管壳式换热器设计注意事项(精)

l 若选择的污垢系数过大，会使换热器过大，流速相应减 小，反而促进污垢的沉积，保证不了操作周期。
l 如果选择的污垢系数过小，可能造成换热面积不足，影响 正常操作。而且流速过大，虽然降低了结垢倾向，但操作费用 增加。
l 如果管壁温度较高，就意味着有较大的平均温差，这将减 小设备的尺寸，但是这个优点可能被由于壁温过高而加快结垢 速度所抵消。 l 污垢系数要根据具体情况，权衡各方面的因素后方可决定。
l 当壳程进行蒸发、冷凝操作时或者管程传热膜系数很低 时，壳程折流板的效果就不很明显，主要起支承作用，有时 可以不要折流板。 l 折流杆结构可使流体穿过折流杆与换热管之间的缝隙， 这种换热器要求流量大，其压力降小，且传热效果好，可用 于无相变和有相变的场合。
——Baffle Cut 弓型切口高度占直径之比。 l 无相变时一般为20 ~25%，对冷凝或蒸发可达45%。
l 管程数增加，管内流速增大，但管内流速要受到管程 压力降等的限制。
——No. Sealing Strips pairs
l 密封条也称旁路挡板，它主要是为了防止流体由壳体 和管束之间旁流。
l 只有壳程传热膜系数起控制作用时，安装旁路挡板才 能显著提高总传热系数。
l 当旁路挡板超过一定数量后，对提高传热系数的作用 下降，而对压降的影响增大。它一般是成对设置的，设计 时 可 安 装 1~3 对 旁 路 挡 板 ， 相 邻 旁 路 挡 板 间 距 一 般 为 100~200mm。
—调整换热器几何尺寸，如换热器直径、换热管管长、换 热器管程数；壳程折流板型式、间距等。
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管程及壳程传热膜系数大小判断
—分析总传热系数受哪侧传热膜系数控制； —采用强化传热手段，提高控制侧传热膜系数； —确定合适的污垢系数；
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有效传热温差大小判断
—有效温差 △tm=Ft· △tlm △tlm——对数平均温差； Ft——温差校正系数； — 只有当换热器中两流体间的流动是纯逆流、纯并流或一 侧流体温度不变时，有效温差才等于对数平均温差； —在通常情况下，Ft值不应小于0.8； —设法增加壳程数或用几个换热器串联，以提高Ft值。
管壳式换热器设计注意事项
换热器的工艺设计计算有两种类型，即设计计算和校 核计算，包括计算换热面积和选型两个方面。 设计计算的目的是根据给定的工作条件及热负荷，选 择一种适当的换热器类型，确定所需的换热面积，进而确 定换热器的具体尺寸。 校核计算的目的则是对已有的换热器，校核它是否满 足预定的换热要求，这是属于换热器的性能计算问题。 无论是设计计算还是校核计算，所需的数据包括结构 数据、工艺数据和物性数据三大类。
l 管子过长给制造带来困难；竖放时，还应考虑其稳定 性，长径比以4~6为宜。 l 一般选用管长为4~6m。 l 对于传热面积大，或无相变的换热器可选用8~9m的 管长。
——Number Tubeside passes 管程数有1~8程几种，常用的为1、2或4管程。 l l l 为了提高管程传热膜系数，可采用多管程换热器。 当壳程恒温时，管内多程对传热总是有利的。 但当管子两侧温度渐变时，不允许出现反温差。
相关项说明
—— Side for Hot Stream 流体流经管程或壳程的选择，应根据流体的性质，从有 利于传热、耐用、减轻设备重量、减少污垢、降低压力损 失及便于清扫等方面考虑。 温度——高温流体、要求特殊材料者走管内，以节省材 料，及便于保温；有时为了便于高温流体的散热，也可使 高温流体走壳程，但为了保证操作人员的安全，需设置保 温层。 压力——较高压力的流体走管程，可减少壳体厚度。 粘度——高粘度流体走壳程，容易进行湍流，扰动程度 增大，以提高传热系数。 腐蚀性及毒性——腐蚀性流体走管内，以节省耐腐蚀材 料用量；毒性物料走管内，可减少泄露机会。 清洁性——较脏和易结垢的流体应走管程，以便于清洗 。如必须走壳程，则应采用正方形排列，并采用可拆式（ 浮头式、填料函式、U型管式）换热器。
——Nozzle/Impingement Type
在壳程流体进口处，为防止流体对换热管表面的直接 冲刷，应在该处设置防冲板。其设置条件为：
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对于气体或蒸汽（包括气液混合物）要设置防冲板。
l 对于液体物流，应设置板的条件为：当非腐蚀性液体 在壳程入口管处的动能 ρu2 ＞ 2300kg/(m· s2) ，腐蚀性液体 ρu2＞740kg/(m· s2 ) 。
至此，可以得到这样的概念：污垢系数的大小直接影响换热 器的尺寸，而换热器尺寸又影响流体流动状态，进而影响结垢 的速度和程度，所以选择污垢系数时应当慎重。
（5）输出结果分析
l 传热面积是否满足工艺要求，安全裕 量够不够；
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管程及壳程流体流速是否合理，是否在正常范围内
—流体在换热器中的合理流速应由允许压降来确定； —液体常用流速范围：管程为0.3~3m/s,壳程为0.2~1.5 m/s； —气体常用流速范围：管程为5~30m/s, 壳程为2~15 m/s； — 易结垢流体，在管内流速应大于 1m/s，壳程流速应大于 0.5m/s； —为了避免设备的严重磨蚀，流速不应超过最大允许的经验 值；
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调整相应的几何尺寸，优化设计。
（4） 工艺条件
——Allowable Pressure Drop
l 根据工艺操作条件要求，确定允许压力降；
换热器的合理压降
操作情况 减压操作 低压操作 操作压力P(A)，kgf/cm2 0.1~1 0~0.7 0.7~10 中压操作 较高压操作 10~30 30~80 合理压降△P ,kgf/cm2 P/10 P/2 0.35 0.35 0.7~2.5
—流速应随流体粘度的高低作相应修改；
普通钢管内不同粘度下的常用流速
流体粘度 cp 最大流速 m/s ＞1500 0.6 1500~500 0.75 500~100 1.1 100~35 1.5 35~1 1.5 ＜1 2.4 烃类 3
— 易燃、易爆液体的流速要低一些，不应超过其安全流速。
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管程及壳程压降是否在允许的范围内
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ຫໍສະໝຸດ Baidu
——Tubes in Window 当换热器流量很大时，为了得到较好的错流和避免流体诱 发振动，常常取掉缺口处的管子。
——Baffle Type 大多数折流板的效用是提高流速、改变流动方向以提高 壳程传热膜系数，并支撑管子防止振动。 l 弓型折流板由于能引导流体以垂直方向错流管束，有利 于湍动和传热，应用得最为广泛。一般选用单弓型板。 l 当壳程压降为控制因素时，可采用双弓型板。
（3）几何参数选择
HEAT EXCHANGER NOMENCLATURE USED BY HTFS

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
：FRONT END HEAD ：REAR END HEAD（RETURN HEAD） ：TUBE PLATE（TUBE SHEET） ：SINGLE SEGMENTAL BAFFLE（HORIZONTAL） ：SINGLE SEGMENTAL BAFFLE（VERTICAL） ：DOUBLE SEGMENTAL BAFFLE ：LONGITUDINAL BAFFLE ：PASS PARTITION PLATE ：SEALING STRIP ：BAFFLE PITCH ：BAFFLE CUT（%SHELL DIAMETER）
——Tube Pattern (30°,45°,60°,90°)
管子在管板上的排列型式主要有正方形排列（ 90°） 和三角形排列（30°）两种型式。
l 三角形排列有利于壳程流体达到湍流且排管数也多。
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正方形排列有利于壳程的清洗。
l 为了弥补各自的缺点，就产生了转过一定角度的正方 形排列（ 45°）和留有清洗通道的三角形排列（ 60°）。
——Fouling Resistance
l 污垢对传热的影响，特别是当间壁两侧流体传热膜系数 较大时，污垢就可能成为传热的控制因素。如一侧冷凝，一 侧蒸发时，污垢的大小就起决定作用。 l 污垢不但对传热不利，也影响压降。因为随着操作时间 的延长，污垢不断沉积于管壁上，流道逐渐减小，流速增大， 压降迅速增加。当传热效率降低到一定程度或压降增加到一 定程度后，即明显影响换热器的正常操作时，应予以停车清 洗。为了获得一个经济的清洗周期，选择污垢系数就至关重 要。
l 实际上在相同的压力降下，圆缺高度为20%的折流板将 获得最好的传热效率。
——Baffle Pitch 折流板的间距影响到壳程流体的流向和流速，从而影 响到传热效率。 l 折流板之间的距离一般为壳径的0.3~1倍。
l 当壳程传热膜系数为控制因素时，板距宜小；最小的折 流板间距为壳体直径的1/3~1/2，且不应小于50mm。 l 为了使流动方向垂直于管束，板间距应不大于壳径；由 于折流板有支撑管子的作用，所以，钢管无支撑板的最大 折流板间距为171d00.74(d0为管外径，单位为mm)。 l 如果必须增大折流板间距，就应另设支撑板。若管材是 铜、铝或者它们的合金材料时，无支撑的最大间距应为150 d00.74。
——Normal/Full Bundle
——Tube Length l l 列管式换热器长径比，以6~10最为常见。 无相变换热时，管子较长则传热系数也增加。
l 在相同的传热面积情况下，采用长管则流动截面积小， 流速大，管程数小，从而可减少流体在换热器中的回弯次 数，因而压力降也较小。 l 采用长管时，每平方米传热面的比价也低。
——Baffle Cut Orientation
l 横缺形折流板（horizontal）适用于无相变的对流传热， 防止壳程流体平行于管束流动，减少壳程底部液体的沉积。
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在壳程进行冷凝或蒸发操作时，一般采用竖缺形折流 板（vertical），以便于流出冷凝液和分离沸腾蒸汽。
——Tube Outside Diameter 管径愈小的换热器愈紧凑、愈便宜，且可以获得较 好的传热膜系数与阻力系数的比值。 l 管径愈小的换热器的压降将愈大，在满足允许压力降 的情况下，一般推荐选用φ19mm的管子。 l 对于易结垢的流体，为方便清洗，采用外径为φ25mm 的管子。 l 对于有气-液两相流的工艺流体，有时选用较大的管径。
TASC程序使用
（1） 用途 TASC程序可用于管壳式换热器的设计、 物性核算或模拟计算。热流体可以为单 相流也可以为冷凝流，冷流体可以为单 相流也可以为沸腾流；两流体可以流经 露点和/或泡点。
（2）计算选择
程序有三种供选择的计算方式： 设计（DESIGN）——按费用最佳或面积最小 设计。 核算（CHECKING）——核算已知的换热器是 否达到所规定的热负荷，计算结果为实际面积与所 需面积之比。 模拟计算（SIMULATION）——按用户规定的 两侧物流入口条件，计算出口条件，计算结果为实 际热负荷与所需热负荷之比。 核算和模拟计算的主要区别在于前者出入口条件 为已知，而后者出口条件是计算出来的。有时将这 两种方式都叫做性能计算方式。