管壳式换热器设计问题探讨

管壳式换热器设计问题探讨
摘要在人们的日常供暖的生活中，换热器的使用非常普遍。

利用换热器将一次网的热量传送到二次网上，最后在到达热用户。

换热器的效率以及换热效果对于热量的利用非常重要，其中管壳式换热器应用也较多。

本文旨在讨论管壳式换热器设计的几个要点问题，为其设计提供意见及经验。

关键词管壳式换热器；设计；问题
引言
换热器是一种进行热交换的通用设备，它的用途就是将热量传递，在各个领域的应用都相当广泛。

换热器基本可以分为以下几類：直触式、间壁式以及蓄热式。

间壁式换热器里又包含管壳式，目前覆盖约90%的市场。

管壳式换热器的优点是结构简单、牢固、操作弹性大。

因此在管壳是换热器的设计过程中，在满足其他要求的条件下，将传热效率最大化具有相当大的意义。

管壳式换热器作为目前是国内应用最为广泛的换热器，加强它的换热效率，在其设计的时候要特别注意一些问题[1]。

1 管壳式换热器设计的基本原理[2]
1.1 热计算基本方程式
（1）传热方程式
这里Q代表的是计算热负荷，单位是瓦；k代表的是传热面的传热系数，单位是瓦/平方米乘以摄氏度；Df代表传热面积，单位是平方米；Δt表示两传热面温差，单位是摄氏度。

由此我们看出，对于传热面积的相关计算，要事先对换热器热负荷以及温差还有传热系数这些计算时用到的数值进行了解，以上这些就能够进行热计算。

（2）热平衡方程式
其中M1/M2代表的意思是热冷流体质流量，单位是千克/秒；i1/i2代表的是热冷流体的数值，单位是焦/千克；1、2分别表示的是进出口。

热平衡方程式除了用于求热交换器的热负荷外，有时也在已知热负荷的情况下，来确定流体的流量。

1.2 平均温差
流体在顺流与逆流的情况下，不同情况下的平均温差，在换热器内也不相同。

平均温差的计算方法有很多却各有不同，其中常用的有算术、对数以及积分平均温差等等，应根据具体计算情况而定。

1.3 传热有效度
传热有效度是指该换热的可能最大传热量与在实际情况中的传热量的比值，一般用ε来表示，即
ε = Q/QMAX
因为实际传热量总是小于最大传热量，所以ε的值小于1，传热有效度可以用来应用在效能-单元数法中计算传热量。

1.4 换热器计算方法的比较
根据不断进行验算以及实际经验的应用发现，在设计性热计算的过程中最好选择平均温差法，在校核性热计算的过程中可以选择传热单元数法。

1.5 流体流动方式的选择
流体的流动方式，主要考虑的是顺流与逆流的比较，因为其他几种流动方式都可以应用逆流与顺流的结果得出结论。

在进出口等温的时候，逆流温差相对要大一些，而顺流温差则是相反的。

因此我们能够得出结论，逆流情况下可以通过减少传热面积的方式传导较多的热量。

另外逆流情况下，冷流体出口温度与热的相比更高一些，而在顺流情况下则是相反的。

因此逆流时，流体的温度变化较大，而顺流则相对较小。

2 管壳式换热器需要设计的内容
管壳式换热器一般根据其结构的不同可以分为固定管板式、U型管式、浮头式和填料管式四种。

固定板管式换热器结构简单，重量轻，在壳程程数相同的条件下可排的管束多；U型管式换热器的清洗比较困难，且由于结构的问题，在更换内部管束的时候也相对比较困难，这些缺点限制了U型管式换热器的使用；浮头式换热器对于管子与壳体之间的温差大，壳程介质腐蚀性强、易结垢的情况都能很好地适应，但结构复杂，金属消耗多，造价贵；填料式换热器制造复杂，安装不便，且不宜用于易挥发、易燃、易爆、有毒和高压流体的交换。

2.1 管子在管板上的固定与排列
管子在管板上的固定应该满足连接牢固，常用的方法有胀管法与焊接法。

胀管法通常能够保障连接的严密性，但却更容易损坏管子；焊接法在高温高压的条件下仍能保证连接的紧密性，对于管板孔的要求较低，同时也比胀管法工艺简单。

管子在管板上排列式应该要考虑几个原则：①要保证管板有必要的强度，而且管子与管板的连接要坚固紧密；②设备要尽量紧凑，以便减少管板和壳体的直径，
并使管外空间的流通面积减小，以便提高管外流体的流速；③要使制造、安装和修理、维护简便。

在换热器里还应该安装分程隔板，是为了将管程分为若干流程。

分隔板的形状应该力求简单。

2.2 管程流通截面积的计算
计算管程流通截面积的基本方程是连续性方程，单管程热交换器的管程流通截面积为：。

这里说明一下：At代表的是管流截面积，单位是平方米；Mt表示的是流体质量流量，单位是千克/秒；Ρt代表的是流体密度，单位是千克/立方米；Wt表示的是流体流速，单位是米/秒。

计算时为保证流体以上述流量和流速通过换热器，所需管数为n=4At，每根管长为L=F/（πdn）。

2.3 确定壳体直径
要想确定壳体直径，首先我们应该对内径进行确定，与之相关的是管子的排列情况。

内径的确定我们一般用作图法，相关公式如下：
DS=（b-1）s+2b’
代表的是外层中心与内壁距离；表示的是管数。

2.4 计算壳程流通截面积
与壳程流通截面积计算有关的参数包括纵向隔板的数目以及尺寸，需要注意的是不同隔板计算时应该用不同公式。

2.5 计算进口与出口连接管直径
计算时应用到连续性方程，经简化后的计算公式为：
其中流速的数值应尽量选择与设备中间的相同，按上式算出的管径，还应圆整到最接近标准的管径。

接管接口应与壳体表面平齐，其他详细要求，可参考设计规范。

3 管壳式换热器设计时需要注意的问题。