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管壳式换热器的设计要点
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管壳式换热器的设计要点
换热器的设
计过程包括计算换热面积和选型两个方面。有关换热器的选型问题，前面已经
讲过了，下
面主要介绍管壳式换热器的设计要点及如何分析计算结果、调整计算，而设计
出满足工艺
需要的、传热效率高的换热器。
11.1
设计计算的基本模型及换热器的性能参数
换热器的性能主要是通过下列公式来描述的。
a.
冷、热两流体间热量平衡
Qreq=(WCp
Δ
T)h
ot=(WCp
Δ
T)cold
W--
流体质量流量
Cp--
流体的比热
hot--
热流体
cold--
冷流体
Δ
T--
进出口温度差
b.
传热率方程
Qact=(A)(
Δ
Tm
)(1/
Σ
R)
Σ
R=(1/hi)o+(
1/ho)o+(Rf)o+(Rw)o
Σ
R--
总热阻
A--
传热面
hi
、
ho--
分别为两流体的传热膜系数
Rf--
两流体的污垢热阻
1
/
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管壳式换热器的设计要点
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Rw--
金属壁面热阻
Δ
Tm--
平均温度差
O--
通常换热计算以换热管外表面为基准
c.
传热率的估算
Qact
≥
Qreq
d.
对压力降的限制条件
(
Δ
Pi)act
≤
(
Δ
Pi)all
ow
(
Δ
Po)act
≤
(
Δ
Po)allow
Δ
P--
压力降
下标
i
表示管内
下标
o
表示管外
11.2
换热器的计算类型
换热器的计算类型常分为设计计算和校核计算两大类。换热器计算一般需要三大类数
据：
结构数据、工艺数据和物性数据，
其中结构数据
的选择在换热器中最为重要。在管壳式
换热器的设计中包含有一系列的选择问题，如壳体
型式、管程数、管子类型、管长、管子排
列、折流板型式、冷热流体流动通道方式等方面
的选择。工艺数据包括冷、热流体的流量、
进出口温度、
进口压
力、
允许压降及污垢系数等。
物性数据包括冷、
热流体在进出口温度下
的密度、比热容、粘度、导热系数、表面张力。
a.
设计计算
Design
设计计算就是通过给定的工艺条件，
来确定一台未知换热器的结构参数，
并使其结构最优、
尺寸最
小。对设计计算应先确定下列基本的几何参数：
2
/
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管壳式换热器的设计要点
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－－管长
－－管间距
－－流向角
－－换热管外径及管壁厚
b.
校核计算
Rating
校核计算就是评估一台已知换热器的传热性能，即通过
校核设备的几何尺寸来看其
是否能满足传热要求。校核计算应已知下列基本的几何参数：
－－管程数
－－壳内径
/
管数
－－折流板间距
/
折流板数
－－管长
/
管间距
－－流向角
－－管内径
/
管壁厚
11.2.1
设计元素的选取
设计计算时应考虑下列的几个基本设计元素：
－－壳体型式：
TEMAE<
/p>
，
F
，
G
，
J
，
K
，
X
。
－－壳内径：通常最大为
2<
/p>
米。
－－换热管几何尺寸：光管、翅片管
管径
(19mm,25.4mm
等
)
3
/
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管壳式换热器的设计要点
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管长系列
(3m,5m,6m,7.2m
等
)<
/p>
－－管子排列角：
30
°，
60
°，
45
°，
90
°
－－管间距：
1.25
?
1.50
倍的管子外径
－－折流板型式：单圆缺、双圆缺、管窗内不排管及为防止管子振动而加的支承板。
11.3
最终计算结果的分析
目前，换热器计算常用的计算软件为美国的
HTRI
< br>和英国的
HTFS
，这两大软件均为在国
际上享有盛誉的传热设备专用计算软件。
当设计计算结束后，
< br>如何根据实际的工况，
来判断
计算结果是否满足要求，出
现问题后如何解决，这对设计者来说都是很重要的
,
在评价最终
设计计算时应考虑并校核以下各项。
11.3.1
总体设计尺寸
细长型的换热器比短粗型要经济，通常情况下管长和壳
径之比为
5
?
10
，但有时根据
实际需要，长、径之比可增到
15
或
20
，但不常见。对立式热虹吸再沸器，要
控制其长、径
比在
3
?
10
之内。
11.3.2
热阻大小
< br>首先根据流体的物系及实际经验来推断一下传热系数值是否合理，
应特别注意管内
雷诺
数的大小。在层流流动
(
管侧
Re<2000,
壳侧
Re<300)
和过渡区流动中，应使用分段计算的方
式
(
HTFS
程序无此功能
)
，以确保传热
系数值计算的正确。在评估计算结果的同时，应考虑
程序计算的精确度。
如果热阻在管侧和壳侧分布平衡，
则该设计是好的，
如
果一侧热阻值过
大，应该分析原因，分析管、壳侧冷、热流体的分布是否合理，如果是由
于某一侧污垢系数
过大而引起的，则可不必进一步修改原设计。
11.3.3
设计余量
换热器设计计算时设计余量值的大小取决于计算精度、
实际经验及对现场的操作控制
等。例如：对冷却水换热器，当水流速大于
1.5m/s
时，没必要给出过大的设计余量，过大
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/
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管壳式换热器的设计要点
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的余量反
而会造成水流速的降低。
但对层流和过渡区流动，
由于计算精度
不好，
故需要给出
较大的设计余量，
通
常需要在考虑了传热阻力值的大小和程序的计算精度后决定。
对再沸腾
< br>器，
过大的设计余量反而是无益的，
特别是在设备运转初
期，
会发生如控制困难等操作问题。
另外，有些设计计算，
为了满足允许压降值的限制，可能会造成设计余量较大，
此时应根据
实际经验来判定计算结果是否正确或对允许压降值的大小作适当的调整。
11.3.4
压降的利用和分布
允许压降必须尽可能加以利用，
如果计算压降与允许压降有实质
差别，
则必须尝试
改变设计参数。
在校
核了计算所得压降值是否小于允许值之后，
应对压降的分布作进一步的
< br>校核，这其中包括有进、出口接管处压降、错流和管窗流的压降
,
压力降必须大部分分布在
换热率高的地方，
如横掠管束
的错流流动处；
如果在接管或管窗处的压降占总压降的比例较
大
，应考虑增大接管尺寸及折流板间距。一般对进、出口接管的压降希望控制在总压降的
3
0
％左右。特别对有轴向接管的换热器，接管部分的压降最好控
制在总压降的
30
％以下，否
则会造成
管子进口处的偏流。为防止物流对壳程入口处的管子进行冲击，引起振动和腐蚀，
一般均
在换热器壳程进口处设置防冲板或分布器，
在计算压降时要有所考虑。
< br>另一个必须记
住的事实是，
允许压降是人为给定的，
所以，如果在设计中允许压降得到了充分利用，而增
加一点压降会增
加很大的经济性，则应再行设计并考虑增加允许压降的可能性。
11.3.5
流速
需校核管子进出口处、
壳侧进
口处和接管内的流速。
一般来说流体流速在允许压降范围
内应尽
量选高一些，
以便获得较大的换热系数和较小污垢沉积，
但流速
过大会造成腐蚀并发
生管子振动，
而流速过小则管内易结垢。<
/p>
对冷却水系统，
设计计算时可参考下表中推荐的值
(
碳钢管
)
。
最
小
流
速
1.0
m/s
0.5 m/s
最
大
流
速
3.0 m/s
1.5 m/s
推
荐
值
大于
1.5m/s
0.7
?
1.0m/s
管
侧
壳
侧
如果冷却水的流速低于上表中的最
小流速，
最好征得工艺工程师的同意增大允许压降或
变化冷却水
的流率。
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管壳式换热器的设计要点
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对冷却水以外的单相和两相流用ρ
v
值判断。对壳侧进口流速，按
TEMA
< br>规定ρ
v
值不
能超过
5950 Kg/MS
(
碳钢管
< br>)
。对管窗内不排管换热器，管窗流速应为错流速度的
2
?
2.5
倍，气体和蒸汽的流速可在
8
?
30m/s
之间。
11.3.6
壳侧流路分析
2
2
2
HTRI
程序在计算结果中对壳侧各流路给出了较详细的分析，
可以参考下表中给
A,B,C,
E,F
流的推荐值。
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流路
A
－－折流板管孔和管子之间的泄漏流路；
流路
B
－－错流流路；
流路
C
－－管束外围和壳内
壁之间的旁流流路；
流路
E
－－折流板与壳内壁之间的泄漏流路；
流路<
/p>
F
－－管程分程隔板处的中间穿流流路。
流路名称
Flow Fraction
错流
B
>0.6(
湍流，
Re>300)
B
流路对传热有利，其值应尽量大。
>0.4(
层流，
Re>300)
C
F
旁流
0.1
C
，
F
值最好不超过
0.1,
为满足这一条
件，可使用密封装置。对浮头式或小壳
径壳体的换热器，如果
C
值较大，应使
用密封装置。对
U
型管或管程数较
多的
换热器，通常
F
值会较大，应考虑在管
程分程隔板处使用密封装置<
/p>
(
如密封垫
或
密封杆
)
或改变管子排列方式和折流
板圆缺位置。
A
泄漏流
0.15
应尽量减少泄漏，但当污垢系数超过
0.0008m
h
°
C/kcal
时，由于污垢可能会
2
< br>将管子和折流板管孔之间的间隙堵塞，因
此，
A
值较大也无妨，但此时对壳侧压
力损失应留有余量，最好计算一下。一
但间隙被堵塞，壳侧压降为多大。
7
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管壳式换热器的设计要点
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E
泄漏流
0.05
E
值会造成温度剖面的变形，如果
E
值大
于
0.15,
可使用双圆缺折流板。<
/p>
最大限度地加大
B
－
stream(
错流
)
，减少泄漏流，而事实上漏流不可能也不必要被全
部阻止，因为安装换热器时总需要有间隙。
11.3.7
对折流板的设计分析
单圆缺和双圆缺折流板为管壳式换热器中常用的折流板
型式，
换热器中折流板的布置对
设计计算有很大影响，一般从下
面几各方面来检查原设计是否合理。
a.
从流体流动、传热和污垢系数等方面考虑，最好将折流板的圆缺高度控制
在壳体直径的
20
?
30
％，
而板间距则控制在壳体直径
30
?
50
％之间
,
并不应
小于
50mm
。
b.
避免大圆缺小间距或小圆缺大间距的设计。应优化选取折流板圆缺的大小
和板间距大小，通常β值
(
折流板圆缺修正系数
)
最好在
0.9
?
0.92
之间。
c.
除了管窗内不排管以外，流体的错流速度和在管窗内的流动速度不应相
差太大，
流体在
X
－
flow
和
Window
内的速度大并且越接近越好。
d.
< br>如果壳侧压降受到允许压降的限制，
考虑使用双圆缺折流板，
若还是不行，
考
虑变化壳体型式
，选用
TEMA
的
J
< br>、
G
、
H
、
X
型壳体。
11.3.8
有效平均温差
在
HTRI
程序中是这样描述有效平均温差的
:
EffectiveMTD=(LMTD)(F)(DELTA)
其中：
LMTD
为对数平均温差
F
＝
(TUBE)(BAFFLES)(F/G)(HOT/COLD)
TUBE:
即
Ft
，
是对管侧多管程流动的修正系数。
通常设计计
算时应保证
Ft
大于
0.8
。
当
Ft
小于
0.8
时
,
换热器的经济
效益是不合理的，此时应另选其它流动型式，以提高
Ft
值。
8
/
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