對列管式換熱器設計問題的探討

于　鵬　王二龍

（國家熱交換產品質量監督檢驗中心，吉林四平　136000）

對列管式換熱器設計問題的探討

于鵬王二龍

（國家熱交換產品質量監督檢驗中心，吉林四平136000）

換熱器是建筑行業采暖必備裝置之一，也是節能措施中比較重要的裝置。近些年，一些新技術、新工藝及新材料的應用，使換熱器得到廣泛應用。所以，不管是從工作發展的角度，還是從能源利用方面，對換熱器進行科學合理的設計、分析具有重要意義。本文首先對列管式換熱器基本結構及其類型進行介紹，對列管式換熱器設計進行研究。

列管式換熱器設計冷卻器節能

1　引言

列管式換熱器是換熱器中的一種，隨著新技術的發展，在石油、化工行業取得比較廣泛的應用。本文對有關列管式換熱器設計進行研究和探討，不足之處，敬請指正。

2　列管式換熱器基本結構及其類型

2.1基本結構

列管式換熱器的基本結構包括殼體、管板、換熱管及封頭等，其中最為核心的部位是傳熱管，數根傳熱管進行組合就是傳熱管束，將其固定于管殼中，即形成列管式換熱器。列管式換熱器的工作原理是把熱流體由進口傳入熱管內部，和冷流體之間交匯后換熱，溫度下降后經過出口排出，冷流體經過空氣進口傳入末節換熱器，通過橫流的方式換熱，經過隔流板發生折流，然后經過第二節換熱器，繼而是第二次折流，然后經過換熱器，最后溫度較高的冷流體進入需熱裝置。

2.2類型

列管式換熱器的類型一般是按照管板和管殼之間的聯結方式進行劃分，包括固定管板式、U形管式、浮頭式、雙管板式及插管式。其中，固定管板式換熱器結構較為簡單，制造成本相對較低，在小型爐上有廣泛應用，但是管道外側難以清掃，而且冷熱流體溫度的差異較大，管殼材質很容易發生熱膨脹而產生斷裂，比如KFW型爐換熱器為典型代表；U形管式換熱器是以其傳熱管形狀命名，一頭是管板，另外一頭是懸空的狀態，管子能夠自由膨脹，管板及管束也能夠隨意取出，便于清掃，但是傳熱管道內部無法清掃，更換也較困難；浮頭式換熱器下端管板和管殼是連接在一起的，上端管板為浮動式，能夠自由移動。具有結構牢靠、便于安裝、無熱膨脹效果等優點，但是造價較高，浮動管板密封性要求高。

3　列管式換熱器設計

列管式換熱器設計，一方面要確保傳熱需求，另一方面還要求傳熱效率達到設計規范，而且體積小、質量輕、消耗材料少、制造成本經濟、便于維護及安全性能等，所以列管式換熱器設計要先按照化工生產工藝條件及其相關要求對化工工藝進行計算，得出換熱器的傳熱面積，然后逐個確定管徑、管長、管數、管程數以及殼程數，最后進行機械設計。機械設計的主要內容包括：

（1）殼體直徑、客體壁厚；（2）換熱器封頭型號、壓力容器法蘭；（3）管板尺寸；（4）管子拉脫力計算；（5）折流板計算；（6）溫差應力；（7）接管、接管法蘭、開孔補強。

3.1設計過程

表1　設計參數

首先，對換熱器類型進行選擇，按照表1相關設計參數，可以得知兩種不同的流體溫度變化，換熱器選用自來水進行冷卻，同時也考慮到換熱器管壁溫度和殼體溫度之間的溫差會比較大，所以初步決定使用U型管式換熱器。

因為冷卻水比較容易產生水垢，為了方便清洗，要確保循環水走管程，空氣走殼程，按照管內流體流速范圍參數值，選擇管內流速為1m/s。因為熱流體是空氣，而冷流體是水，都是沒有腐蝕性的物質，因此可以選擇經濟適用的碳鋼作為換熱器的材質，即是碳鋼管。

3.2設計計算

首先，計算換熱器的熱負荷。通過熱流體對熱負荷進行計算：

其次，計算平均傳熱溫差：

然后，可以確定冷卻水用量為

最后，得出總傳熱系數0K，管壁導熱系數為45W/（m2℃），0K為660.1W/（m2℃），傳熱面積進行計算，得到S=1.15× S′=1.15× 43.86=50.44（m2）。

3.3工藝結構尺寸

經過設計和計算的環節，確定換熱器管程的數量是2管程；傳熱管總根數是356根；管程排列每程內是按照正方形進行排列，隔板周圍也是按照正方形排列，管心距是32mm；橫過管束中心線管數是23根；殼體內徑是900mm；拆流板間距是500mm；拆流板數量是3塊；殼程流體接管內徑是0.451m，管程流體接管內徑是0.218m。

3.4換熱器內流體流動阻力

因此，可以得到管程流動阻力式：

殼體阻力：

總阻力：

確保流動阻力始終處于允許的范圍之內，從而達到設計要求，結果發現設計符合相關技術標準。

4　結語

綜上所述，列管式換熱器具有結構牢靠、耐高壓的特點，而且制造工藝相對比較成熟，具有很強的適應性，且材料選擇范圍比較廣泛，因此在諸多工業行業中都有應用。本文對列管式換熱器設計進行研究，按照設計參數，對換熱器的熱負荷、平均傳熱溫差、冷卻水用量、總傳熱系數進行計算，得出傳熱面積，經過設計和計算的環節確定工藝結構尺寸，最后經過換熱器內流體流動阻力驗證發現，列管式換熱器設計確保流動阻力始終處于允許的范圍之內，從而達到設計要求，結果發現設計符合相關技術標準。

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