_管壳式换热器热工选型计算

1、2014年 第 1期 化学工程与装备2014年 1月 Chemical Engineering & Equipment101管壳式换热器热工选型计算陈 亮(兰州兰石重型装备股份有限公司技术研发中心,甘肃 兰州 730000摘 要:本文探讨了运用 HTRI 软件进行管壳式换热器热工选型计算的一般步骤要求,提出了对设计过程 中常见问题的解决方案,可以为此类换热器的设计选型提供参考。 关键词:管壳式换热器;热工设计;HTRI;选型计算 引言管壳式换热器是石油、 化工、 动力和原子能等行业中应 用最广泛的间壁式传热型换热器, 其既可是一种单元设备, 如加热器、 冷却器和凝汽器等; 也可是某一工

2、艺设备的组成 部分, 如氨合成塔内的换热器, 适用范围从真空到超高压 (超 过 100MPa,从低温到高温(超过 1100, 其作为化工 生产中重要的单元设备, 约占市场多于 65%的份额,因此对 于工程设计人员来说,管壳式换热器的设计计算十分重要。现结合某国内项目氨蒸发器的选型计算,介绍利用 HTRI 选型计算的基本要素及注意事项。 1 计算步骤设计时先选择 D esign mode 输入基本数据以确定初步 方案,继而选择 Simulation 及 Rating mode,并调整壳体 和换热管的直径、折流板数、折流板间距、换热管数目、折 流板切口等参数详细计算以符合设计要求。 1.1 输入数

3、据及运行 D esign mode运用 HTRI 软件进行管壳式换热器的选型设计,首先需 要完成数据的输入, 输入数据主要分为传热数据和机械数据 两部分,在 Input summary 模块下的 Geometry、Piping、 Process、Hot Fluid Properties、Cold Fluid Properties、 D esign 和 Control, 需要输入数值的地方都以红框显示, 软 件默认值及单位显示在窗口上, 如下图 1所示: 图1 HTRI数据输入界面1.2 运行 Rating mode根据软件在 D esign mode 中计算出的壳径, 换热管规格 大小、 排列

4、角度, 折流板的切割方式等基本信息, 选择运行 Rating mode 模式和 Simulation mode模式,在 Inputsummary 页面调整换热器的规格, 使得管程压降和壳程压降 都满足允许压降, 传热系数大, 保证传热效率高, 实际传热 Actual U 大于要求传热 Required U,调整到合适的换热面积 裕量,选择较大的有效温差值,如下图 2所示:102 陈 亮:管壳式换热器热工选型计算 图2 计算数据输出数据表1.3 调整、优化选型结果模拟完成后,查看运行程序结果 Program Messages, 软件将给出计算的相应提示, 可能显示为 Fatal、 warning

5、 、 Informative Messages的全部或部分信息,一般是关于振 动(vibration的问题较常见,可以再重新点击到输入栏 (Input中进行相应的设置,再次运行软件直至计算结果 满足要求。2 计算过程中常见的问题及其解决方法 2.1 速过高的调节措施(1适当放大设备壳径(2在不会降低壳侧传热系数的范围下适当增大支承 板间距(3不会明显影响管程流速和压降的前提下适当减少 换热管数2.2 振动 Vibration 以及流体诱发振动 FIV 2.2.1 减小振动措施(1减小无支承管跨(2在可调范围内调整折流板间距(3 对于单弓形折流板, 采用弓形区不布管 (Segmental NTI

6、W2.2.2 FIV最容易出现的区段(1管束中两块折流板间距最大的无支承的中间跨度 (2U 形换热管束的 U 形弯处(3管束旁流和管程分程隔板流道内的管子处 (4壳程进口管口下的换热管处 (5管束周边在弓形折流板口区的管子改变换热管的材质后有可能使原来没有的 FIV 问题产 生,这样就需要比原设计增加支承板去避免 FIV。 2.2.3 预防 FIV 的一些措施(1减小无支承管跨 (2设置管束 U 形弯头支承(3设置密封板或密封条以增加流阻,限制在临界截 面处的流动(4在壳程进口设置防冲挡板,或者增大壳径 (5采用双弓形折流板(6避免折流缺口不要过大或过小,以免流速分布不 均或者局部高流速诱发振

7、动(7如果可以改变壳体型式,将 E 型改为 X 或者 J 型 (8增加管口与管束之间的距离,添加环形分配器, 即在 Input summary界面下选择 D istributorsAnnular distributor,且输入其相关的三维参数。 2.3 总传热系数即裕量不足的调节措施(1增加管数,即用增大传热面积来弥补传热系数的 不足(2减少管数,即提高管侧流速以提高膜传热系数 2.4 关于 Clearance 的相关问题流经管束的壳侧流体被HTRI程式分为5个部分 (A、 B、 C、 E、F ,如下图3所示:陈 亮:管壳式换热器热工选型计算 103 图 3 换热器流路分析图Tube-to-

8、baffle:为管子与折流板管孔的间隙,称为 A 流;Baffle-to-shell:折流板到壳体的间隙,称为E流; Bundle-to-shell:管束到壳体的间隙,称为C流; Pass partition:管程分程隔板处的中间穿流流路称为F流;对传热最有利的为Main Cross flow称为B流,我们理想 的情况是尽可能的保证B流大,传热利用最好;如果E流的间隙大于30mm,通常加密封条; 如果壳侧进口或者出口流速过大,增大Height under Nozzles,如下图4所示: 图4 模拟计算中Clearance的调节界面在 HTRI 软件输入界面中 Clearance 选项下, D

9、iametral Clearance 的输入项可以由软件根据 TEMA 标准默认间距值 输入, 也可以手动输入。 TEMA 对于上述间隙的计算与 GB151略有差别,但相差不大。 2.5 壳侧压降太大的调节方法:(1稍微调大折流板间距 spacing (2改变折流板的形式(3改变管子的排列方式和间距 Pitch(4调整折流板切口 Cut (5改变壳体形式 3 一些选值时的经验3.1 换热器软件计算的裕量 Overdesign对于 single phase overdesign:0-5%; 对于 two phase overdesign:5%-10%;如果 overdesign <0,则此

10、值无效, 必须调整结构重新 模拟计算;104 陈 亮:管壳式换热器热工选型计算3.2 关于换热管外径 Tube OD 的选择在换热管外径 Tube OD 下拉键列出的标准管径中选取, 最常见的为 19mm、25mm、32mm 等。管子数 tube count:一般是参考 D esign mode下 run 出 的数值打九折后再取偶数根,再根据结果进行微调整。 管长和壳体内径 I D 的比例应该适当,一般 L/ID =4-6; 3.3 工艺污垢 Process Fouling的选择输入输入工艺污垢信息, 如污垢热阻、 污垢层厚度等, 设计 时一般把污垢因素作为一个安全因素考虑, 用污垢热阻的设

11、计来弥补换热器负荷的不足。HTRI 计算各参数的相互关系 时不需要额外的安全因素, 在要求的工艺条件下通过输入反 映换热器热阻的数值可以获得最佳设计。壳侧热阻层厚度=268×壳侧污垢热阻;管侧热阻层厚度=134×管侧污垢热阻;如果输入了 Fouling layer thermal conductivity即 导热性和相应的热阻层厚度, 软件会从中计算出热阻值进行 对比,有差异的话,软件会在 Runtime report 中显示一个 警告信息,并使用输入的热阻值。3.4 折流板的间距Single-segmental 单弓形折流板是最常见的折流板类 型,能最有效的把压降转移到热

12、交换中;D ouble-segmental 双弓形折流板用于在单弓形折流板 无法满足允许压降限制的情况下;Segmental/NTIW,即 No-tubes-in-window(NTIW,弓形 缺口区不排管,可保证所有的管子都得到折流板的支承, 一般用于管子振动破坏需要考虑时,特点:(1压降只有单弓形折流板的 1/3左右(2壳程流动均匀且类似理想管束,传热系数高,不 易结垢(3窗口区压降很小,旁路及泄流量小(4弓形缺口区不排的管子大约为 15%-25%,可采用 较小的弓形缺口, 提高壳程流速或适当调大壳径以便维持相 同数量管子。None,即为没有折流板,一般在再沸器即 K 型的换热器 及交叉流

13、 X 型的换热器的壳体中使用,折流板的间距问题的选择:折流板间距一般为壳体内径 Shell I D 的 0.2-1倍,而 且需要不小于 50m, 经验值的最佳值在壳径的 0.3-0.6之间; 折流板的数目 Cross pass 在换热器为卧式即水平放置 的情形下一般为奇数个, 若为立式的没有特别要求但习惯于 使用奇数个;3.5 切割定位折流板的切割方向, 在软件的 Baffle geometry 选栏下, type 中有三种选择,垂直切割 perpendicular,水平切割 parallel,系统选择 program sets。在选择设计模式下时通常先选择 program sets,让软 件

14、先根据工艺条件以及管口的位置等设定;当壳侧是沸腾液体时, 考虑水平切割 (管入口在上部的 垂直切割折流板或者垂直定向;在重力控制流体的流动时, 垂直切割 (管入口在上部的 水平切割折流板会引起相分离;当我们在软件的 Shell geometry中 Orientation 选择 Horizontal 即壳体为水平放置时, 如果在 Baffle geometry 中选择 Parallel,这里所指的水平是相对于竖直的管口中 心线为参照物的,实际的折流板的切割方向为纵向切割的, 即壳体中流体流动方向为左右穿插前进的;如果 Baffle geometry 中选择 Perpendicular, 这里所指的垂直也是相对 垂直于竖直的管口中心线, 实际折流板的切割方向为横向切 割的,即壳体中流体流动方向为上下翻滚前进的。4 总结本文结合国内某项目氨蒸发器工业实际应用, 对管壳式 换热器选型设计软件 HTRI 的操作界面、计算流程进行了梳 理归纳, 总结了管壳式换热器设计中主要结构参数选用的一 些原则, 并阐述了参数选择、 过程模拟中常见的一些问题及 相应的解决方法。 可为管壳式换热器的工程设计时, 熟练的 利用热工计算软件 HTRI 进行选型计算提供参考