管壳式换热器的设计要点

管壳式换热器的设计要点

换热器的设计过程包括计算换热面积和选型两个方面。有关换热器的选型问题，前面已经讲过了，下面主要介绍管壳式换热器的设计要点及如何分析计算结果、调整计算，而设计出满足工艺需要的、传热效率高的换热器。

11.1设计计算的基本模型及换热器的性能参数

换热器的性能主要是通过下列公式来描述的。

a.冷、热两流体间热量平衡

Qreq=(WCpΔT)hot=(WCpΔT)cold

W--流体质量流量

Cp--流体的比热

hot--热流体

cold--冷流体

ΔT--进出口温度差

b.传热率方程

Qact=(A)(ΔTm)(1/ΣR)

ΣR=(1/hi)o+(1/ho)o+(Rf)o+(Rw)o

ΣR--总热阻

A--传热面

hi、ho--分别为两流体的传热膜系数

Rf--两流体的污垢热阻

Rw--金属壁面热阻

ΔTm--平均温度差

O--通常换热计算以换热管外表面为基准

c. 传热率的估算

Qact≥Qreq

d. 对压力降的限制条件

(ΔPi)act≤(ΔPi)allow

(ΔPo)act≤(ΔPo)allow

ΔP--压力降

下标i表示管内

下标o表示管外

11.2 换热器的计算类型

换热器的计算类型常分为设计计算和校核计算两大类。换热器计算一般需要三大类数据：结构数据、工艺数据和物性数据，其中结构数据的选择在换热器中最为重要。在管壳式换热器的设计中包含有一系列的选择问题，如壳体型式、管程数、管子类型、管长、管子排列、折流板型式、冷热流体流动通道方式等方面的选择。工艺数据包括冷、热流体的流量、进出口温度、进口压力、允许压降及污垢系数等。物性数据包括冷、热流体在进出口温度下的密度、比热容、粘度、导热系数、表面张力。

a.设计计算 Design

设计计算就是通过给定的工艺条件，来确定一台未知换热器的结构参数，并使其结构最优、尺寸最小。对设计计算应先确定下列基本的几何参数：

－－管长

－－管间距

－－流向角

－－换热管外径及管壁厚

b.校核计算 Rating

校核计算就是评估一台已知换热器的传热性能，即通过校核设备的几何尺寸来看其是否能满足传热要求。校核计算应已知下列基本的几何参数：

－－管程数

－－壳内径/管数

－－折流板间距/折流板数

－－管长/管间距

－－流向角

－－管内径/管壁厚

11.2.1设计元素的选取

设计计算时应考虑下列的几个基本设计元素：

－－壳体型式：TEMAE，F，G，J，K，X。

－－壳内径：通常最大为2米。

－－换热管几何尺寸：光管、翅片管

管径(19mm,25.4mm等)

管长系列(3m,5m,6m,7.2m等)

－－管子排列角：30°，60°，45°，90°

－－管间距：1.25 ~ 1.50倍的管子外径

－－折流板型式：单圆缺、双圆缺、管窗内不排管及为防止管子振动而加的支承板。

11.3 最终计算结果的分析

目前，换热器计算常用的计算软件为美国的HTRI和英国的HTFS，这两大软件均为在国际上享有盛誉的传热设备专用计算软件。当设计计算结束后，如何根据实际的工况，来判断计算结果是否满足要求，出现问题后如何解决，这对设计者来说都是很重要的,在评价最终设计计算时应考虑并校核以下各项。

11.3.1 总体设计尺寸

细长型的换热器比短粗型要经济，通常情况下管长和壳径之比为5 ~ 10，但有时根据实际需要，长、径之比可增到15或20，但不常见。对立式热虹吸再沸器，要控制其长、径比在3 ~ 10之内。

11.3.2 热阻大小

首先根据流体的物系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。在层流流动(管侧Re<2000,壳侧Re<300)和过渡区流动中，应使用分段计算的方式(HTFS程序无此功能)，以确保传热系数值计算的正确。在评估计算结果的同时，应考虑程序计算的精确度。如果热阻在管侧和壳侧分布平衡，则该设计是好的，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系数过大而引起的，则可不必进一步修改原设计。

11.3.3 设计余量

换热器设计计算时设计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。例如：对冷却水换热器，当水流速大于1.5m/s时，没必要给出过大的设计余量，过大

的余量反而会造成水流速的降低。但对层流和过渡区流动，由于计算精度不好，故需要给出较大的设计余量，通常需要在考虑了传热阻力值的大小和程序的计算精度后决定。对再沸腾器，过大的设计余量反而是无益的，特别是在设备运转初期，会发生如控制困难等操作问题。另外，有些设计计算，为了满足允许压降值的限制，可能会造成设计余量较大，此时应根据实际经验来判定计算结果是否正确或对允许压降值的大小作适当的调整。

11.3.4 压降的利用和分布

允许压降必须尽可能加以利用，如果计算压降与允许压降有实质差别，则必须尝试改变设计参数。在校核了计算所得压降值是否小于允许值之后，应对压降的分布作进一步的校核，这其中包括有进、出口接管处压降、错流和管窗流的压降,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；如果在接管或管窗处的压降占总压降的比例较大，应考虑增大接管尺寸及折流板间距。一般对进、出口接管的压降希望控制在总压降的3 0％左右。特别对有轴向接管的换热器，接管部分的压降最好控制在总压降的30％以下，否则会造成管子进口处的偏流。为防止物流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，在计算压降时要有所考虑。另一个必须记住的事实是，允许压降是人为给定的，所以，如果在设计中允许压降得到了充分利用，而增加一点压降会增加很大的经济性，则应再行设计并考虑增加允许压降的可能性。

11.3.5 流速

需校核管子进出口处、壳侧进口处和接管内的流速。一般来说流体流速在允许压降范围内应尽量选高一些，以便获得较大的换热系数和较小污垢沉积，但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结垢。对冷却水系统，设计计算时可参考下表中推荐的值(碳钢管)。

如果冷却水的流速低于上表中的最小流速，最好征得工艺工程师的同意增大允许压降或变化冷却水的流率。