(完整版)HTRI管壳式换热器设计基础教程讲解

HTRI管壳式换热器设计基础教程

郑州大学化工与能源学院

2011年11月

HTRI简介

美国传热研究协会（Heat Transfer Research Institute）简称HTRI，主要致力于工业规模的传热设备的研究，开发基于试验研究数据的专业模拟计算工具软件，提供完善的产品、技术服务和培训。HTRI帮助其会员设计高效、可靠及低成本的换热器。HTRI Xchanger Suite是HTRI开发的换热器设计及核算的集成图形化用户环境，它包括以下几个部分：HTRI.Xist能够计算所有的管壳式换热器，作为一个完全增量法程序，Xist包含了HTRI 的预测冷凝、沸腾、单相热传递和压降的最新的逐点计算法。该方法基于广泛的壳程和管程冷凝、沸腾及单相传热试验数据。

HTRI.Xphe能够设计、核算、模拟板框式换热器。这是一个完全增量式计算软件，它使用局部的物性和工艺条件分别对每个板的通道进行计算。该软件使用HTRI特有的基于试验研究的端口不均匀分布程序来决定流入每板通道的流量。

HTRI.Xace软件能够设计、核算、模拟空冷器及省煤器管束的性能，它还可以模拟分机停运时的空冷器性能。该软件使用了HTRI的最新逐点完全增量计算技术。

HTRI.Xjpe是计算套管式换热器的软件。HTRI.Xtlo是管壳式换热器严格的管子排布软件。HTRI.Xvib是对换热器管束的单管中由于物流流动导致的振动进行分析的软件。HTRI.Xfh能够模拟火力加热炉的工作情况。该软件能够计算圆筒炉及方箱炉的辐射室的性能以及对流段的性能，它还能用API350对工艺加热炉的炉管进行设计，并完成燃烧计算。

在本次培训中，们以HTRI.Xist为主，介绍HTRI的使用。

一、换热器的基础设计知识

1. 换热器的分类

按作用原理和实现传热的方式可分三大类：即混合式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器，其中间壁式换热器按传热面的形状和结构分类：

(1)管壳式：固定管板式、浮头式、填料函式、U 型管式

(2)板式：板翅式、平板式、螺旋板式

(3)管式：空冷器、套管式、喷淋管式、箱管式

(4)液膜式：升降膜式、括板薄膜式、离心薄膜式

(5)其他型式：板壳式、热管

2.换热器设计标准：

中国：GB 151 《管壳式换热器》

美国：TEMA

TEMA—Tubular Exchanger Manufacturers Association (管式交换器制造商协会），TEMA标准就是该协会下属的技术委员会编制的一本关于列管式换热器设计、制造和检验的标准，是目前世界上使用最广泛的列管式换热器标准。

3、列管式换热器的结构：

1)壳体类型:

E：单程壳体F：带纵向挡板的双程壳体G：分流壳体

H：双分流壳体J：无隔板分流壳体X：交叉流K：釜式再沸器●E型壳体是标准形式，最常用

●G和H型通常用于水平热虹吸式再沸器（精馏塔使用）

●如果采用E型壳体不能满足可允许的压降，可采用J型和X型壳体

●当需要多壳体和可移动式管束时，可采用F型壳体

●K只能用于再沸器

2)前封头类型：

●A型是标准封头，用于管程流体较脏的情况

●B型用于管程流体较干净的情况，由于这种封头较便宜和简单，所以尽可能多的使用●C型是可移动的壳体，用于管程危险液体，管束较重或者壳体需要频繁清洗的情况●N型，壳体固定，用于壳程危险液体

●D型主要用于高压环境

3)后封头类型：

后封头类型一般分为三类：

●固定管板式（L、M、N）壳体—挡板间隙较小

●U型管——设计简单但清洗困难壳体—挡板间隙较小

●浮头式（P、S、T、W）——最常用的是S型

如果温降低于50℃，且壳程压力不高，则使用固定管板式换热器，否则使用其他类型以满足热膨胀的要求。与S型相比，T型结构简单，但是壳体较大并且管束和壳体之间间隙较大。P和W型很少使用，W型换热器没有通道挡板，因此它们的通道数只能限定在1~2个

4、壳侧流路分析

HTRI程序在计算结果中对壳侧各流路给出了较详细的分析，可以参考下表中给A，B，C，E，F流的推荐值。

流路A－－折流板管孔和管子之间的泄漏流路；

流路B－－错流流路；

流路C－－管束外围和壳内壁之间的旁流流路；

流路E－－折流板与壳内壁之间的泄漏流路；

流路F－－管程分程隔板处的中间穿流流路。

应最大限度地加大B－stream（错流），减少泄漏流。

设计实例

下面通过一个实例来详细说明如何运用HTRI进行设计计算（软件版本为HTRI Xchanger Suite 5.0）。

一、设计任务和设计条件

某生产过程中，从反应器出来的混合气体与进料物流进行换热，换热后的混合气体，用循环冷却水将其从110℃进一步冷却到60℃，之后进入吸收塔吸收其中的可溶组分。已知混合气体的流量为227801 kg/h，压力为6.9MPa，循环冷却水的压力为0.4MPa，循环水入口温度29℃，出口温度39℃，试设计一台列管式换热器，完成生产任务。

二、确定设计方案

1.选择换热器的类型

两流体温度变化情况：热流体进口温度110℃，出口温度60℃；冷流体进口温度29℃，出口温度39℃，考虑到该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，初步确定选用浮头式换热器。

2.流程安排

从两物流的操作压力看，应使混合气体走管程，冷却水走壳程。但由于循环冷却水易结垢，若流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降，所以从总体考虑，应使循环水走管程，混合气体走壳程。

三、确定物性数据

定性温度：对于一般气体和水等低粘度液体，其定性温度可取进出口温度的平均值。

表管程与壳程的定性温度及相关物性