管壳式热交换器设计分析

管壳式热交换器设计分析

何清凤

佛山神威热交换器有限公司528000

摘要：管壳式换热器的设计所涉及的相关设计参数极多，且难度也较强。管壳式交换器实用一种用于各大领域的工业设备，对国民经济有着非常关键的作用，其设计工程的核心是管壳式换热器的换热效率。

关键词：管壳式；交换器；设计

前言：热交换器是进行热交换操作的通用工艺设备，被广泛应用于各个工业部门，尤其在石油、化工生产中应用更为广泛。换热器分类方式多样，按照其工作原理可分为：直接接触式换热器、蓄能换热器和间壁式换热器三大类，其中间壁式换热器用量最大，间壁式换热器又可以分为管壳式和板壳式换热器两类，其中管壳式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性。本文主要阐述了管壳式热交换器的概念及设计原理。

1管壳式换热器概念

管壳式换热器具备结构简单且牢固、操作弹性较大以及应用材料广泛等特性，现阶段仍是化工、石油以及石化行业汇总所运用的一种重要的热交换器，特别适用于高温、高压工况，甚至在较大型的换热设备中它也具有很大的应用优势。

管壳式换热器主要有壳体、管束、管板和封头等部分组成，壳体多呈圆形，内部装有平行管束或者螺旋管，管束两端固定于管板上。在管壳转热器内进行换热的两种流体，一种在管内流动，其行程成为管程；一种在管外流动，其形成成为壳程。管束的壁面即为传热面。

2设计原则

在设计热交换器是必须正确选定那一种流体走管程，那一种流体走壳程。这是要考虑下述一些原则：

（1）要尽量提高使传热系数受到限制的那一侧的换热系数，使传热面两侧的传热条件尽量接近。

（2）尽量节省贵重金属材料，以降低制造成本。

（3）要便于清洁积垢，以保证运行可靠。

（4）在温度较高的热交换器中应减少热量损失，而在制冷设备中则应减少冷量损失。

（5）要减小壳体和换热管因受热不同而产生的温差应力，以便使结构得到简化。

（6）在高压下工作的热交换器，应尽量密封简单，可靠。

（7）要便于流体的流入、分配和流出。

3管壳式换热器的设计

3.1管壳式换热器的传热设计

传热设计首先应该根据已知的工艺条件（管壳程的流动介质、进出口温度及流体流量等）确定冷热流体的物性参数，即由介质的定性温度查取密度、定压比热、热导率和动力粘度。初步确定换热器的换热面积和结构尺寸，并对换热器的管程换热系数和壳程换热系数分别进行计算。

然后是工艺数据的确定：如未知流体流量、流径、流速、污垢热阻、总的换热系数及允许的压力降等。由热负荷的确定计算出未知流体的流量。流径的选取要考虑到压力、温度、结垢和清洁性的问题。压力、温度较高和易结垢的流体走管程，可以减少壳体的厚度，节省材料，便于控制和清洗，且高温流体会降低材料的许用应力，高温流体走管程可节省保温层、减少壳体的厚度。对于流速的选择，不同的流体与相应的流速范围，可参考相关书籍。一般来说，流速越高，换热系数越高且可以防止结垢。但是流速越高会引起相应的压力降增大，设备的动力消耗增大，同时在高流速横向流的冲击下，管子容易发生振动。因此应结合各侧的换热系数和压力降情况进行综合考虑。

进一步需要确定换热器的结构数据：壳体形式、管程数、管子排列及折流板形式等。在管程流量较小的情况下，可以增加管程数，增大管程流体流速，得到更好的换热效果。布管方式主要有等边三角形、正方形及同心圆布管等，等边三角形布管时管子数目更多，相应换热面积更大，而正方形布管时，管子数量相对较少，便于清洗。折流板的形式有单弓形、双弓形及三弓形等，在工程中一般换热器用单弓形折流板的较多。

3.2管壳式热交换器主要组合部件

（1）壳体

按GB151-1999表8、表9，一般在较低的设计压力下，在耐压能力方面，壳体是偏厚的。这主要是为了保证壳体刚度，浮头式和U形管式还要考虑一定的磨损量，所以，比固定管板式还厚。如果厚度附加量C2大于1，最小厚度还应相应增加。

（2）管板

设计管板时应注意两点：管板的布管数要足够；延长部分兼作法兰的管板，其许用应力的选取，一定要注意GB150-1998第4章表4-1注4、表4-5注2，即不得选用该行数据，否则，设计将出现重大错误。在管板计算时，换热管受压失稳的当量长度1cr，应按GB151-1999图32所示5种情况，比较得出最大值。有些设计计算书中，输入的并不是1cr的最大值。

当管板本身具有凸肩并与圆筒（或封头）对接连接时，应采用锻件；用钢板作管板，对于厚度大于50mm的20R、16MnR材料，应在正火状态下使用。

（3）设备法兰、管法兰

选用设备法兰时，应详细了解JB/T4700-2000规定内容，特别应注意法兰类型、材料、温度、垫片的关系。现实中，有甲型法兰配缠绕垫和选用不锈钢材料不经过计算的错误。对长颈法兰，当工作压力大于或等于0.8倍该标准中规定的最大允许工作压力时，法兰与圆筒的对接焊缝必须进行100%的射线或超声检测，按JB/T4730.2～4730.3-2005检测。射线检测Ⅱ级合格，超声检测I级合格。当法兰所在容器图样的容器的检测未能满足要求时，则该要求应在图样中标明。也就是说，当满足上述使用条件，环缝采用100%的射线或超声检测时，可以不必强调这项要求，但如果除此环缝外，其他环缝与此有差别，该条一定特殊提出来。

管法兰主要有欧洲和美洲两大体系，其中HG20592～20635-1997最具代表性。对板式法兰应谨慎选用，有关管法兰的技术要求一定遵循HG20603（20624）-1997和HG20604（20625）-1997规定。现实中，有带颈平焊直接用厚板加工和锻件级别选错的情况。

3.3管壳式热交换器的结构设计

（1）管程流通截面积的计算

单管程热交换器的管程流通截面积为At=Mtptωt，m2式中

A-管程流通截面积，m2

Mt-管程流体的质量流量，kg/s

pt-管程流体的密度，kg/m3

ωt-管程流体的流速，m/s

为保证流体流量和流速通过热交换器，则所需管数n为

n=4At/Πdi2式中

di-管子内径，m

为满足热计算所需的传热面Fm2，每根管子的长度L应为

L=F/Πdn，m式中

d-管子计算直径，m

一般情况下，管子的计算直径取换热系数小的那一侧的，只有两侧的换热系数相近时才取平均直径作为计算直径。当传热面一定时，增大管子长度可使热交换器的直径减小，从而使热交换器的成本有所降低。另一方面，太长了会给管子的清洗和拆换增加困难。

（2）壳体直径的确定

在确定壳体直径时，需要先确定内径。壳体内径与管子的排列方式密切相关。

内径：Ds=（b+1）s+2b’式中

b’=（1~1.5）d0（d0为管外径）

b=管子按等边三角形排列时，b=1.1

s=最内层六边形的边长

4管壳式热交换器的校验

对于管壳式热交换器零部件的校验，使用量具按照图纸测量校验。泵压校验，根据压力表指示值记录测压数据（压力值≥0.315Mpa），记录试验开始时间。30分钟后，重新观察压力表，记录压力指示值，记录实验结束时间。两次测压数据一样，此压力试验合格。转到下到工序。如有不合格就要采取措施。观察管板上的孔是否有水渗出，分辨出水是冷却管流出，还是冷却管和管板间缝间渗出，如果冷却管内流出的话说明冷却管本身有裂纹，需要内衬同规格的冷却管，两头辘管。如冷却管和管板间隙渗水直接辘管。观察侧板上是否有水渗出，如有水珠，采取补漏措施。重复工序直至检验合格，转至下到工序将压力实验板和橡胶封皮拆下，将气腔内的水排尽。

5管壳式热交换器设计中容易忽略问题

（1）设备法兰选用

换热器由于服役期间需要维修，故多采用法兰连接。为节省法兰设计计算时间及系列化问题，标准一直是换热器设备法兰的选择依据，但在工程实践中，常出现对标准的理解问题而出现偏差。1.标准给出的材料品种十分有限。超出规定的材料范围，应比照（法兰厚度除外）相应的公称直径、压力等级下的尺寸参数，重新计算法兰厚度。2.标准一直沿用甲型法兰、乙型法兰和长颈法兰的称谓，每种法兰的结构形式完全不同，配套的垫片种类也有所区别。乙型法兰和长颈法兰适于非金属软垫片、缠绕垫片、金属包垫片，甲型法兰仅适于非金属软垫片。

（2）设备法兰设计问题

按标准规定：“公称直径小于或等于400mm的圆筒，可用管材制造”。因管材是以外径为公称基准，一般可直接选用管法兰。但管法兰尺寸比相近规格的设备法兰尺寸大很多，经济性较差，表1为2.5MPa公称压力下，几种管法兰（带颈对焊）与相近规格（长颈法兰）的设备法兰参数比较。

为更好地利用设备法兰经济性强于管法兰这一特征，笔者以设备法兰标准为基础，材料采用16Mn锻件，以管材内径为基准（管材壁厚选10mm），对表1所列设备法兰各参数进行了适当外延，运用SW-2011程序进行了一系列设计计算。结果表明，其质量比相应规格的管法兰降低17.0%~22.5%。同时，与之配套的管板质量也将得到减轻，有效地降低了设备成本。

6结语

热交换器的广泛应用于化工、石油化工、动力、医药、制冷、轻工等行业的一种通用设备，应用较为广泛。首先阐述了管壳式热交换器的概述，其次简要说明了管壳式热交换接的设计原则，具体的说明了热交换机的传热设计和结构设计，最后简要的说明了管壳式热交换器设计时容易忽略的问题。管壳式热交换器的性能与多个几何结构因素有关，设计时要足够重视，不得忽视任何一个影响因素。对热交换器进行科学的传热计算和合理的结构设计是热交换器性能的重要保证，在工程设计时只有不断调整结构参数，反复试算，才能得到满意的结果

参考文献：

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