管殼式換熱器設計淺析

劉家慶 唐 濱

福陸(中國)工程建設有限公司(上海 201210)

石油化工生產過程中，常常需要進行加熱或冷卻；當一種流體與另一種流體進行換熱但是不允許二者混合時，需要在間壁換熱器中進行熱交換。間壁換熱器的種類很多，包括套管換熱器、蛇管換熱器、管殼式換熱器和板式換熱器等。其中，管殼式換熱器由于傳熱面積大、傳熱效果好、適合的溫度和壓力區間大以及可靠性強的特點，成為實際生產中應用較為廣泛的換熱設備。本文針對管殼式換熱器在實際設計中出現的問題進行分析。

1 換熱器設計輸入

通常，工藝專業會依據模擬計算或者專利商的輸入提出換熱器的工藝數據表，其中包含換熱器計算的必要參數：冷熱兩側的流量；冷熱流體的進出口溫度或者氣液相體積分數；冷熱兩側的進口壓力以及換熱器的允許壓降；冷熱流體換熱計算需要的物理性質，包括規定換熱溫度區間的黏度、導熱系數、密度、比熱容以及兩側的污垢系數(污垢系數通常由專利商提供或者按照項目規定進行選取，其他的物理性質由模擬計算得到或專利商提供)；對于冷凝和沸騰等有相變的流體，還需要提供焓曲線(即氣相分率和熱負荷隨溫度變化的趨勢，通常由模擬軟件生成或由專利商提供)，以及其他物性隨溫度梯度變化的值。

2 管殼式換熱器設計中關鍵參數的選擇

在接收到換熱器的工藝數據表后，首先依據換熱器的實際操作工況選取換熱器型式。通常，設計者可以依據管式交換器制造商協會(TEMA)標準進行換熱器型式的選取，詳見圖1。

2.1 管殼式換熱器型式的選擇

管殼式換熱器通常分為固定管板式、“U”型管式和浮頭式。

2.1.1 固定管板式換熱器的選用

固定管板式換熱器的選用需滿足下述條件：

(1)管子和殼體因熱膨脹引起的應力不超過設計應力的范圍，否則要選擇浮頭式或“U”型管式以保證管束可以自由伸縮；

(2)殼程介質不易結垢，或殼程污垢便于化學清洗；

(3)開、停車或其他工況下臨時用的換熱器。

2.1.2 “U”型管式換熱器的選用

滿足下述條件時可選擇“U”型管式換熱器：

(1)管側不需要機械清洗或容易實現機械清洗時，但需要機械清洗時，“U”型轉彎直徑不得小于150 mm；

(2)管程污垢便于化學清洗；

(3)換熱器直徑通常不超過1 300 mm，否則要考慮“U”型端部加支撐，長度不超過9 000 mm。

2.1.3 浮頭式換熱器的選用

上述各項條件以外的情況以及應力較大時，可選擇浮頭式換熱器。浮頭式換熱器的直徑應不超過2 200 mm，長度不超過12 000 mm。

浮頭式換熱器AES(平蓋管箱)與BES(封頭管箱)區別：殼徑小(＜1 m)時，用BES，且一次成型；殼徑大(＞1 m)時，用AES，只拆一頭。

圖1 管殼式換熱器型式

2.2 殼體的選擇

殼體通常選擇“E”型，以下情況除外：

(1)當換熱器內發生溫度交叉時，需要兩臺或兩臺以上多管程換熱器串聯才能滿足要求，此時為減少串聯換熱器的臺數，可選擇“F”型。

(2)當殼程流體的允許壓降較小，且“E”或“F”型不能滿足要求時，可采用“J”型、“X”型或“H”型。若無相變，可采用“H”型換熱器，其傳熱系數大，但是壓降較“X”型大；若有相變且泡露點相差較大，則采用“H”型；若對壓降要求很小，則采用“X”型。

(3)壓縮機段間冷卻器宜采用低壓降換熱器，如導流筒、“J”型、雙弓折流板或折流桿。

(4)對于殼程沸騰且汽化率大于50%時，可考慮用“K”型。

2.3 封頭的選擇

通常，選擇“B”型作為前封頭。對于水冷卻器，當管側需要定期清洗且管側設計壓力小于1 MPa時，前封頭可選擇“A”型。“C”型封頭常用于高壓場合。“N”型封頭只有當殼側所走物料較清潔，不需清洗時可考慮使用。

對于固定管板式換熱器，宜選擇“M”型作為后封頭；對于浮頭式換熱器，應選擇“S”型作為后封頭。“T”型一般不使用(其排管較少)，若塔內設置的換熱器或塔頂冷凝器以及釜式換熱器管內需要清洗時，可選用“T”型，但常用的為”U”型。浮頭式換熱器的殼徑應大于DN300 mm，但最大只能做到1 800 mm，2 200 mm的浮頭式換熱器只有一些指定廠家能制作。管長一般最大做到9 m，若要設計到12 m則需要考慮廠家抽芯機的能力。若換熱面積不夠可考慮并聯方式，若存在溫度交叉則采用串聯的方式。

2.4 折流板和支撐板

對于殼側無相變的流體，折流板應采用水平切邊；對于兩相流流體或“F”型換熱器，折流板應采用垂直切邊。對于雙弓型折流板，盡量使第一塊板和最后一塊板是整板形式，防止存在死區，在用HTRI(美國傳熱研究公司商業化的傳熱計算軟件)設計時不設切口率，而是選擇重疊管排數。當冷凝量不大時，可以使用切口不布管型式。若為單缺口形式，在滿足壓力且無相變情況下，切口率一般取25%；雙弓切口率最大為25%。

其他折流元件，如折流桿、折流環盤或螺旋折流板，需要經業主或工程承包商同意方可使用。

管子無支撐跨距超過GB 151—2014《熱交換器》或TEMA標準規定值的0.8倍時，應在管束之間設置支撐板。支撐板到端點的距離一般為200～300 mm。

2.5 防沖板

防沖板是為了防止殼側流體對管束的直接沖擊而設置。如果殼側入口是蒸汽或混相介質，應該在殼側入口處設置防沖板。對于無相變流體，當入口處的ρV2(ρ為流體密度，kg/m3；V為流體入口處流速，m/s)超過表1數值時也應加防沖板。

表1 殼側入口物流性質

對于管側流體，下面幾種情況也應作特別考慮，以減少流體對管子末端的磨蝕：對于氣體和蒸汽，入口處的ρV2超過7 000 kg/(m·s2)；對于液體，入口處的ρV2超過9 000 kg/(m·s2)。

3 HTRI計算注意事項

接到條件后，先判斷換熱溫度是否可行，是否有溫度交叉(即冷流體的出口溫度是否高于熱流體的出口溫度)，如果有溫度交叉就需要采用單管程或多臺換熱器串聯。對于無相變流體，如果兩側流體流量相差很大，換熱器往往不好設計，設計時需要謹慎，既要滿足大流量流體側的允許壓降，又要保證小流量流體側的流速不至于太低。如果可行，可建議工藝讓小流量流體走管程，并采用多管程以提高其流速。

一般情況下，下列介質應走管程：腐蝕性介質、有毒介質、易結垢介質、溫度或壓力高的介質(必須增加厚度或由碳鋼改合金鋼時，反之不必作為主要矛盾考慮)。上述情況之外，介質走管程還是殼程一般考慮是否能夠提高傳熱系數和充分利用壓降。

無相變傳熱計算時應盡可能避免流體在層流和過渡流狀態下，尤其是層流時傳熱模型的可靠性大幅下降。因為沿換熱器管長，流體的流動狀態差別很大：管內雷諾數Re＜2 000時為層流，Re＞10 000時為湍流；管束Re＜100時為層流，Re＞1 000時為湍流，通常Re＞4 000。高黏度流體，如重質油和渣油等油品，黏度隨溫度變化很大，需要提供多點溫度下的黏度值進行分段計算的傳熱系數也會相差很多。

以HTRI軟件計算為例，在管殼式換熱器實際計算中總結出來的一些注意事項如下：

(1)對于固定管板式換熱器，需要提供各種工況下的金屬壁溫給設備專業，以便于設備專業進行熱應力分析后考慮是否需要熱補償。

(2)對于有相變的流體走管程時，應盡可能避免多管程，防止汽液在管箱中分離，并增大阻力。如果介質干凈，可考慮采用2管程“U”型管換熱器。

(3)對于高效換熱器，切不可盲目聽從宣傳。首先要分析傳熱受哪一側熱阻控制，再針對高效換熱器的特點加以合理選擇。對熱阻控制的分析可以在HTRI計算報告中找到。

(4)對于換熱器的設計余量，切不可一味圖大，認為面積越大越安全。經驗表明，換熱面積過大會導致流速下降，使換熱器更容易結垢。如果在層流狀態下，計算偏差會很大。

(5)對于大流量氣體走殼程時，要避免振動情況發生。如壓縮機冷卻器，可采用窗口不布管型式。

(6)管口直徑通常不超過殼徑的1/2，否則設備大開孔，增加換熱器機械設計上的難度，因此必要時可采用多管口進出(“X”或“H”型)。

(7)立式再沸器汽化率一般為20%～30%，最高不超過40%，低的時候可以在10%以內(如多效蒸發再沸器)。臥式再沸器汽化率一般在50%以內，大于50%可考慮用釜式。釜式再沸器殼徑不小于管束直徑的1.6倍。

(8)對于真空條件下的再沸器，最好提供兩條以上(不同壓力下)焓曲線，因為凈壓差對液體的汽化溫度影響很大，會導致傳熱溫差減小。因此設計裕量要大，在30%以上。

(9)用HTRI設計排管時一般不通過軟件自動排管，而要根據設計規定(GB 151—2014，GB 150—2011《壓力容器》)在Input Summary-Geometry-Clearance中進行限定。一般管束和殼體之間的距離輸入值為50 mm。對于允許壓力降較小的換熱器，可以輸入較大值——0.25D(即管嘴直徑的0.25倍)。

(10)計算時B流路分率要控制在50%以上，E流路分率控制在20%以下。

(11)壓縮機段間換熱器的經驗設計：

①壓縮機段間換熱器的允許壓降比較小，在選型時要選擇低壓力降的型式，如導流筒、“J”型、雙弓折流板或折流桿。壓縮機的段間冷卻器在大流量氣體走殼程時，要避免振動情況發生，可采用窗口不布管型式。

②壓縮機段間冷卻器的折流板一般選擇雙弓型。要盡量使第一塊板和最后一塊板為整板形式，防止存在死區，計算時不輸入切口百分數和板間距，只輸入crosspass數值和重疊板數就可以。

③壓縮機二段、三段冷卻器的U值一般為300 W/(m2·k)，這點在換熱器計算中要注意。

④考慮到允許壓力降比較小，管束和殼體的間距可以輸入較大值——0.25D(即管嘴直徑的0.25倍)。

4 結語

換熱器的熱計算是一個系統性的計算過程，其中包括收集關鍵數據，依據經驗確定換熱器型式。具體的結構尺寸計算中，除了考慮一些規范和理論上的要求外，還需要考慮設備制造或者現場操作經驗要點。本文初步闡述了管殼式換熱器熱計算的一些注意事項，希望對初學者有所幫助。