大管孔導流板管殼式換熱器及其計算

劉炳福（湖南化工醫藥設計院，湖南長沙 410007）

大管孔導流板管殼式換熱器及其計算

劉炳福
（湖南化工醫藥設計院，湖南長沙 410007）

管殼式換熱器的折流板有圓缺形、碟環形等，使氣體折流橫過換熱管流動，有其缺點。大管孔導流板是將這種板制作成一塊整版，板上的管孔開大，叫大管孔導流板，即管孔直徑比換熱管直徑大10%以上，讓管隙流體全部導流從換熱管外壁與大管孔的環隙間流過，使流體更趨向于緊貼換熱管壁內外逆流傳熱。實踐證明傳熱效果很好。還介紹了這種換熱器傳熱系數和壓力降的計算公式，很有實用價值。

大管孔導流板；換熱器；傳熱系數；壓力降

1　管殼式換熱器現狀

目前，流體換熱大多使用管殼式換熱器，在硫酸工業中是必不可少的并且需要計算的重要設備。管殼式換熱器中熱流體走管內（或管隙），冷流體走管隙（或管內），通過管壁進行換熱。為了提高傳熱效率，傳統的換熱器在管隙設置折流板，使管隙的流體改變方向，橫過換熱管流動，提高流速，增加傳熱系數。

典型的以貝爾式理論設計的管殼式換熱器折流板為圓缺形，缺口處不布置或少布置換熱管，以減少缺口處流體壓力降，從而可整體提高管隙流體流速，增加傳熱系數。

但在貝爾式計算公式中，有些問題值得關注。

一是管隙給熱系數，計算公式為：

式中Fg為漏流系數，計算公式為：

其中Stb為管孔與管子之間的漏流，Ssb為換熱器管殼與折流板之間的漏流，Fg均小于 1。可見，管孔與管子之間的漏流，在折流板換熱器中是作為降低換熱系數來對待的，出發點基于管孔與管子之間的漏流減少了橫過換熱管流動的流體流量。實際上，應該使管孔與管子之間流體流動時的換熱會更好。

另外，流體橫過換熱管流動時，迎風面換熱較好，但背風面有氣體死角，因而影響換熱效果。

二是管隙壓力降，計算公式為：

其中，Δpb為兩塊折流板間垂直管束流動的壓力降，其計算式為：

其中Nc即為兩塊折流板上的管排數，而且，壓力降基本與該管排數成正比。這就限制了這種換熱器的大型化，當要求較大的換熱器時，必須加大管間距，加大外殼直徑，從而減少壓力降。為此，也有設計蝶環形折流板的，使流體減少流過兩塊折流板上的管排數，但中心筒也要占用不少空間，而不能減少外殼直徑。

為解決這些問題，就有采用其它折流板的，如空心環管、多孔板等，有使流體順換熱管逆流換熱的趨向，但都不是增加流體通過管孔與換熱管環隙的流量，不能更趨向于使流體緊貼換熱管逆流換熱。

2　大管孔導流板換熱器

大管孔導流板換熱器就是將這種板制作成一塊整版，板上的管孔開大，叫大管孔導流板，即管孔直徑比換熱管外徑大10%以上，讓管隙流體全部導流從換熱管外壁與大管孔的環隙間流過，使流體更趨向于緊貼換熱管壁的內外而逆流傳熱。流體在流過環隙時，速度明顯加快，流過環隙后，速度重新放慢，流體始終圍繞在換熱管隙激烈湍流流動，沒有死角，提高傳熱效率。當壓力降相當時，可減少換熱器面積，換熱器面積可比常規換熱器減少30%～40%，因而節省換熱器材料，減少投資；或換熱面積相當時，可減小壓力降，壓力降可比常規換熱器減小約30%～40%，因而節省主風機電耗。大管孔導流板換熱器明顯地克服了流體橫過換熱管流動的一些缺點，沒有背風面的氣體死角；而且是逆流傳熱；流體不是橫過管束流動，壓力降幾乎不受管排數的影響。

大管孔導流板換熱器換熱管內外的氣流都是順著管子逆流縱向流動，不是橫向流動，不會引起換熱管抖動。這是因為換熱管并不是特別長，且換熱管兩端焊牢在管板上拉緊，管內外流體速度不高，換熱管不需支撐。大量實踐證明，大管孔導流板沒有換熱管抖動碰撞磨損的現象。

大管孔的大小根據計算而得，既要有較高的傳熱系數，節省換熱面積；又要有較低的壓力降，達到節能的目的；還要有一定的壓力降，以便管隙副線閥的調節。

3　大管孔導流板換熱器傳熱系數的計算

在工藝計算得出換熱器的管內外流體成分、流量、壓力、溫度、換熱量、平均分子量、平均重度，并進行初步排布管后，進行大管孔導流板換熱器傳熱系數的計算。

3.1管內給熱系數

管內給熱系數的計算，首先計算雷諾準數，公式為：

式中，GI——管內流速，kg/m2.s；

DI——換熱管內徑，m；

UI——平均分子量粘度。

當雷諾準數Re1＞10 000時，管內給熱系數采用下式計算（單位W/m2.K）：

式中，γ——系數，縮放管換熱管0.040 1；鋼光管換熱管0.026 7

CI——平均分子量熱容量，kJ/（kg·k）

λI——導熱系數，計算式為：

式中，TI——流體平均溫度，℃

S3、S2、O2、N2——流體成分，kmol %

D0——換熱管外徑，m；

當雷諾準數ReI＜10 000時，管內給熱系數采用下式計算（單位 W/m2.K）：

式中，γ——系數，縮放管換熱管 0.202；鋼光管換熱管0.135；

L——換熱管長度，m。

3.2管隙給熱系數

管隙給熱系數采用精確流路分析法進行計算，分筒體給熱系數和大管孔導流板處給熱系數。

3.2.1筒體給熱系數

筒體給熱系數，首先計算雷諾準數。當雷諾準數Re3＞10 000時，按下式計算（單位W/m2.K）：

式中，D2——流體流經筒體的當量直徑，m

式中，N0——換熱管數；

（L1/5）^0.8——管隙流體進出口端校正系數；

式中，L1——單臺換熱器的換熱管在筒體內的長度，L1為換熱管長L減去上下管板厚度、再減去0.01，m。

當雷諾準數Re2＜10 000時，按下式計算（單位W/m2.K）：

3.2.1大管孔導流板處給熱系數

大管孔導流板處給熱系數，當雷諾準數Re3＞10000時，按下式計算（單位W/m2.K）：

式中，D3——流體流經大管孔導流板處的當量直徑，m；

式中，DK——大孔直徑，m；

Ds——外殼內徑，m；

BB——大管孔導流板塊數

（1－FY/FB）^0.5——大管孔導流板圓周與殼內壁的漏流系數；

式中，FY——大管孔導流板圓周與殼內壁的漏流面積，m2；

FB——大管孔導流板處總流道面積，m2

當雷諾準數Re3＜10 000時，按下式計算（單位W/m2.K）：

3.2.3管隙給熱系數

管隙給熱系數為：

3.3傳熱系數

傳熱系數：

式中，Z——污垢系數，0.005～0.015

4　大管孔導流板換熱器壓力降的計算

在工藝計算得出換熱器的管內外流體成分、流量、壓力、溫度、換熱量、平均分子量、平均重度，并進行大管孔導流板換熱器計算后，進行壓力降的計算。

4.1管內壓力降

管內壓力降的計算采用下式（單位 Pa）：

式中，OI——管內流體平均重度，kg/m3

4.2管隙壓力降

4.2.1筒體壓力降（單位Pa）

式中，O0——管隙流體平均重度，kg/m3

4.2.2大管孔導流板處壓力降（單位Pa）

4.2.3進出管口處壓力降（單位Pa）

4.2.4管隙壓力降

4.3總壓力降

總壓力降為管內壓力降和管隙壓力降之和：

［1］ 南京化學工業（集團）公司設計院編寫.硫酸工藝設計手冊［M］.物化數據篇.化工部硫酸工業信息站出版，1990.

［2］ 南京化學工業（集團）公司設計院編寫.硫酸工藝設計手冊［M］.工藝計算篇.化工部硫酸工業信息站出版，1994.

收稿日期：2016-04-20

作者簡介： 劉炳福（1944—），男，湖南桃園人，高級工程師，副總工程師，主要從事化工設計工作。

Big Hole Baffle Tube and Shell Heat Exchanger Calculation

Liu Bing-fu

shell and tube heat exchanger baffles have a moon-shaped，annular plate，so that the gas flow deflector across the heat exchange tubes，has its drawbacks.Big hole baffle plate is to make this into a full-page，open a large hole board，called the big hole deflector that pore diameter than the diameter of the heat transfer tubes more than 10% larger，so that tube gap all heat exchange fluid diversion from the outer ring with the big hole interstitial flow through the fluid tend to close the inner and outer countercurrent heat exchange tube has proved very good heat transfer effect.This also describes the formula coefficient of heat transfer and pressure drop，very practical value.

big hole baffles；heat exchanger；heat transfer coefficient；pressure drop

TQ053.6

A

1003-6490（2016）05-0098-02

2016-04-28

常亞娜（1979—），女，山東濟寧人，工程師，主要從事化工設計工作。