浅论管壳式换热器工艺设计

点击：1998 日期：[ 2014-04-26 21:39:38 ]

浅论管壳式换热器工艺设计刘前辉 (华陆工程科技有限责任公司施工管理部，陕西西安710054) 摘要：管壳式换热器作为一种传统的标准换热设备在很多工业部门大量使用，特别在化工、石油、能源等部门占有主导地位。本文在了解管壳式换热器工作原理的基础上，提出管壳式换热器的工艺设计，同时，进一步阐述了管壳式换热器的工艺设计原理及方法研究。关键词：管壳式换热器；工艺设计；研究进展 1·管壳式换热器工作原理管壳式换热器也称列管式换热器。是一种以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。在石油、化工、轻工、制药、能源等工业生产中广泛运用，常常需要把低温流体加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。这些过程和热量传递有着密切联系，而这些工作均可通过换热器来完成。管壳式换热器结构较简单，操作可靠，能在高温、高压下使用。管壳式换热器结构由壳体、传热管束、管板、折流板和管箱等部件组成。壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。换热管在管板上按等边三角形或正方形排列。等边三角形排列较紧凑，管外流体湍动程度高，传热分系数大；正方形排列则管外清洗方便，适用于易结垢的流体。 2·管壳式换热器工艺设计随着经济和科技技术的快速发展，各种不同型式不同种类的换热器发展很快，新结构、新材料、新工艺的换热器不断涌现。为了适应发展的需要，我国对某些种类的换热器已经建立了标准，形成了系列。完善的换热器在设计或选型时应满足合理地实现所规定的工艺条件；结构安全可靠；便于制造、安装、操作和维修；经济上合理基本要求，管壳式换热器的设计技术也更具科学性。比较理想的管壳式换热器的一端管板与壳体固定，而另一端的管板可在壳体内自由浮动，壳体和管束对膨胀是自由的，故当两张介质的温差较大时，管束和壳体之间不产生温差应力。浮头端设计成可拆结构，使管束能容易的插入或抽出壳体。也可设计成不可拆的。浮头换热器的浮头部分结构，按不同的要求可设计成各种形式，除必须考虑管束能在设备内自由移动外，还必须考虑到浮头部分的检修、安装和清洗的方便。在设计时必须考虑浮头管板的外径Do。该外径应小于壳体内径Di，一般推荐浮头管板与壳体内壁的间隙b1=3~5mm。这样，当浮头出的钩圈拆除后，即可将管束从壳体内抽出。以便于进行检修、清洗。浮头盖在管束装入后才能进行装配，所以在设计中应考虑保证浮头盖在装配时的必要空间。钩圈对保证浮头端的密封、防止介质间的串漏起着重要作用，一般都为对开式结构，要求密封可靠，结构简单、紧凑、便于制造和拆装方便。 3·设计原理与方法研究设计原理与方法研究是产品保持先进的基石，管壳式换热器也一样。管壳式换热器的设计主要包括热力、流动、结构以及强度等设计，而工艺设计一般是针对传热和压降设计这两大方面，管壳式换热器的设计原理大致经历了以下几个历程。 3.1 Colburn2Donohue法管壳式换热器壳侧的传热和流动过程比较复杂，壳侧的传热和压降设计计算令人关注，一般设计原理的建立即指壳侧传热和压降计算方法的确定。1933年Colburn首先提出了以理想管排数据为基础的壳侧传热系数计算关联式。而对于带有折流板的管壳式换热器,由于漏流和旁流的存在,设计时采用Sieder2Tate关联式计算则更为方便。由于换热器中流体的传热与流动阻力是同时发生，二者相互制约，因此在设计计算中应将二者作为一个整体加以考虑。1949年,Donohue第1个提出了这种完整的管壳式换热器综合设计方法。它的传热计算式是对Colburn关联式的修正，因此，称为Colburn2Donohue法。 3.2 Kern法 Kern法在Colburn2Donohue法的基础上作了—些改进。它的主要特点是将设计作为一个整体来处理，即除传热外，同时还考虑壳程2管程流动、温度分布、污垢及结构等问题。Kern对这一设计方法进行了总结,Hewitt等，增加了新的内容,是目前管壳式换热器的重要设计参考书，对管壳式换热器研发很有价值。 3.3 Bell2Delaware法为进一步改进管壳式换热器壳程的工艺设计，Bell以1963年Colburn等完成的Delaware研究计划成果为基础，提出了Bell2Delaware法,它的特点是利用大量实验数据，引入各流路的校正系数，是一种精确度较高的半理论方法。该法考虑了传热、流动与结构综合效应,但是其传热关联式中的系数与指数由实验数据回归而得，适用范围受到限制，总体利弊各半。 3.4流路分析法为克服Bell2Delaware法的局限性，美国传热研究公司(Heat Transfer Research Inc,HTR I)利用Tinker的流动模型和Delaware大学的实验数据,并引用自己的研究成果，提出了具有独创性的流路分析法。天津大学也于1979年提出了计算壳侧压降的流路分析法，该法应用计算机进行计算。1984年Wills和Johnson对流路分析法进行了简化，可以方便地进行手算。该法所依赖的各种流路阻力系数仍属于经验公式，应该加以发扬。 3.5基于计算流体动力学的设计法计算机科学技术的飞速发展，为管壳式换热器设计摆脱繁杂计算、经验设计以及经济效益问题的单纯设计带来了希望。它在换热器设计方面的应用主要经历了3个阶段：首先开发通用的、考虑换热器标准的工艺和机械设计等程序，建立换热器的计算机辅助设计系统，以代替繁琐的手工设计；其次将工程最优化理论引入设计程序，以年度投资操作和维护费用最低、换热器面积最小、年净收益最大等为目标函数,建立换热器的优化设计软件包；最后以计算流体动力学(CFD)和数值传热学为基础，开展换热器的三维流动和传热行为数值模拟，从根本上解决管壳式换热器的设计和放大问题。其中，前两阶段方面的工作起步较早，进展较快，部分工作已有市售软件。例如HTR I、HTFS(Heat Tranfer andFluid Flow Services，简称HTFS)、B2JAC、THREM、CC2Therm和HEAT2DESIGN等设计软件包。这些软件包已成为换热器工艺计算的主要手段，在国内也得到了广泛应用。最后阶段阶段的工作开始相对较晚，由Patan2kar于1972年提出。管壳式换热器内的流动是复杂的三维流动，要完全准确地模拟出工业规模换热器内部的每一个流动和传递细节，从而确定出流动阻力和换热系数，这方面的工作处于学术研究阶段，仍需科研工作者继续研究。 4·结论管壳式换热器易于制造，生产成本较低，选材范围广，清洗方便，同时也有适应性强，容量大，工作可靠，并且能适应高温高压的优点。该类换热器仍然是目前应用最广泛、理论研究水平最高、设计技术最完善、标准化和规范化历史最悠久以及计算机程序软件开发最早的换热设备。为保持和发扬管壳式换热器在市场的主导地位，就必须在工艺设计上追求创新。参考文献 [1]刘明言，林瑞泰，李修伦，黄鸿鼎．管壳式换热器工艺设计的新挑战[J]．化学工程，2005；（1）： [2]昝河松．管壳式换热器工艺设计[J]．化工设计，2007；（5）：

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