_管壳式换热器热工选型计算

_管壳式换热器热工选型计算
2019年第1期 2019年1月化学工程与装备
Chemical Engineering & Equipment
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管壳式换热器热工选型计算
陈亮
（兰州兰石重型装备股份有限公司技术研发中心，甘肃兰州 730000）
摘要：本文探讨了运用HTRI软件进行管壳式换热器热工选型计算的一般步骤要求，提出了对设计过程中常见问题的解决方案，可以为此类换热器的设计选型提供参考。

关键词：管壳式换热器；热工设计；HTRI；选型计算引言
管壳式换热器是石油、化工、动力和原子能等行业中应用最广泛的间壁式传热型换热器，其既可是一种单元设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的换热器，适用范围从真空到超高压（超过100MPa），从低温到高温（超过1100℃），其作为化工生产中重要的单元设备，约占市场多于65%的份额，因此对于工程设计人员来说，管壳式换热器的设计计算十分重要。

现结合某国内项目氨蒸发器的选型计算，介绍利用HTRI选型计算的基本要素及注意事项。

1 计算步骤
设计时先选择Design mode 输入基本数据以确定初步方案，继而选择Simulation及Rating mode，并调整壳体和换热管的直径、折流板数、折流板间距、换热管数目、折流板切口等参数详细计算以符合设计要求。

1.1 输入数据及运行Design mode
运用HTRI软件进行管壳式换热器的选型设计，首先需要完成数据的输入，输入数据主要分为传热数据和机械数据两部分，在Input summary 模块下的Geometry、Piping、Process、Hot Fluid Properties、Cold Fluid Properties、Design和Control，需要输入数值的地方都以红框显示，软件默认值及单位显示在窗口上，如下图1所示：
图1 HTRI数据输入界面
1.2 运行Rating mode
根据软件在Design mode中计算出的壳径，换热管规格大小、排列角度，折流板的切割方式等基本信息，选择运行Rating mode 模式和Simulation mode模式，在Input
summary页面调整换热器的规格，使得管程压降和壳程压降都满足允许压降，传热系数大，保证传热效率高，实际传热Actual U大于要求传热Required U,调整到合适的换热面积裕量，选择较大的有效温差值，如下图2所示：
102 陈亮：管壳式换热器热工选型计算
图2 计算数据输出数据表
1.3 调整、优化选型结果
模拟完成后，查看运行程序结果Program Messages，软件将给出计算的相应提示，可能显示为Fatal、warning 、Informative Messages的全部或部分信息，一般是关于振动（vibration）的问题较常见，可以再重新点击到输入栏（Input）中进行相应的设置，再次运行软件直至计算结果满足要求。

2 计算过程中常见的问题及其解决方法 2.1 速过高的调节措施
（1）适当放大设备壳径
（2）在不会降低壳侧传热系数的范围下适当增大支承板间距
（3）不会明显影响管程流速和压降的前提下适当减少换热管数
2.2 振动Vibration以及流体诱发振动FIV 2.2.1 减小振动措施
（1）减小无支承管跨
（2）在可调范围内调整折流板间距
（3）对于单弓形折流板，采用弓形区不布管（Segmental NTIW）
2.2.2 FIV最容易出现的区段
（1）管束中两块折流板间距最大的无支承的中间跨度（2）U形换热管束的U形弯处
（3）管束旁流和管程分程隔板流道内的管子处
（4）壳程进口管口下的换热管处（5）管束周边在弓形折流板口区的管子
改变换热管的材质后有可能使原来没有的FIV问题产生，这样就需要比原设计增加支承板去避免FIV。

2.2.3 预防FIV的一些措施
（1）减小无支承管跨（2）设置管束U形弯头支承
（3）设置密封板或密封条以增加流阻，限制在临界截面处的流动
（4）在壳程进口设置防冲挡板，或者增大壳径（5）采用双弓形折流板
（6）避免折流缺口不要过大或过小，以免流速分布不均或者局部高流速诱发振动
（7）如果可以改变壳体型式，将E型改为X或者J型（8）增加管口与管束之间的距离，添加环形分配器，即在Input summary界面下选择Distributors→Annular distributor，且输入其相关的三维参数。

2.3 总传热系数即裕量不足的调节措施
（1）增加管数，即用增大传热面积来弥补传热系数的不足
（2）减少管数，即提高管侧流速以提高膜传热系数 2.4 关于Clearance的相关问题流经管束的壳侧流体被HTRI程式分为5个部分（A、B、C、E、F），如下图3所示：陈亮：管壳式换热器热工选型计算 103
图3 换热器流路分析图
Tube-to- baffle:为管子与折流板管孔的间隙，称为A流；
Baffle-to-shell:折流板到壳体的间隙，称为E流； Bundle-to-shell:管束到壳体的间隙，称为C流； Pass partition:管程分程隔板处的中间穿流流路称为F流；
对传热最有利的为Main Cross flow称为B流，我们理想的情况是尽可能的保证B流大，传热利用最好；
如果E流的间隙大于30mm,通常加密封条；
如果壳侧进口或者出口流速过大，增大Height under Nozzles，如下图4所示：
图4 模拟计算中Clearance的调节界面
在HTRI软件输入界面中Clearance选项下，Diametral Clearance的输入项可以由软件根据TEMA标准默认间距值输入，也可以手动输入。

TEMA对于上述间隙的计算与GB151略有差别，但相差不大。

2.5 壳侧压降太大的调节方法：
（1）稍微调大折流板间距spacing （2）改变折流板的形式
（3）改变管子的排列方式和间距Pitch
（4）调整折流板切口Cut （5）改变壳体形式 3 一些选值时的经验
3.1 换热器软件计算的裕量Overdesign
对于single phase overdesign:0-5%；对于two phase overdesign:5%-10%；
如果overdesign ＜0,则此值无效，必须调整结构重新模拟计算；
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3.2 关于换热管外径Tube OD的选择
陈亮：管壳式换热器热工选型计算
的情形下一般为奇数个，若为立式的没有特别要求但习惯于使用奇数个； 3.5 切割
定位
折流板的切割方向，在软件的Baffle geometry选栏下，type中有三种选择，垂直切割perpendicular，水平切割parallel，系统选择program sets。

在选择设计模式下时通常先选择program sets，让软件先根据工艺条件以及管口的位置等设定；
当壳侧是沸腾液体时，考虑水平切割（管入口在上部的垂直切割）折流板或者垂直定向；
在重力控制流体的流动时，垂直切割（管入口在上部的水平切割）折流板会引起相分离；
当我们在软件的Shell geometry中Orientation选择Horizontal即壳体为水平放置时，如果在Baffle geometry 中选择Parallel，这里所指的水平是相对于竖直的管口中
心线为参照物的，实际的折流板的切割方向为纵向切割的，即壳体中流体流动方向为左右
穿插前进的；如果Baffle geometry中选择Perpendicular，这里所指的垂直也是相对垂
直于竖直的管口中心线，实际折流板的切割方向为横向切割的，即壳体中流体流动方向为
上下翻滚前进的。

4 总结
本文结合国内某项目氨蒸发器工业实际应用，对管壳式换热器选型设计软件HTRI的
操作界面、计算流程进行了梳理归纳，总结了管壳式换热器设计中主要结构参数选用的一
些原则，并阐述了参数选择、过程模拟中常见的一些问题及相应的解决方法。

可为管壳式
换热器的工程设计时，熟练的利用热工计算软件HTRI进行选型计算提供参考。

但在做具
体的换热器设计时，仍需参考软件给出的提示信息，依据相应的工程经验设计出经济合理、安全可靠的换热器。

参考文献
[1] 中国石化集团上海工程有限公司. 化工工艺设计手册
(上册)[M]. 第4版. 化学工业出版社, 2019. [2] GB151-1999 管壳式换热器[S]. [3] HTRI Exchanger 使用手册.
[4] 周海鸽, 孙爱军. 管壳式换热器设计参数的选择[M]. [5] 刘巍, 邓方义, 等.
冷换设备工艺计算手册[M]. 第2
版. 中国石化出版社, 2019.
在换热管外径Tube OD下拉键列出的标准管径中选取，最常见的为19mm、25mm、32mm 等。

管子数tube count:一般是参考Design mode下run出的数值打九折后再取偶数根，
再根据结果进行微调整。

管长和壳体内径ID的比例应该适当，一般L/ID=4-6； 3.3 工艺污垢Process
Fouling的选择输入
输入工艺污垢信息，如污垢热阻、污垢层厚度等，设计时一般把污垢因素作为一个安
全因素考虑，用污垢热阻的设计来弥补换热器负荷的不足。

HTRI计算各参数的相互关系时不需要额外的安全因素，在要求的工艺条件下通过输入反映换热器热阻的数值可以获得最
佳设计。

壳侧热阻层厚度=268×壳侧污垢热阻；管侧热阻层厚度=134×管侧污垢热阻；
如果输入了Fouling layer thermal conductivity即导热性和相应的热阻层厚度，
软件会从中计算出热阻值进行对比，有差异的话，软件会在Runtime report 中显示一个
警告信息，并使用输入的热阻值。

3.4 折流板的间距
Single-segmental单弓形折流板是最常见的折流板类型，能最有效的把压降转移到热交换中；
Double-segmental双弓形折流板用于在单弓形折流板无法满足允许压降限制的情况下；
Segmental/NTIW,即No-tubes-in-window(NTIW,弓形缺口区不排管)，可保证所有的管子都得到折流板的支承，一般用于管子振动破坏需要考虑时，特点：
（1）压降只有单弓形折流板的1/3左右
（2）壳程流动均匀且类似理想管束，传热系数高，不易结垢
（3）窗口区压降很小，旁路及泄流量小
（4）弓形缺口区不排的管子大约为15%-25%，可采用较小的弓形缺口，提高壳程流速或适当调大壳径以便维持相同数量管子。

None,即为没有折流板，一般在再沸器即K型的换热器及交叉流X型的换热器的壳体
中使用，
折流板的间距问题的选择：
折流板间距一般为壳体内径Shell ID 的0.2-1倍，而且需要不小于50m，经验值的
最佳值在壳径的0.3-0.6之间；
折流板的数目Cross pass 在换热器为卧式即水平放置。