淺析管殼式換熱器工藝設計

謝學堅

【摘 要】作為一種傳統的標準換熱設備，管殼式換熱器在能源、石油、化工等很多工業部門中被大量使用，應用十分廣泛，并占有一定的主導地位。隨著工業化的不斷發展和進步，工業裝置也逐漸向大型化和高效率化發展，使得換熱器的發展也不斷的大型化，這就對大型換熱器的產品質量、系統的經濟性、能量利用效率等工藝設計方面的要求越來越嚴格。本研究主要從管殼式換熱器工藝設計的原理入手，重點分析了管殼式換熱器的工藝設計、設計中應注意的問題以及設計原理與方法研究。

【關鍵詞】管殼式換熱器；工藝設計；注意事項；研究進展

管殼式換熱器就是指以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器，也叫做列管式換熱器。具有操作可靠、結構簡單、清洗方便、生產成本較低、易于制造、選材范圍廣、適應性強、能適應高溫高壓等特點，是現階段在能源、石油、化工等很多工業部門中應用最廣的換熱器類型。當今科學技術的日新月異對換熱器提出了新的要求，使得管殼式換熱器在應用實踐和設計理念上都面臨一系列新的機遇和挑戰，本研究主要從管殼式換熱器工藝設計的原理入手，重點分析了管殼式換熱器的工藝設計、設計中應注意的問題以及設計原理與方法研究，促使管殼式換熱器在21世紀的今天充滿生機與活力。

1 管殼式換熱器的基本概

1.1 管殼式換熱器的概念

管殼式換熱器是一種在輕工、化工、石油、能源、制藥等工業生產中廣泛運用的，以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器，又叫做列管式換熱器。這種管殼式換熱器結構簡單由殼體、管板、傳熱管束、折流板以及管箱等部件組成。管殼式換熱器操作方便、可靠、適合在高壓及高溫下使用，是目前應用最廣的一種換熱器類型。

1.2 管殼式換熱器的工作原理

管殼式換熱器的工作原理是通過換熱器來完成液體汽化成蒸汽或者蒸汽冷凝成液體、低溫流體加熱或者高溫流體冷卻等過程中間的熱量傳遞，管殼式換熱器的殼體以圓筒形為主，內部裝有管束，并且其兩端固定在管板上，分為兩種換熱流體：一種，是管程流體，是指流體在管內流動；一種，是殼程流體，是指流體在管外流動。與此同時，殼體內通常裝有若干擋板，不僅可以使流體按規定路程多次橫向通過管束，還能提高殼程流體速度，增強流體湍流程度，提高管外流體的傳熱分系數。管板上的散熱管通常分為等邊三角形或正方形兩種排列方式，前者排列方式使得散熱管之間彼此排列緊湊，進而增大了管外流體湍動程度和傳熱分系數。而正方形排列方式則主要適用于易結垢的流體，是以方便清洗為主。

2 管殼換熱器的工藝設計

隨著科學技術的不斷快速發展，以及我國經濟的迅速發展，越來越多的新工藝、新材料、新結構的各種不同型式不同種類的換熱器逐漸涌現出來，以滿足在能源、石油、化工等很多工業部門中的應用。現階段，我國已經建立相關種類的換熱器標準，建立并完善了換熱器在設計或選型時應滿足合理地實現所規定的工藝條件，使得現有的管殼式換熱器的設計技術更具科學性，在結構上安全可靠，在操作上也是便于操作、維修和安裝，并且在價錢上也符合基本要求，能夠得到廣泛的應用。首先，管殼式換熱器一端的管板在殼體內是可以自由浮動的，而另一端管板則是與殼體固定的，能夠確保在兩種介質的溫差較大時，管束和殼體之間不存在溫差應力。其次，管殼式換熱器的浮頭端能更易于管束插入或抽出殼體，被設計為可拆結構，這種設計不僅能夠保證管束能在設備內自由移動，還能確保浮頭部分在進行安裝、清洗以及檢修的時候更加的方便。

3 管殼換熱器設計中需要注意的問題

3.1 存在鋼板、鋼管負偏差問題

一般情況下，管殼換熱器設計中經常存在鋼板、鋼管負偏差問題，必須要給予足夠的重視，一旦存在這種負偏差的問題，就很容易導致管殼換熱器開孔補強不足。鋼管負偏差問題主要分為兩大類：首先，管殼換熱器設計中管束存在級別問題，這會對管板和折流板管孔之間的公差精度產生一定影響。其次，換熱管的材質的不同也會對管孔公差產生一定影響，在一定程度上會影響到管殼換熱器的開孔補強效果。只有在鋼材的厚度負偏差小于0.25mm，且不超過實際厚度的6%時，鋼材厚度的負偏差值才可以省略不計。

3.2 劃類、程數問題

受我國國內配件實際配套能力較低的影響，現階段存在的對于工藝性能的結構要求遠遠不能滿足工藝要求。在進行管殼換熱器壓力腔管理過程中，沒有嚴格按照每個壓力腔各自的類別而分別提出設計要求和制造技術要求，在進行壓力腔類別劃定時，沒有嚴格按照壓力腔的設計壓力以及壓力腔的幾何容積進行取值，使得管殼換熱器在劃類、管程分程方面存在很大的問題。

3.3 熱處理問題

首先，在管殼換熱器的浮頭蓋以及管箱的熱處理方面存在問題，沒有對低合金鋼或者碳鋼制的焊有分程隔板的浮頭蓋、管箱和管箱的側向開孔超過1/3圓筒內徑的管箱進行熱處理工作。其次，冷軋的強化換熱管缺少必要的熱處理工作，因此不能提高鋼管的耐應力腐蝕。最后，黃銅等有色金屬冷軋的強化換熱管同樣缺少必要的熱處理工作。

3.4 標準未明確的幾個問題

管殼換熱器設計中尚存很多標準未明確的問題。首先，現階段存在的墊片設計標準中給出的常用的墊片性能，只是簡單的提供了幾種新材料的墊片系數以及比壓力數值以供參考，不能完全滿足實際的墊片設計要求。其次，現存的A型和B 型兩種鉤圈各自存在優缺點，沒有嚴格的使用設計標準。最后，就是在設計壓力較高的情況下，標準中要求的換熱器中的浮頭法蘭和鉤圈外徑已經不能滿足螺柱直徑的不斷增大的需求。

4 管殼換熱器的設計原理與方法研究

4.1 Colburn2Donohue法

受管殼式換熱器殼側的流動和傳熱過程比較復雜的影響，1933年Colburn 提出以理想管排數據為基礎的殼側傳熱系數計算關聯式，但是由于換熱器中流體的傳熱與流動阻力是同時進行著的，二者之間彼此相互制約，存在一定缺陷。于是1949 年，Donohue 對Colburn的關聯式進行了修正，在設計計算中將換熱器中流體的傳熱與流動阻力作為一個整體考慮，提出了完整的管殼式換熱器綜合設計方法，也被叫做Colburn2Donohue法。

4.2 Kern法

在Colburn2Donohue法的基礎上，Kern 同時將傳熱溫度分布、殼程2管程流動、 污垢及結構等問題作為一個設計整體來處理，這種設計對于管殼式換熱器研發很有價值，也被稱之為Kern法。

4.3 Bell2Delaware法

在Colburn 等完成的 Delaware 研究計劃成果的基礎上，1963 年Bell 利用大量實驗數據對傳熱、流動與結構綜合效應進行了考慮，提出 Bell2Delaware 法。但這種改進管殼式換熱器殼程的工藝設計適用范圍存在一定限制。

4.4 流路分析法

由于Bell2Delaware 法存在一定的局限性，美國傳熱研究公司提出了具有獨創性的流路分析法。并在1984年被Wills和Johnson簡化，這是一種依賴各種流路阻力系數的經驗公式，使用非常方便。

4.5 基于計算流體動力學的設計法

隨著計算機科學技術的快速發展，研究者通過建立換熱器的計算機輔助設計系統，使得管殼式換熱器設計過程更為簡單，并在此基礎上進行了換熱器的三維流動和傳熱行為數值模擬工作，從（下轉第17頁）（上接第30頁）根本上解決管殼式換熱器的設計和放大問題。

【參考文獻】

[1]張利銀.管殼式換熱器工藝設計[J].中國石油和化工標準與質量，2013，12：107.

[2]劉明言，林瑞泰，李修倫，黃鴻鼎.管殼式換熱器工藝設計的新挑戰[J].化學工程，2005，01：16-19.

[責任編輯：楊玉潔]