管壳式换热器设计分析

管壳式换热器设计分析

徐玉振

山东安润热工科技有限公司 山东 济南 250000

摘要：针对管壳式换热器进行设计并分析其结构，可以让装置的传热效率得到充分提升，同时，有效降低设计过程中所需消耗的加工成本。优化管壳式换热器设计方案的主要目的在于提升换热器设备的利用率，以争取更多的经济效益。为此，下文将简要介绍管壳式换热器设计过程中的注意事项，以促进其质量提升。

关键词：管壳式换热器；换热管；优化设计

引言：

作为一种节能设备，利用换热器可以在两种不同物料之间达到良好的热量传递效果，综合利用高温介质和低温介质进行热能传递，以争取良好的换热效果，该装置已经在石油、食品及化工行业中得到了广泛运用。以石油化工生产为例，需要在实际生产阶段进行加热和冷却处理，如果两种流体持续换热但是无需混合，则需在间壁换热器中进行热交换。作为一种主要的换热器类型，管壳式换热器因为其良好的传热性能和稳定性而在实际生产中得到了广泛运用，而其性能主要受到换热器结构的影响，要求在换热器设计阶段充分关注其部件结构，以实现对于设备换热效率的有效控制，同时，相应降低造价成本。下文将着眼于传热效率和造价两个方面，提出合理的管壳式换热器设计方案。

1、提高传热效率

传热学基本公式：Q=KF△t，其中K为传热系数、F为换热面积、△t为对数平均温差。

1.1 提高总传热系数K

总传热系数K可能受到管壁及污垢热阻值、管壁两端的对流传热系数值的影响。为此，可以从如下角度提高总传热系数：

1.1.1 提高管程及壳程流体流速

首先，要求在设计过程中针对换热管的实际管径进行合理设计。管径直径越小，则可能相应增加管道流速，导致管道湍流速度大幅提升，进而增加传热系数，使总传热系数K值大幅增加。然而，如果流速过高，则可能相应增加装置冲刷腐蚀的风险，导致压降增加，为此，要求针对换热管中的液体流速进行充分管控，使其得以保持在1.0m/s上下。

其次，要求合理确定最佳的管程数量，以促进管程流体流速提升。可以将管程分别设计为7种不同型式，不断提升各管程换热管排布的均匀性，使其得以均匀流入不同管程的换热管。

1.1.2 加强流体扰动

要求在壳程设计阶段充分关注流体扰动状态，以实现对于折流板形状和数量的有效管控。在进行壳程设计时，要求充分关注折流板形状及不同折流板的间距，其间距越小，则壳程两端流体的湍流性也就越大，也因此导致传热系数大幅增加。然而，由于间距过小，且压降大幅增加，需要将折流板的最佳间距控制为壳径的0.3～0.6倍。折流板缺口处的切缺率变化区间介于15%～45%之间，可以结合圆筒直径的百分比确定具体的切缺值，并将缺口弦高值控制为20%～45%。为确定最佳的弦高值，则要求针对流体在缺口位置及横穿管束时的流速予以控制，无论缺口弦高过大还是过小，都可能相应影响壳侧流体的流动速度，导致边界层相对过大，进而影响传热系数。

1.1.3 避免结垢

使用换热器设备，则可能导致传热表面上出现过多的污垢沉积物，引发严重的结垢问题，而如果污垢沉积物的热阻量过高，则可能导致传热效率大幅降低。近年来，人们高度关注污垢研究工作，在壳程流体中提供了一定量的加固体颗粒，以相应降低结垢的风险，同时，据此确定最佳的换热管长度，以免因长度过长而相应增加清洗难度，造成严重的污垢问题^[1]。

1.2 增大传热面积A

要求不断提升设备单位体积的传热面积，以促进装置传热效果提升。随着人们加工水平的不断提升，已经有越来越多的新型换热管被投入工程设计领域，利用低肋管、翅片管、板翅传热面、螺纹管等多种新型设备，替代了传统的光管，并相应增加了传热元件的传热面积。

借助粗糙的传热面可以让边界层的湍流水平得到切实提升，以达到良好的传热效果，让管程的强化传热效果得到充分突破。现阶段，我国致力于研究先进的传质元件，在工程施工中充分利用翅化面，可以在不增加设备尺寸的前提下达到良好的换热面积增加效果，以提升装备在单位体积中的传热面积，提升设备结构的紧凑度。

1.3 增加平均温度差△t

为提升冷热流体的平均温度，要求充分关注生产工艺中所规定的流体进出口问题，结合具体的介质和工艺设计方案确定相应的温度。同时，需要在进行换热器设计时充分关注冷热流体的实际流动方向，综合利用冷热流体逆流及接近逆流的方式，选择具体的流动方向，以相应增加平均温差。

然而，换热器传热温度差具有一定的限制，应尽量避免将其作为提升换热器传热性能的主要手段，同时，充分关注实际工艺及设备条件，以实现对于换热器温度差的有效控制，将温差控制为10—20℃以内^[2]。

2、降低加工成本

2.1 换热器材料选择

在换热器材料选择阶段，要求充分关注材料结构、介质、腐蚀性及制造工艺，并将材料的经济性和安全性作为首要的材料选用依据。如果未能选择最佳的材料类型，则可能相应增加材料施工成本，影响材料安全性能，使其使用寿命大幅降低。

近年来，在换热器设计领域已经涌现了一批又一批新材料，也因此增加了企业的经济效益。要求结合具体的介质类型选择具体的材料，大量使用具有良好性能的进口材料，淘汰性能较低的材料。进行换热器设计，要求让管程的换热管及管板材质得以充分匹配，以免因焊接不同的材料而造成严重的电势差，同时，实现对于管程及壳程的有效控制，避免出现双侧腐蚀的情形。如果压力和温差均相对较高，则可能导致管板设计过程中出现超厚的管板材料，并利用复合钢板结构，将其作为管板，以相应削弱设备使用成本。总而言之，要求在设计过程中充分关注材料强度和刚度状态，以简化材料加工制作难度，有效避免设备成本浪费问题^[3]。

2.2 流体流径选择

要求在管壳式换热器设计阶段确定最佳的流体流径状态，以促进流体换热效率提升，让设备设计运行质量得到充分保障，同时，提升设备操作的安全性。通常而言，如果流体中含有大量杂质或易结垢物质，且毒流体及粘性相对较大，腐蚀性过强，则可以采取流体走管的形式，以便于流体清洗和流体检修。饱和蒸汽、冷却流体则十分适用于流体走管的情形，可以有效提升流体传热性能，避免热量损失。

2.3 附属结构

首先，要求在设计阶段充分关注换热器的附属结构，如膨胀节。在实际换热阶段，固定管板换热器的管束及壳体之间可能表现出较大的温度差，若温度差达到一定数值，则要求在其中设置膨胀节，以相应降低管板厚度，削弱设备设计成本。

其次，设计管程隔板装置，如果多管程管箱中的结构多为碳钢和低合金钢材料，则为有效避免应力集中的情形，需要积极落实管箱焊接作业，并在此基础上争取良好的应力消除处理效果。为切实避免管程积液问题，需要在隔板位置上设置漏液内孔，以相应降低设备腐蚀风险，让装置的使用期限得以切实延长。

第三，关注缓冲板和导流筒设计，如果流体流速相对较大，则要求在其中设置缓冲板和导流筒，以免因流体大量流入换热器而带来严重的管束冲击。

最后，设计放气孔及排液孔装置，以充分清除不凝气体和装置中过多的冷凝液^[4]。

结语：综上所述，设计管壳式换热器，其流程十分复杂，要求进行反复核算，并与有关部门展开密切沟通，不仅需要延续传统的具有良好传热性能的设计结构，还需要积极探索全新的材料和型式，以促进传热效果提升，简化加工制作难度，同时，相应削弱设备生产成本，以提升管壳式换热器设计的合理性。

参考文献：

[1]刘家庆,唐滨. 管壳式换热器设计浅析[J]. 上海化工,2021,46(03):36-39.

[2]王洪波. 管壳式换热器配管设计[J]. 化工设计通讯,2021,47(10):84-87.

[3]何璟,张永恒,王良璧. 管壳式换热器优化的遗传算法及变量分析[J]. 兰州交通大学学报,2021,40(01):83-89.

[4]李海,端木伟峰. 分析管壳式换热器失效形式及处理对策[J]. 中国金属通报,2021(03):202-203.