排列。一般适用于不 产生污垢或生成污垢但能以化学方法处理，以及允许压力降较高的操作。产生污垢或生成污垢但能以化学方法处理，以及允许压力降较高的操作。 转角三角形排列转角三角形排列应用不如正三角形排列那样普遍，传热系数也不如它高，应用不如正三角形排列那样普遍，传热系数也不如它高， 但高于正方形排列。使用情况与上述正三角形排列相同。但高于正方形排列。使用情况与上述正三角形排列相同。 正方形排列正方形排列常用于要求流体压力降较低和需用机械方法清洗管子外部的常用于要求流体压力降较低和需用机械方法清洗管子外部的 情况下，但传热系数比正三角形排列的低。情况下，但传热系数比正三角形排列的低。 转角正方形排列转角正方形排列多应用于要求压力降较低（但又不如正方形排列的那样低）多应用于要求压力降较低（但又不如正方形排列的那样低） 和需用机械方法清洗的情况下，传热系数比正方形排列的高。和需用机械方法清洗的情况下，传热系数比正方形排列的高。 转角三角形与正方形排列均不适用于卧式冷凝器，因下流凝液会使下方管表转角三角形与正方形排列均不适用于卧式冷凝器，因下流凝液会使下方管表 面液膜迅速增厚。面液膜迅速增厚。 正三角形排列 转角三角形排列 正方形排列 转角正方形排列 管子管子排列方式排列方式 3.2 管壳式换热器结构参数选择管壳式换热器结构参数选择 管间距管间距 管间距是相邻两根管子中心的直线距离，一般选用（1.251.5）d（d为管 子外径） 管长管长 管长与壳径比不宜超过610（对直立设备为46），常用的为46米，对 于需要传热面积大、或无相变换热器可以选用89米以上的管长。在炼厂设 计中最常用的是6米管长。壳径较大的换热器采用较长的管子更为经济。用 较小的管径和较长的管子，按三角形排列，能够节约较多的钢材。 管程数管程数 管程数有18程几种，常用的为1、2或4管程。 壳程型式程型式 （a）单壳程 （b）双壳程 （c）分流式 （d）双分流式 图图3-8 壳程的型式壳程的型式 3.2 管壳式换热器结构参数选择管壳式换热器结构参数选择 壳径壳径 换热器的壳径一般在3251800 mm，采用一台大的换热器比采用几台小 换热器更经济。 壳程折流板壳程折流板 折流板型式 最常用的折流板型式为圆缺形折流板。圆缺形折流板（弓形折流板）可 分为单弓形、双弓形和三弓形折流板。 单弓形折流板 双弓形折流板 三弓形折流板 弓形区不排管 图图3-9 圆缺形折流板几种型式圆缺形折流板几种型式 对于上述几种常用类型折流板，它们的优缺点详细介绍见下表 3.2 管壳式换热器结构参数选择管壳式换热器结构参数选择 折流板类型折流板类型 优点优点 缺点缺点 单弓形折流板单弓形折流板 传热效率高；价廉；易于生产传热效率高；价廉；易于生产 压力降最高；不适用于高粘度流体压力降最高；不适用于高粘度流体 双弓形折流板双弓形折流板 压力降较单弓形折流板小压力降较单弓形折流板小 传热效率比单弓形折流板低传热效率比单弓形折流板低 三弓形折流板三弓形折流板 压力降较双弓形折流板小压力降较双弓形折流板小 传热效率比双弓形折流板低传热效率比双弓形折流板低 弓形区不排管弓形区不排管 所有的管子都得到支撑，减小管子振动；比单弓形折所有的管子都得到支撑，减小管子振动；比单弓形折 流板更加有效的将压力降转移到热传递流板更加有效的将压力降转移到热传递 需要较小的管束或者更大的壳径；壳径增大导致费用增加需要较小的管束或者更大的壳径；壳径增大导致费用增加 折流板间距折流板间距 折流板间距太小会引起较大压力降，导致过量泄露和旁路流动，并使管 外的机械清洁比较困难，最小的折流板间距为壳体内径的1/5，折流板间距 与壳体内径的最佳比值通常在0.30.6范围内，可以实现压力降到热传递的 最大转化。 对于单相流体，适宜的折流板间距为壳体内径的1/3左右。 3.2 管壳式换热器结构参数选择管壳式换热器结构参数选择 折流折流板板圆缺圆缺率率 圆缺率是折流板窗口高度与壳径的比值。如果圆缺率太小，流体将会呈 喷射状穿过窗口区域，不均衡的通过折流板的分区。若圆缺率太大，流体 将会在折流板的边缘短路，并且不会在折流板分区形成错流。 图图3-10 折流板圆缺率折流板圆缺率 最小最小 最大最大 一般范围一般范围 最佳值（范围）最佳值（范围） 圆缺率圆缺率/壳径壳径 0 壳径的一半壳径的一半 0壳径的一半壳径的一半 0.25（单相流）（单相流） 0.400.45（多相流）（多相流） 0.15（弓形区不排管）（弓形区不排管） 表表3 圆缺率与壳径的关系圆缺率与壳径的关系 折流板的缺口高度与板间距之间的关系 缺口高度减少，板间距也要相应减少以保持相近的流通面积，从而使通 过缺口时的流速接近横过管束时的错流流速，保持其比值在0.81.2之间。 3.2 管壳式换热器结构参数选择管壳式换热器结构参数选择 折流板缺口方向 折流板缺口方向指的是切口弦线和壳体入口接管中心线的夹角。 （1）挡板切口弦线平行于壳体入口接管中心线（0夹角，垂直切口， 竖缺形）； （2）挡板切口弦线垂直于壳体入口接管中心线（90夹角，水平切口 ，横缺形）。 横缺形折流板适用于无相变的对流传热过程，而在带有悬浮物或结垢 严重的流体所使用的卧式冷凝器、换热器中，一般采用竖缺形折流板， 比较有利于冷凝器内的气液分离。 3.2 管壳式换热器结构参数选择管壳式换热器结构参数选择 （a）竖缺形折流板）竖缺形折流板 （b）横缺形折流板）横缺形折流板 图图3-11 折流板缺口方向折流板缺口方向 折流板换热器间隙 折流板管孔与管壁之间的间隙 根据TEMA标准，对于未受支承的管子的最大长度为36 in（914.4 mm） 或更小，或者对于外径大于1.25 in（31.8 mm）的管子，该孔隙为1/32 in （0.80 mm）；对于未受支承的长度超过36 in，外径为1.25 in或更小的 管子，该孔隙为1/62 in（0.40 mm）。 壳体与折流板之间的间隙 即壳体内径与折流板外径之间的空隙，应该力求该间隙最小从而使得 泄漏流E流路最少。相关TEMA标准见书p38。 壳体与管束之间的间隙 壳体与管束之间存在间隙使得旁路流C流路流过管束。采用密封条可 以堵住这个空隙从而使旁路流转向横掠管束。 3.2 管壳式换热器结构参数选择管壳式换热器结构参数选择 防旁路流设施防旁路流设施 密封条 密封条也称旁路挡板，它主要是为了防止流体由壳内和管束之间 旁流。一般固定管板式和U形管式换热器不必使用密封条，因为这些 设备壳体于管束外径间隙不大。在有相变发生的设备中，即使间隙 很大也不安装密封条，因为密封条会影响到汽相和液相的分离。 假管 假管可防止中等或大型换热器壳程中部流体的旁流，其设置于分 程隔板的槽背面两管板之间，一般与换热管规格相同，可用折流板 点焊固定，也可用拉杆代替。 3.2 管壳式换热器结构参数选择管壳式换热器结构参数选择 防冲板及导流筒防冲板及导流筒 防冲元件的设置条件是： 当壳程流体为非腐蚀与无磨蚀的单相流体，而进口管处的动能 v22230 kg/(m s2)，或者对v2740kg/(m s2)的其它液体（包括沸点下的 液体）时，应设防冲板或导流筒； 有腐蚀性或产生磨蚀的气体、蒸气及气液混合物，应设置防冲板； 当壳程进出口接管距管板较远、流体死区过大时，应设置导流筒。 通过现场实践发现防冲板的压力降有时很大，其根本原因在于防冲板与 壳体的间距太小，使流体进入壳程时的流速太快。因此当流体经过壳体 入口的流速不高时，也可以不装防冲板。 3.2 管壳式换热器结构参数选择管壳式换热器结构参数选择 3.2 管壳式换热器结构参数选择管壳式换热器结构参数选择 接管接管 接管（管嘴）大小必须满足压力降要求和连接工艺管道要求，具体设计导 则见书p40。 接管布置在换热器的上下方比水平方向为佳。 一般情况下，被加热的流体宜下进上出，被冷却的流体宜上进下出。冷流体被加热 时，密度下降，自行上浮，为减小阻力和混流宜采用下进上出；相反可以得出热流 体上进下出。 一般情况下，气体上进下出，液体下进上出。 对于卧式或立式换热器，用蒸汽加热时，蒸汽应从上部管口进入，冷凝水从下部管 口排出；用水冷却时，冷却水从下部管口进入，上部管口排出。 对卧式全凝器，凝液由下部引出，上方应有不凝气排出口；对分凝器，如为重力控 制，可分别采用两个出口。对水平再沸器必须在上方设置蒸汽出口，在下方设置残 液出口。 3.2 管壳式换热器结构参数选择管壳式换热器结构参数选择 壳程壳程允许压力降允许压力降 在某些情况下，满足壳程压力降的要求往往成为控制因素（例如壳侧流 体量很大，或者是低压下的气相介质，允许压力降值很低），从降低压力 降考虑，选型思路主要是降低壳程流体流速。结构选型示例见书p41。 允许压力降 可选型式或措施 效果 负面影响 由 高 到 低 E 型单壳程单弓形折流板 1. 扩大板间距和折流板圆缺率 2. 采用双弓形折流板 首选（压力降相对值为 1） 减低流速，减少压力降 错流部分压力降减少，缺口部分压力降基本 不变 传热系数降低， 无支撑距离增大， 振动可能性增加 传热系数降低，管子振动可能性 增加 3. 窗口不排管单弓形折流板或双 弓形折流板 4. 壳程并联的换热器 宜在压力降与管子振动同时制约因素时使 用，流动全为错流，传热系数提高 壳程流速及压力降按并联数成比例减少，换 热面积太大，会引起制造安装或维修困难 对于一定换热面积，造价提高 12%15% 制造费用大幅度增加 J 型无隔板分流式 单弓形板 双弓形板 缺口部分压力降与错流压力降同时减少，一 半流体走壳程一半距离 湍流相对压力降值为 1/8 湍流相对压力降值为 0.04 增加接管造价略高 传热系数减少 传热系数减少 40% 错流壳体 适用于对压力降要求特别低的场合，采用低 速错流 体积增大，紧凑度降低 表表4 结构选型示例结构选型示例 3.3 管壳式换热器工艺条件的选择管壳式换热器工艺条件的选择 流体流体空间空间 由于影响选择流体空间的因素有很多，选择流体空间时主要考虑腐蚀和 结垢两个因素，选择流体空间时可参考下表。 管侧流体管侧流体 壳侧流体壳侧流体 腐蚀强的流体腐蚀强的流体 需要冷凝的蒸汽（具有腐蚀性的除外）需要冷凝的蒸汽（具有腐蚀性的除外） 冷却水冷却水 进出口温差较大的流体（进出口温差较大的流体（37.78） 易结垢的流体易结垢的流体 低粘度流体低粘度流体 压力高的流体压力高的流体 温度较高的流体温度较高的流体 表表5 流体空间选择优先顺序流体空间选择优先顺序 在非相变流体传热的管壳式换热器中，流体空间选择的一在非相变流体传热的管壳式换热器中，流体空间选择的一 般性原则如下：般性原则如下： （1）不洁净或易于分解结垢的物料应当流经易于清洗的一侧。 （2）腐蚀性流体宜走管内。 （3）温度很高（或很低）的物料宜走管内；但要求被冷却的流体宜走壳 程，便于散热。 （4）压力高的物料宜走管程。 （5）允许压力降很低的流体宜走管程。 （6）蒸汽宜走壳程。 （7）粘度大的流体一般走壳程。 （8）流量小的流体宜走壳程。 （9）两流体温差较大的情况，对于刚性结构的换热器，宜将传热系数大 的液体通入壳程。 （10）需要提高流速以增大其传热系数的流体宜走管程。 流体走管程或者壳程一般着眼于如何提高传热系数和充分利用压力降 3.3 管壳式换热器工艺条件的选择管壳式换热器工艺条件的选择 流速流速 选择流速时，通常可从下列几方面考虑： （1）所选择的流速要尽量使流体的流动处于湍流流动状态（即Re10000 ），或至少使流体呈不稳定的过渡流状态流动（即Re2300）。 （2）高密度流体（或在相变中的流体）应适当提高流速。对于低密度流 体（如气体）的传热，所选择的流速产生的压力降不应超过换热器允许的 压力降，通常换热器的压力降应不大于0.1 MPa。 （3）所选流速应不会导致流体动力的冲击，使换热管子振动和冲蚀。 （4）所选流速应使管长或程数恰当。 （5）所选流速还要使换热器有适宜的外形结构尺寸。 在设计时在设计时可可参考选用参考选用书中书中表表3-44表表3-51所列的流速数据所列的流速数据。 3.3 管壳式换热器工艺条件的选择管壳式换热器工艺条件的选择 压力降压力降 一般情况下，气体的压力降控制值要比液体的低（接近一个数量级）。 例如，对液体一般取0.010.1 MPa，而气体则控制在0.0010.01 MPa之间。 应尽可能使流态处于湍流区，对高粘度液体，则在过渡区或层流区操作。 不同操作条件下换热器的压力降要求见书p45。 3.3 管壳式换热器工艺条件的选择管壳式换热器工艺条件的选择 工艺流体的压力工艺流体的压力/MPa 允许压力降允许压力降p/MPa 真空真空 0.01 0.10.17 0.0040.034 0.17 0.034 表表6 允许的压力降范围允许的压力降范围 温度温度 当换热终温可以选择时，为了合理的规定换热终温，需参考以下原则。 （1）冷却水的出口温度不宜高于60。 （2）高温端的温差不应小于20，低温端的温差分三种情况考虑： 一般情况下端点温度差不应小于20； 若热流尚需进一步冷却，冷流需进一步加热，则低温段的温度差不 应小于15； 流体用水或其它冷媒冷却时，低温段温度差不小于5。 （3）换热管采用多管程、单壳程，且用水作为冷却剂时，冷却剂的出口 温度不应高于工艺流体的出口温度。 （4）当工作介质被冷却或者冷凝时，冷却剂的入口温度应高于工作介质 流体中易结冻组分的冰点，一般高出5。在对反应物进行冷却时，应维 持反应流体与冷却剂之间的温差不低于10。当冷凝带有惰性气体的工作 介质时，冷却剂的出口温度应低于工作介质的露点，一般低出5。 （5）在确定流体出口温度时，不希望出现温度交叉现象。如果工艺流程 需要，则须选择多台换热器串联型式。 3.3 管壳式换热器工艺条件的选择管壳式换热器工艺条件的选择 Text 面积余量面积余量 总传热速率方程式总传热速率方程式 污垢热阻污垢热阻 总传热系数总传热系数 热负荷热负荷 平均温差、温差校正系数平均温差、温差校正系数 计算方法或者经验数据：计算方法或者经验数据： 3.4 管壳式换热器计算方法及经验数据管壳式换热器计算方法及经验数据 总传热速率方程总传热速率方程 传热速率传热速率是指单位时间内通过换热器传热面所传递的热量也称为换热是指单位时间内通过换热器传热面所传递的热量也称为换热 器的热负荷，以器的热负荷，以Q表示，单位为表示，单位为W。传热速率。传热速率与换热器的传热面积和两流与换热器的传热面积和两流 体的平均温差成正比，其数学表达式为体的平均温差成正比，其数学表达式为： Q=KAtm=KAFTtm逆 逆 式中：式中：Q传热速率或换热器的热负荷，传热速率或换热器的热负荷，W；K总传热系数，总传热系数，W/(m2 K) ；A换热器的面积，换热器的面积，m2；tm冷、热流体间的平均温差，冷、热流体间的平均温差，K；tm逆 逆热 热 流体与冷流体的对数平均传热温差或对数平均推动力，流体与冷流体的对数平均传热温差或对数平均推动力，K；FT对数平均对数平均 温差修正系数。温差修正系数。 3.4 管壳式换热器计算方法及经验数据管壳式换热器计算方法及经验数据 热负荷热负荷 对于对于油品介质油品介质，按进出口条件下的焓差及介质流量来计算。对于，按进出口条件下的焓差及介质流量来计算。对于其他其他 介质介质，按平均比热、进出口温度以及介质流量，按平均比热、进出口温度以及介质流量来计算。来计算。 热流热负荷：热流热负荷： Qh=WhHh 或或 Qh=Wh Cph (T1-T2) 冷冷流热负荷：流热负荷： Qc=WcHc 或或 Qc=Wc Cpc (t2-t1) 式式中：中：Cph，Cpc比热容，比热容，J/(kg )；H焓差，焓差，J/kg；T1，T2热流进热流进 出口温度，出口温度，；t1，t2冷流进出口温度，冷流进出口温度，；Wc，Wh冷热流质量流率冷热流质量流率 ，kg/s。 3.4 管壳式换热器计算方法及经验数据管壳式换热器计算方法及经验数据 3.4 管壳式换热器计算方法及经验数据管壳式换热器计算方法及经验数据 平均温差和温差修正系数平均温差和温差修正系数 （1）算术平均温差算术平均温差 （2）对数平均温差对数平均温差 式中：式中：t1|T1-T2|与与|t1-t2|中较小的温度差；中较小的温度差；t2|T1-T2|与与|t1-t2|较大的温度较大的温度 差。差。 3.4 管壳式换热器计算方法及经验数据管壳式换热器计算方法及经验数据 平均平均温差和温差修正系数温差和温差修正系数 （3）温差修正系数）温差修正系数FT 杂流和错流的有效平均温差可由纯逆流对数平均温差乘上一个温差修杂流和错流的有效平均温差可由纯逆流对数平均温差乘上一个温差修 正系数正系数FT求得求得。 tm=FTtm逆 逆 令：令：R=(T1-T2)/(t1-t2)；P=(t2-t1)/(T1-t1)；T1、T2分别为热流体进出口温分别为热流体进出口温 度，度，t1、t2分别为冷流体进出口温度。分别为冷流体进出口温度。 当当|R-1|10-3时时，Pn=P/(Ns-Ns P+P) 3.4 管壳式换热器计算方法及经验数据管壳式换热器计算方法及经验数据 当当|R-1|10-3时时， 式中：式中：FT对数平均温差修正系数；对数平均温差修正系数；P温度效率；温度效率；R温度相关因数；温度相关因数；Ns 壳程数。壳程数。 3.4 管壳式换热器计算方法及经验数据管壳式换热器计算方法及经验数据 计算计算FT值时，若分母对数项为值时，若分母对数项为0或负数，可将原来的或负数，可将原来的R取成倒数，并取成倒数，并 用用PR代替式中的代替式中的P，重新带入公式计算看是否有解，若仍无解则需按下，重新带入公式计算看是否有解，若仍无解则需按下 述述FT值低于值低于0.8的处理办法的处理办法调试。调试。对数平均温差也可以由相关换热器书籍对数平均温差也可以由相关换热器书籍 查图求取。查图求取。 在错流和杂流换热器中，温度分布情况相当复杂，在错流和杂流换热器中，温度分布情况相当复杂，可计算可计算出逆流的平出逆流的平 均温差，然后乘以温差修正系数，即可计算有效平均温差。均温差，然后乘以温差修正系数，即可计算有效平均温差。一般要求一般要求FT 值值0.8，否则一方面换热面积增加较多，经济上不合理；另一方面在否则一方面换热面积增加较多，经济上不合理；另一方面在FT 0.7以后，操作温度略有变化就可以使以后，操作温度略有变化就可以使FT值急剧降低，影响操作的稳定值急剧降低，影响操作的稳定 性。如果性。如果FT值值0.8后，应该增加管程数或壳程数，或者用几个换热器串后，应该增加管程数或壳程数，或者用几个换热器串 联，或者重新调整冷热流体的联，或者重新调整冷热流体的出口温度。出口温度。 3.4 管壳式换热器计算方法及经验数据管壳式换热器计算方法及经验数据 污垢热阻污垢热阻 使换热表面污垢热阻增大的原因一般有：流体流速较低；流体温度升高或管 壁温度高于主流体温度；管壁粗糙或结构上有死角；油品中焦炭、石蜡和机械 杂质含量的增高；以及水的硬度增大等。 污垢生成速度的主要影响因素不是流体自身的温度，而是流体的速度。在设 计时最好采用条件相似工况下的现场标定数据。在没有标定数据时可参考经验 数据，见书p53p59。污垢热阻的一般范围为0.000180.00053 m2 K/W。 3.4 管壳式换热器计算方法及经验数据管壳式换热器计算方法及经验数据 面积余量面积余量 面积余量（Overdesign）是换热器工艺参数中表示富裕面积的度量，计 算公式见下式 %Overdesign=100（Uo/Ureq-1） （3-1） 式中：Uo换热器实际传热系数，W/(m2 K)；Ureq计算所需换热器传热系数 ，W/(m2 K)；Overdesign面积余量。 %Overdesign=100（Duty calculated /Duty specified-1） （3-2） 式中：Duty calculated换热器实际热负荷，kW；Duty specified换热器理论热 负荷，kW；Overdesign面积余量。 %Overdesign=100（Ao/Areq-1） （3-3） 式中：Ao换热器实际换热面积，m2；Areq计算所需换热器换热面积，m2， 由换热量Q和对数平均温差tm共同决定；Overdesign面积余量。 对于无相变换热过程，一般面积余量范围在10%20%比较合适，对于冷 凝器则应大于20%。当然，设计时需根据实际情况酌情处理。 3.4 管壳式换热器计算方法及经验数据管壳式换热器计算方法及经验数据 在Aspen EDR软件中，面积余量一般采用式（3-3）计算。 3.5 软件计算结果的分析与设计方案调整软件计算结果的分析与设计方案调整 当换热器工艺计算结束后，如何根据实际工况，来判断计算结果是当换热器工艺计算结束后，如何根据实际工况，来判断计算结果是 否满足要求，出现问题后如何解决，对设计者来说非常重要。否满足要求，出现问题后如何解决，对设计者来说非常重要。 一般而言，各设计参数之间不能够很好的相互匹配，这就看哪个因一般而言，各设计参数之间不能够很好的相互匹配，这就看哪个因 素最重要。素最重要。 不同的情况有不同的要求，如流速、压力降、传热系数和温升等，不同的情况有不同的要求，如流速、压力降、传热系数和温升等， 需要有一个是控制因素。需要有一个是控制因素。 在评价换热器工艺计算结果时应考虑并校核以下各项。在评价换热器工艺计算结果时应考虑并校核以下各项。 换热器评价分析及调整选项换热器评价分析及调整选项 3.5 软件计算结果的分析与设计方案调整软件计算结果的分析与设计方案调整 总体设计尺寸总体设计尺寸 面积余量面积余量 压力降压力降 流速流速 传热系数传热系数 热阻热阻 管子振动管子振动 评价换热器评价换热器 分析及调整分析及调整 选项选项 总体设计尺寸总体设计尺寸 细长型细长型的换热器比的换热器比短粗型短粗型要经济，通常情况下要经济，通常情况下管管 长和壳径长和壳径之比为之比为5 10，但有时根据实际需要，长，但有时根据实际需要，长 、径之比可增到、径之比可增到15或或20，但不常见，但不常见。 对对立式热虹吸再沸器立式热虹吸再沸器，要控制其，要控制其长径比长径比在在3 10之之 内内。 3.5 软件计算结果的分析与设计方案调整软件计算结果的分析与设计方案调整 面积余量面积余量 面积余量值的大小取决于计算精度、实际经验及对现场的面积余量值的大小取决于计算精度、实际经验及对现场的 操作控制等。操作控制等。 对层流和过渡区流动，由于计算精度不好，故需要给出较对层流和过渡区流动，由于计算精度不好，故需要给出较 大的面积余量，通常需要在考虑了传热阻力值的大小和程大的面积余量，通常需要在考虑了传热阻力值的大小和程 序计算精度后决定。序计算精度后决定。 对再沸器，过大的面积余量反而是无益的，特别是在设备对再沸器，过大的面积余量反而是无益的，特别是在设备 运转初期，会发生如控制困难等操作问题。运转初期，会发生如控制困难等操作问题。 3.5 软件计算结果的分析与设计方案调整软件计算结果的分析与设计方案调整 A B C a.增加管数增加管数 用换热面积弥用换热面积弥 补传热系数的补传热系数的不足不足 b.减少管数减少管数 提高管侧流速提高管侧流速 仪提高膜仪提高膜传热系数传热系数 调整热阻数值较调整热阻数值较 大的相关项大的相关项 调整壳侧流速调整壳侧流速 面积余量不足面积余量不足的调整措施：的调整措施： 3.5 软件计算结果的分析与设计方案调整软件计算结果的分析与设计方案调整 压力降压力降 允许压力降尽可能利用，若计算压力降与允许压力降有实质差别，允许压力降尽可能利用，若计算压力降与允许压力降有实质差别， 则必须尝试改变设计参数。则必须尝试改变设计参数。 除所得压力降小于允许值外，应对压力降的分布作进一步校核，压除所得压力降小于允许值外，应对压力降的分布作进一步校核，压 力降必须大部分分布在换热率高的地方，如横掠管束的错流流动处；力降必须大部分分布在换热率高的地方，如横掠管束的错流流动处； 如果在接管或管窗处的压力降如果在接管或管窗处的压力降/总压力降较大，考虑增大接管尺寸及总压力降较大，考虑增大接管尺寸及 折流板间距。折流板间距。 进、出口接管的压力降希望控制在总压力降的进、出口接管的压力降希望控制在总压力降的30左右。左右。 特别对有轴向接管的换热器，接管部分压力降最好控制在总压力降特别对有轴向接管的换热器，接管部分压力降最好控制在总压力降 的的30以下，否则会造成管子进口处的偏流。以下，否则会造成管子进口处的偏流。 3.5 软件计算结果的分析与设计方案调整软件计算结果的分析与设计方案调整 为防止流体对壳程入口处的管子进行冲击，引起振动和腐蚀，一般均在为防止流体对壳程入口处的管子进行冲击，引起振动和腐蚀，一般均在 换热器壳程进口处设置防冲板或分布器，在计算压力降时要有所考虑。换热器壳程进口处设置防冲板或分布器，在计算压力降时要有所考虑。 另一个必须记住的事实：允许压力降是人为给定的，如果在设计中允许另一个必须记住的事实：允许压力降是人为给定的，如果在设计中允许 压力降得到了充分利用，而增加很少的压力降能较大的提高经济性，则压力降得到了充分利用，而增加很少的压力降能较大的提高经济性，则 应再行设计并考虑增加允许压力降的可能性。应再行设计并考虑增加允许压力降的可能性。 3.5 软件计算结果的分析与设计方案调整软件计算结果的分析与设计方案调整 调整折流板间距调整折流板间距 调整折流板圆缺率调整折流板圆缺率 改变折流板型式改变折流板型式 改变管子排列方式或管间距改变管子排列方式或管间距 改变壳体型式改变壳体型式 壳侧压力降壳侧压力降调节措施：调节措施： 3.5 软件计算结果的分析与设计方案调整软件计算结果的分析与设计方案调整 如果管径和管长已定，可改变管程数（如果管程数增如果管径和管长已定，可改变管程数（如果管程数增 加加N，那么压力降约增加，那么压力降约增加N3）。）。 若未规定管径和管长，要将管侧压力降调整到理想范若未规定管径和管长，要将管侧压力降调整到理想范 围，管长和管径都要发生变化。围，管长和管径都要发生变化。 由于壳侧和管侧的各种工艺参数的联合应用，仔细分由于壳侧和管侧的各种工艺参数的联合应用，仔细分 析中间结果能够节省时间，并可能获得较好的结果。析中间结果能够节省时间，并可能获得较好的结果。 管侧压力降管侧压力降调节措施：调节措施： 3.5 软件计算结果的分析与设计方案调整软件计算结果的分析与设计方案调整 流速流速 校核校核： 管子管子进出口处、壳侧进口处和接管内的进出口处、壳侧进口处和接管内的流速流速； 关注关注错流流速（错流流速（Cross flow）与窗口流速）与窗口流速(Window flow) 的的比值比值； 流速大小：流速大小：为为获得获得较大的传热系数和较小污垢沉积，较大的传热系数和较小污垢沉积，流体流体 流速在允许压力降范围内应流速在允许压力降范围内应尽量选高尽量选高一些一些，但，但流速过大会流速过大会 造成腐蚀并发生管子振动，而流速过小则管内易造成腐蚀并发生管子振动，而流速过小则管内易结垢结垢； 错流错流/窗口流：窗口流：对于对于单弓形折流板，错流流速与窗口流速单弓形折流板，错流流速与窗口流速 的比值应在的比值应在0.81.2之间，最好接近之间，最好接近1，对于窗口不布管（，对于窗口不布管（ NTIW），两者比值在），两者比值在23之间。之间。 3.5 软件计算结果的分析与设计方案调整软件计算结果的分析与设计方案调整 放大壳径：过大会导致管束旁路流过高，注意公制和英制的进级档不同；放大壳径：过大会导致管束旁路流过高，注意公制和英制的进级档不同； 放大支承板间距：过大会降低壳侧传热系数或超出放大支承板间距：过大会降低壳侧传热系数或超出TEMA最大无支承跨最大无支承跨 距要求；距要求； 减少管数：注意不要明显影响到换热面积或增加管程流速减少管数：注意不要明显影响到换热面积或增加管程流速/压力降；压力降； 注意壳程进口和出口侧支承板间距：如果太小可减小板间距来弥补此段注意壳程进口和出口侧支承板间距：如果太小可减小板间距来弥补此段 不足，如果太大则可将其平均分配给板间距可适当减少壳程压力降不足，如果太大则可将其平均分配给板间距可适当减少壳程压力降 壳侧流速壳侧流速调节措施：调节措施： 3.5 软件计算结果的分析与设计方案调整软件计算结果的分析与设计方案调整 同壳侧；同壳侧； 但是一般情况下公用工程流体会走管侧，如果但是一般情况下公用工程流体会走管侧，如果 流体为冷却水，则流速控制在流体为冷却水，则流速控制在1 m/s比较理想；比较理想； 若流速不满足要求则可增减管程数调整此值。若流速不满足要求则可增减管程数调整此值。 管侧流速管侧流速调节措施：调节措施： 3.5 软件计算结果的分析与设计方案调整软件计算结果的分析与设计方案调整 传热系数传热系数 从流体的相态、物性和以往经验上来分析计算结果是否合从流体的相态、物性和以往经验上来分析计算结果是否合 理。理。 污垢热阻的选取对传热系数也有很大的影响，对计算结果污垢热阻的选取对传热系数也有很大的影响，对计算结果 应综合分析，并结合实际经验来评定。应综合分析，并结合实际经验来评定。 3.5 软件计算结果的分析与设计方案调整软件计算结果的分析与设计方案调整 使用低翅管使用低翅管 减小换热管外径和管间距减小换热管外径和管间距 提高提高B流速度（可使用密封设备或减小壳体和折流板之流速度（可使用密封设备或减小壳体和折流板之 间的间隙）间的间隙） 选用选用F型或型或G型壳体型壳体 提高壳侧传热系数提高壳侧传热系数调节措施：调节措施： 3.5 软件计算结果的分析与设计方案调整软件计算结果的分析与设计方案调整 减小管外径减小管外径 增加管长增加管长 变换流动分布，管侧流动改为壳侧流动变换流动分布，管侧流动改为壳侧流动 提高管侧传热系数提高管侧传热系数调节措施：调节措施： 3.5 软件计算结果的分析与设计方案调整软件计算结果的分析与设计方案调整 热阻热阻 首先根据流体的物性及实际经验来推断一下传热系数值是首先根据流体的物性及实际经验来推断一下传热系数值是 否合理，应特别注意管内雷诺数的大小；否合理，应特别注意管内雷诺数的大小； 如果热阻在管侧和壳侧分布平衡，则该设计是比较合理的；如果热阻在管侧和壳侧分布平衡，则该设计是比较合理的； 如果一侧热阻值过大，应该分析原因，分析管、壳侧冷、如果一侧热阻值过大，应该分析原因，分析管、壳侧冷、 热流体的分布是否合理；如果是由于某一侧污垢热阻过大热流体的分布是否合理；如果是由于某一侧污垢热阻过大 而引起的，则可不必进一步修改原设计。而引起的，则可不必进一步修改原设计。 3.5 软件计算结果的分析与设计方案调整软件计算结果的分析与设计方案调整 （1）碰撞磨损：管子与管子，管子与折流支持板）碰撞磨损：管子与管子，管子与折流支持板 （2）管子与折流支持板界面，由于管子在支持板管孔间）管子与折流支持板界面，由于管子在支持板管孔间 碰撞和碰撞和/或滑动而磨损破坏。或滑动而磨损破坏。 （3）撞击与磨损的联合作用下的破坏。）撞击与磨损的联合作用下的破坏。 由以上破坏机理造成管壁减薄、管子变形、传热系数降低、减短管由以上破坏机理造成管壁减薄、管子变形、传热系数降低、减短管 子寿命等危害。子寿命等危害。 管子振动破坏机理管子振动破坏机理： 3.5 软件计算结果的分析与设计方案调整软件计算结果的分析与设计方案调整 （1）减小管子跨距长度：在增加自然频率同时也使错流速度增加。减小管子）减小管子跨距长度：在增加自然频率同时也使错流速度增加。减小管子