管壳式换热器的有效设计-外文翻译

武汉工程大学邮电与信息工程学院

毕业设计(论文)外文资料翻译

原文题目： Effectively Design Shell-and-Tube Heat Exchangers 原文来源： Chemical Engineering Progress

February 1998

文章译名：管壳式换热器的优化设计

姓名： xxx

学号： 62021703xx

指导教师(职称)：王成刚（副教授）

专业：过程装备与控制工程

班级： 03班

所在学院：机电学部

管壳式换热器的优化设计

为了充分利用换热器设计软件，我们需要了解管壳式换热器的分类、换热器组件、换热管布局、挡板、压降和平均温差。

管壳式换热器的热设计是通过复杂的计算机软件完成的。然而，为了有效使用该软件，需要很好地了解换热器设计的基本原则。

本文介绍了传热设计的基础，涵盖的主题有：管壳式换热器组件、管壳式换热器的结构和使用范围、传热设计所需的数据、管程设计、壳程设计、换热管布局、挡板、壳程压降和平均温差。关于换热器管程和壳程的热传导和压力降的基本方程已众所周知。在这里，我们将专注于换热器优化设计中的相关应用。后续文章是关于管壳式换热器设计的前沿课题，例如管程和壳程流体的分配、多壳程的使用、重复设计以及浪费等预计将在下一期介绍。

管壳式换热器组件

至关重要的是，设计者对管壳式换热器功能有良好的工作特性的认知，以及它们如何影响换热设计。管壳式换热器的主要组成部分有：壳体

封头

换热管

管箱

管箱盖

管板

折流板

接管

其他组成部分包括拉杆和定距管、隔板、防冲挡板、纵向挡板、密封圈、支座和地基等。

管式换热器制造商协会标准详细介绍了这些不同的组成部分。

管壳式换热器可分为三个部分：前端封头、壳体和后端封头。图1举例了各种结构可能的命名。换热器用字母编码描述三个部分，例如，BFL 型换热器有一个阀盖，双通的有纵向挡板的壳程和固定的管程后端封头。根据结构

固定管板式换热器：固定管板式换热器（图2）内装有直的换热管，这些管束两端固定在管板上，管板则被焊接在壳体上。它可能有可拆卸的管箱盖（例如AEL），封头式管箱盖（例如BEM）或者整体管板（例如NEN）。固定管板式换热器的主要优势是结构简单，成本低。事实上，固定管板式换热器只要没有设置膨胀节的必要即为成本最低的换热器类型。

另一个显著的优势是拆除管箱后，换热管内部可以进行机械清洗，而且由于没有法兰连接，壳程流体的泄漏量最少。

这种设计的缺点是由于管束固定在管板上不能拆卸，所以换热管外部没法进行机械清洗。因此它的适用范围局限在壳程侧走干净介质。然而要是能够采用令人满意的化学清洗方法。壳程走不干净的介质时也可以选用固定管板式换热器。

在管程和壳程温差大的情况下，管板又无法吸收温差，因此需要一个膨胀节。在很大程度上，这减少了低成本的优势。

图1管壳式换热器主要设计部件

U型管换热器：顾名思义，U型管换热器（图3）的换热管被弯成

了U形。U型管换热器只有一块管板。然而单管板低成本的这一优势却被U型管弯制及要求壳体直径增大（根据U型弯头最小弯曲半径）而增加的费用所抵消了。这使得U型管换热器的制造成本与固定管板式换热器的成本不相上下。

图2固定管板式换热器

U型管换热器的优点是管束的一端是自由的，所以管束可以随着应力的不同而膨胀或收缩。此外，由于换热管束可以拆卸所以管子外壁可以进行清洗。

U型管换热器的缺点是管子内壁没法进行有效地清洗，因为U型弯头需要灵活的旋转清洗头来清洗。因此，U型管换热器换热管内部不应走不洁净介质。

浮头式换热器：浮头式换热器是管壳式换热器最通用的类型，也是最昂贵的。在浮头式换热器的设计中，一端管板被固定在壳体上，另外一端在壳体中自由移动。使管束能自由膨胀，也使换热管内外壁都能够清洗。因此，浮头式换热器适用于管程和壳程都走不洁净介质的场合。这使得标准类型浮头式换热器可用于不洁净介质的场合，例如石油精炼。

图3 U型管换热器

浮头式换热器有各种类型，其中最普遍的有两种，即带钩圈的可抽式浮头（TEMA S）换热器和可抽式浮头（TEMA T）换热器。

带钩圈的可抽式浮头式换热器（图4）是化学过程工业（CPI）中最常

见的装置。浮动端盖通过螺栓将管板连接到一个分块式的衬环上来保证管板的浮动。封闭的浮动顶盖位于壳体端部的外端并被一个更大直径的壳外上盖所包含。在拆卸浮头式换热器时，壳外上盖最先被拿掉，然后是分块式的衬环，然后是浮动顶盖，最后管束就可以从固定端拆卸下来了。

图4带钩圈的可抽式浮头换热器

可抽式浮头换热器（图5）因为壳体直径比浮动头法兰大，所以整个管束包括装配好的浮动端盖可以从固定端拆卸下来。浮动端盖由螺栓直接连接在浮动管板上所以不需要分块式的衬环。

图5可抽式浮头换热器

这种换热器的优点是管束可以连同壳体或者浮动端盖一起拆下来，从而减少了维护时间。这种设计特别适用于有不洁净介质的再沸器的设计，U型管不能用于这种再沸器中。由于增大了壳体，所以这种换热器是最贵的一种类型。

有两种结构的浮动头换热器：外部装配填料函式（TEMA P）和外部装配套环式（TEMA W）(见图1)。然而，因为它们容易泄漏，其使用仅限于换热器壳程流体是无毒物质，且温度压力都适中（40kg/cm2和300℃）。根据使用范围

基本上，换热器使用时可能是单相的（如冷却或加热液体或气体）或

者两相（如冷凝或蒸发）。由于管壳式换热器有两个使用方向，这可能导致了几种组合的服务。

从广义上讲，服务可以分为以下几类：

单相（包括管程和壳程）

冷凝（一边冷凝一边单相）

气化（一边气化一边单相）

冷凝/气化（一边冷凝，一边气化）

下列术语经常被使用：

换热器：两边都是单相且均为工艺物流（即一种公用介质也没有）。

散热器：一侧物流为工艺流体，另一侧冷却水或空气。

加热器：一侧物流为工艺流体，另一侧为公用的加热介质，如蒸汽或热油。

冷凝器：一侧物流为冷凝气，一侧为冷却水或空气。

冷却器：一侧物流为低于大气温度下被冷凝的工艺流体，另一侧为沸腾制冷剂或工艺流体。

再沸器：一侧物流在蒸馏塔底部流动，另一侧是公用加热介质（蒸汽或热油）或工艺流体。

本文将具体侧重于单相应用。

设计数据

在开始设计前，让我们看看实际传热设计中工艺人员应该提供的一些数据。

1.两物流的流量。

2.两物流的进出口温度。

3.两物流的操作压力：对气体介质十分必要，特别是没有提供气体的

密度时。但对液相介质而言，因其特性并未随压力而改变，因此就

不一定需要。

4.两物流的允许压力降。这是换热器设计非常重要的参数。一般而言，

对液体来说，壳体中允许值是0.5~0.7kg/cm2。粘稠液体允许有较高

的压降，特别是在管程端的。对于气体来说允许的数值在0.05~0.2

kg/cm2之间，一般为0.1 kg/cm2。

5.两物流的污垢阻力。如果这没有提供，设计者应该采用TEMA标