大型管壳式冷凝器的优化设计

大型管壳式冷凝器的优化设计
王密;范飞;孔凡胜;牛晓娟;刘玉华
【摘要】冷凝器是制冷系统的核心部件,其性能的优劣直接影响着整个化工生产过程的高效稳定运行.基于水冷式蒸汽冷凝系统,利用HTRI软件完成了较大热负荷的管壳式冷凝器的优化设计,考察了串并联操作对大型管壳式冷凝器性能的影响,给出了不同工况下管壳武冷凝器的最佳设计方案.%As the core equipment in a cooling system,the performance of condensers plays an important role in the security and stability of the whole chemical production process.Based on the water-cooled vapor condensing system,shell and tube condensers with high exchanger duty were optimally designed using HTRI software.The influence of parallel connection and series connection on the performance of largescale shell and tube condensers was investigated and the most appropriate designs under different operation conditions were discovered.
【期刊名称】《压力容器》
【年(卷),期】2017(034)009
【总页数】5页(P43-47)
【关键词】管壳式冷凝器;HTRI软件;并联;串联;优化设计
【作者】王密;范飞;孔凡胜;牛晓娟;刘玉华
【作者单位】兰州兰石能源装备工程研究院有限公司,甘肃兰州730050;兰州兰石能源装备工程研究院有限公司,甘肃兰州730050;兰州兰石能源装备工程研究院有
限公司,甘肃兰州730050;青岛兰石重型机械设备有限公司,山东青岛266500;青岛
兰石重型机械设备有限公司,山东青岛266500
【正文语种】中文
【中图分类】TH49;TQ053.2;TQ050.2
0 引言
冷凝器作为热力系统中常用的热交换装置，在石油、化工、制冷、发电、动力、航空航天和微电子等领域扮演着重要角色[1-2]。

它能够将工艺段中排出的高温、高
压介质冷凝成液体并对外放热。

管壳式冷凝器是应用最广泛的一种冷凝设备，由壳体和包含许多管子的管束构成，冷、热流体通过管壁进行换热。

尽管其在结构紧凑性、传热强度和单位金属耗量方面不尽如人意，但由于结构坚固、处理能力大、选材范围广、适应性强、易于制造、生产成本低、清洗方便、占地面积小，适用于高温、高压工况，管壳式冷凝器仍在冷却装置应用中占有主导地位[3-4]。

冷凝器的合理设计不仅要满足工程中的换热需要，还要使它尽量达到合理的面积富裕度，从而减少金属耗材，同时还要满足允许的压降损失，减少操作费用。

作为占制冷机组总重量20%左右的冷凝器，它的准确设计计算对化工生产过程的稳定运
行和节能降耗有着重大意义[5-6]。

美国传热研究公司开发的换热器计算软件(HTRI)广泛收集了工业级热传递设备的试验数据，能够十分精确地进行各种换热器的性能预测，适用于管壳式冷凝器的优化设计[7-8]。

本文利用HTRI软件，结合具体的工程案例，在满足实际生产要求和
操作稳定性的前提下，综合考虑到设备造价、加工制造、清洗维护、节能降耗等因素，对大型管壳式冷凝器进行了优化设计。

1 工艺条件
某厂拟利用循环水冷凝水蒸气，采用管壳式冷凝器，要求传热负荷55 MW，气态水蒸气全部冷凝为液态水，压降小于35 kPa，循环水的压降小于50 kPa。

详细物性参数见表1。

表1 介质的物性参数物流进口温度/℃出口温度/℃进口压力/kPa污垢热阻
/(m2·K·W-1)水蒸气230805000.000172循环水6012016000.000172
2 结构设计
2.1 基本结构参数
管壳式冷凝器主要由壳体和封头组成。

B型封头制造方便，适用于高压、较清洁介质，相比平板封头，椭圆型封头受力更好且节省材料。

故工艺条件允许时，优先选用B型作为前封头[9]。

E型壳体可选折流板形式最多，流道最长，是最常见的壳体类型。

故本文选用B型前封头，E型壳体。

管壳式冷凝器设计常用的换热管外径为19，25，38 mm。

无污垢且压力在大气压以上的流体，如对冷凝器的压降没有特殊要求，可选用外径19 mm的换热管；介质易结垢的，一般选用外径25 mm的换热管，直径不宜太大，否则管内流体的实际流速变小，污垢更易沉积；真空环境或低压虹吸汽化移热等情况，可选用外径38 mm的换热管[10]。

本文根据工况选用外径25 mm的光管。

布管方式主要有三角形和正方形布管，其中三角形布管时管子数较多，换热面积更大。

在同一壳径中，采用三角形排列可比正方形排列的管束多排14%的管子，单位面积的金属耗量明显降低。

文中换热管按三角形排列，管间距设置为32 mm。

管壳式冷凝器的支撑结构主要有：弓形折流板、折流杆、螺旋折流板[11-12]。

弓形折流板具有传热膜系数高、结构简单、运行可靠、适用范围广、制造成本低等优点，是目前工程中最常见的类型。

因此，本文选用弓形折流板。

根据操作工况与项目实际，本文设计时换热管材料采用20号钢，其余承压件选用
Q345R。

设计余量设定为5.5%左右。

2.2 单台冷凝器设计
案例中冷热流体存在温度交叉，若采用单台冷凝器，必须是纯逆流操作，因此选用固定管板式(BEM型)管壳式冷凝器，其结构如图1所示。

在保证换热负荷，压降要求，避免流体诱导振动的前提下，本文分别对管内冷凝和管外冷凝两种工况下的管壳式冷凝器进行了设计，其结果见表2。

图1 BEM型管壳式冷凝器的结构示意
冷凝器的振动主要是由壳侧流体流动引起的[13]。

当采用管外冷凝时，由于壳侧蒸汽进口处流速过大，易引发管束振动，因此需要采用弓形区不布管(NTIW)来提高管束的固有频率，并通过扩大壳体直径来降低蒸汽对管束的冲刷，以避免流体诱导管束振动失稳，导致冷凝器的泄露和破坏[14]。

由表2可知，在满足工艺条件要求的情况下，与管外冷凝相比，管内冷凝时水蒸气的压降降低63.96%，循环水的压降上升555.3%，但总传热系数增加31.61%，所需的冷凝器换热面积降低
37.15%，重量减少51.2%，经济性更好。

表2 单台冷凝器的设计结果工况壳体内径/mm换热管长/m折流板管程压降/kPa 壳程压降/kPa总传热系数/(W·m-2·K-1)传热面积/m2重量/t管外冷凝25005.5弓形区不布管(NTIW),缺口20%,间距900mm5.574.44817.331421.2246.17管内冷凝15007单弓形,缺口25%,间距650mm1.636.51075.71893.322.53
2.3 两台冷凝器并联设计
当采用单台管壳式冷凝器进行管内冷凝时，壳侧循环水的压降较高。

因此，本文尝试用两台同规格的BEM型管壳式冷凝器并联的方式来降低壳侧循环水的压降，设计结果见表3。

表3 两台冷凝器并联的设计结果壳体内径/mm换热管长/m折流板管程压降/kPa 壳程压降/kPa总传热系数/(W·m-2·K-1)传热面积/m2总重量/t12005.5单弓形,缺
口25%,间距600mm0.93314.32979.53930.0724.19
对比表2和表3可以看出，当采用管内冷凝时，在满足工艺条件要求的情况下，
与一台BEM型管壳式冷凝器相比，虽然两台BEM型管壳式冷凝器并联使管侧水
蒸气压降降低41.69%，壳侧循环水压降降低60.77%，但总传热系数减少8.94%，所需的冷凝器换热面积增加4.12%，重量增加7.37%。

2.4 两台冷凝器串联设计
管内冷凝工况下，采用单台BEM管壳式冷凝器操作，壳体内径较大，换热管较长，本文还对两台同规格的BEM管壳式冷凝器串联操作的工况进行了设计，结果见表4。

表4 两台同规格的BEM型冷凝器串联的设计结果冷凝器壳体内径/mm换热管长
/m折流板管程压降/kPa壳程压降/kPa总传热系数/(W·m-2·K-1)传热面积/m2重量/t第1台第2台14003.8单弓形,缺口30%,间距
800mm2.2616.691553.64446.6413.010.92717.08648.78446.6412.38串联系统———3.1933.771101.21893.2925.39
对比表2和表4可以看出，当采用管内冷凝时，在满足工艺条件要求的情况下，
与一台BEM型管壳式冷凝器相比，虽然两台同规格的BEM型管壳式冷凝器串联
使壳侧循环水压降降低7.48%，总传热系数上升2.37%，所需的冷凝器换热面积
基本不变，但管侧水蒸气压降上升99.38%，重量增加12.69%。

由表4可以看到，第1台冷凝器的总传热系数是第2台冷凝器的2.39倍。

由表5可知，第1台冷凝器出口处管程蒸汽部分冷凝，2台冷凝器的壳程对流传热系数相差不大，而第2台冷凝器的管程对流传热系数为第1台的11.43%，热负荷为第1台的39.7%，说明第2台冷凝器没有很好地发挥作用。

因此，采用两台同规格的BEM型管壳式冷凝器串联操作是不经济的，造成第2台冷凝器换热面积严重浪费。

针对管内冷凝，由于其换热系数与两相流流型之间存在很大的关联，若在冷凝过程
中避免复杂两相流流型的形成，换热系数将会大大提高[15-19]。

若采用两台同规格的BEM型管壳式冷凝器串联操作，两台冷凝器均存在两相流，对传热不利，因此可以考虑采用两台不同规格的管壳式换热器串联操作，利用第1台换热器使水蒸气全部冷凝成水，利用第2台换热器对冷凝水进行降温。

表5 两台同规格的BEM型冷凝器串联时的操作工况冷凝器管程温度/℃管程气相分率进口出口进口出口管程对流传热系数/(W·m-2·K-1)壳程对流传热系数/(W·m-2·K-1)热负荷/MW第1台230151.4110.20110457.38973.439.37第2台151.41800.20101195.517712.5715.63
图2 BEU型管壳式冷凝器的结构示意
此外，采用两台冷凝器串联设计可以有效避免温度交叉，无需纯逆流操作。

考虑到冷热流体温差较大，若采用BEM型管壳式冷凝器，需设置膨胀节以消除热应力，使制造成本显著增加，且不利于后期清洗维护。

因此，本工程案例宜采用U型管式(BEU型)管壳式冷凝器，其结构示意图如图2所示。

BEU型管壳式冷凝器管束可移动，壳侧容易清洗，能够很好地消除热应力，与BEM型管壳式冷凝器相比少一块管板，经济性更好。

本文对两台不同规格的BEU型管壳式冷凝器串联操作的工况进行了设计，结果见表6。

其中，第1台冷凝器出口处管程蒸汽全部冷凝。

表6 两台不同规格的BEU型冷凝器串联的设计结果冷凝器壳体内径/mm换热管长/m折流板管程压降/kPa壳程压降/kPa总传热系数/(W·m-2·K-1)传热面积/m2重量/t第1台14005.4单弓形,缺口30%,间距
600mm11.6927.71626.05572.615.4第2台12003单弓形,缺口30%,间距
600mm0.213.35710.51220.728.6串联系统———11.941.051371.33793.3224 对比表2和表6可以看出，当采用管内冷凝时，在满足工艺条件要求的情况下，与一台BEM型管壳式冷凝器相比，虽然两台不同规格的BEU型管壳式冷凝器串
联使总传热系数增加27.48%，所需传热面积减少11.19%，但管侧水蒸气压降上
升643.75%，壳侧循环水压降上升12.47%，冷凝器的重量增加6.52%。

由表6可以看到，第1台冷凝器的总传热系数是第2台冷凝器的2.29倍。

由表7可知，两台冷凝器的壳程对流传热系数相差不大，而第2台冷凝器的管程对流传
热系数为第1台的8.94%，热负荷为第1台的12.82%。

结合表5可以发现，与
两台同规格的BEM型冷凝器串联相比，采用两台不同规格的BEU型冷凝器串联时，第1台冷凝器的管程对流传热系数上升47.04%，第2台冷凝器的管程对流传热系数上升15.03%，但第2台冷凝器的管程对流传热系数较第1台降幅更为显著，这说明第2台冷凝器总传热系数低，主要是由相变引起的管程对流传热系数下降
导致的。

2.5 方案对比
对比上述各设计方案，可以发现：对于传热负荷要求较大的蒸汽冷凝系统，采用单台BEM型管壳式冷凝器时，设备的质量最小；采用两台BEM型管壳式冷凝器并
联操作时，设备的动能损耗最小。

但对于BEM型管壳式冷凝器，当冷热流体温差超过50 ℃时，壳体应考虑设置膨胀节，以防止产生较大热应力，造成管板失效[20]。

BEU型管壳式冷凝器的管束可在壳体内自由伸缩，无温差应力，适用于冷
热流体温差较大的场合。

采用两台不同规格的BEU型管壳式冷凝器串联操作，既
可以有效消除系统的热应力，又可将管束抽出清洗，便于后期维护。

虽然与单台BEM型管壳式冷凝器相比，两台BEU型管壳式冷凝器的质量增加了1.47 t，但考虑到膨胀节的造价较高，二者的制造成本相差不大。

因此，对于热负荷较大的水冷式蒸汽冷凝器，在厂房空间富裕，动力设备性能充足的情况下，考虑到设备的长期稳定运行和后期清洗维护，应优先选用两台不同规格的BEU型管壳式冷凝器串联操作；在厂房空间紧张的情况下，应优先选用单台BEM型管壳式冷凝器；在厂房空间富裕，动力设备性能较差的情况下，应优先选
用两台BEM型管壳式冷凝器并联操作。

3 结语
作为制冷系统的重要部件，冷凝器传热性能的优劣直接影响着整个化工过程的高效稳定运行。

但冷凝器的优化设计是一个多变量、多约束的非线性规划决策问题，涉及到性能优劣、运行状态、空间布置、投资成本、操作费用、清洗维护等多方面因素，应综合考虑制冷系统中的其他主要部件，有针对性地选择优化方案。

本文基于水冷式蒸汽冷凝系统，利用HTRI软件完成了较大热负荷的管壳式冷凝器的优化设计，考察了串并联操作对大型管壳式冷凝器性能的影响，并给出了不同工况下冷凝器的最佳设计方案。

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