管壳式换热器的设计和选型.docx

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管壳式换热器的设计和选型

管壳式换热器的设计和选型

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。

1．管壳式换热器的基本参数和型号表示方法

（1）基本参数管壳式换热器的基本参数包括：

①公称换热面积  ；

②公称直径  ；

③公称压力  ；

④换热器管长度  ；

⑤换热管规格；

⑥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──换热器代号

2──公称直径DN，mm；

3──管程数：

ⅠⅡⅣⅥ；

4──公称压力PN，MPa；

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：

G800I-0.6-110

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。

（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

（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。

①不洁净和易结垢的流体宜走管程，因为管程清洗比较方便。

②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。

③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。

④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。

⑤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。

⑥有毒易污染的流体宜走管程，以减少泄漏量。

⑦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（Re>100）下即可达到湍流，以提高传热系数。

⑧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α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

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，mPa·s

>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

安全允许速度，m/s

<1

<2~3

<10

（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5~10℃。

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

①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25×2.5mm及19×2mm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4~6。

②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

1014192532384557

换热管中心距，mm

1419253240485772

（5）管程和壳程数的确定

①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

──管程内流体的适宜速度，m/s；

──管程内流体的实际速度，m/s。

②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。

（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10~40%，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。

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。

【播放动画4-3】挡板缺口高度及板间距的影响。

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。

（7）外壳直径的确定换热器壳体的直径可采用作图法确定，即根据计算出的实际管数、管长、管中心距及管子的排列方式等，通过作图得出管板直径，换热器壳体的内径应等于或稍大于管板的直径。

但当管数较多又需要反复计算时，用作图法就太麻烦。

一般在初步设计中，可参考壳体系列标准或通过估算初选外壳直径，待全部设计完成后，再用作图法画出管子的排列图。

为使管子排列均匀，防止流体走“短路”，可以适当地增加一些管子或安排一些拉杆。

初步设计可用下式估算外壳直径：

（4-115）

式中

──壳体直径，m；

──管中心距，m；

──位于管束中心线上的管数；

──管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离，一般取，m。

值可由下面公式估算：

管子按正三角形排列

（4-116）

管子按正方形排列

（4-117）

式中n为换热器的总管数。

应予指出，按上述方法计算出壳内径后应圆整，壳体标准常用的有159、273、400、500、600、800、1000、1100、1200  等。

（8）流体通过换热器的流动阻力（压降）计算流体流经管壳式换热器的阻力，应按管程和壳程分别计算。

①管程流动阻力计算对于多管程换热器，其总阻力  为各程直管阻力、回弯阻力及进、出口阻力之和。

相比之下，进、出口阻力较小，一般可忽略不计。

因此，管程总阻力的计算公式为

（4-118）

式中

──因直管摩擦阻力引起的压降，Pa；

──因回弯阻力引起的压降，Pa；

──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

（4-119）

②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）

其中

（4-121）

（4-122）

式中

──流体横过管束的压降，Pa；

──流体通过折流挡板缺口的压降，Pa；

──壳程结垢校正系数，无因次，对于液体，对气体或蒸汽；

──管子排列方式对压降的校正系数，对正三角形排列，对转角正方形排列，对正方形排列；

──壳程流体的摩擦系数，当时，，其中；

──折流挡板数；

──折流挡板间距，m；

──按壳程流通截面积计算的流速，m/s，而。

2．设计与选型的具体步骤

管壳式换热器的设计计算步骤如下：

（1）估算传热面积，初选换热器型号

①根据换热任务，计算传热量。

②确定流体在换热器中的流动途径。

③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。

④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。

⑤根据两流体的温差和设计要求，确定换热器的型式。

⑥依据换热流体的性质及设计经验，选取总传热系数值   。

⑦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规格。

（2）计算管、壳程压降根据初选的设备规格，计算管、壳程的流速和压降，检查计算结果是否合理或满足工艺要求。

若压降不符合要求，要调整流速，再确定管程和折流挡板间距，或选择其它型号的换热器，重新计算压降直至满足要求为止。

（3）核算总传热系数计算管、壳程对流传热系数，确定污垢热阻  和  ，再计算总传热系数  ，然后与  值比较，若  ，则初选的换热器合适，否则需另选  值，重复上述计算步骤。

应予指出，上述计算步骤为一般原则，设计时需视具体情况而定。