管壳式换热器优化设计论文.doc

管壳式换热器优化设计与应用
管壳式换换器在化工生产工艺中，主要适用于液相流体之间、气体流体之间及气液两相流体之间的换热，达到回收余热，消除废热的目的，因其具有制作简单，操作及维护维修均较方便的特点，所以应用应用范围比较广范。管壳式换热器设计和造型的核心与其他换热器的设计一样，首先考虑的是传热面积，其次再确定换热器的其他尺寸及换热器的型号。计算换热器的传热面积，必须先确定总传热系数K和平均温度差Δtm。由于总传热系数K值与换热器的类型、尺寸及流体流向等多个因素有关，Δtm与两流体在换热器中的流向、加热（或冷却）介质终温的选择等有关，因此换热器的设计和选型要从以下几方面考虑，通过计算和比较才能设计出适宜的换热器设计。
第一、流体流径的选择：
流体流径的正确选择，即哪种流体走管间，哪种流体走管内，不仅对换热效率有重要作用，而且对设计投入运行后的维护维修，安全操作均有很大的关系。
1）含杂质不干净的流体（如酸冷器、汽机冷凝器的循环水）易结垢的流体宜走管内，在维护时，清洗管内比较方便。比如在清洗冷凝器或换热器时使用高压水枪可快速的完成检修任务。
2）有腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。如：利用105%发烟硫酸生产流体三氧化硫时，三氧化硫蒸发器（管壳式换热器的一种）内105%发烟硫酸走管内，在生产过程中，当管子受腐蚀泄漏时，根据出口酸温可简单的判断出故障，对操作人员的危害机率很小；维修时，在管子两端加盲堵即可。
3）相对压强高的流体宜走管内，以免壳体受压增加设计时壳程金属消耗量，节省材料，降低设备制作费用。
4）饱和蒸汽宜走管间，以便于及时排除冷凝液，而且蒸汽比较干净，它对管间壳程的清洗无要求。三氧化硫蒸发器也是这方面的实际应用。
5）有毒流体宜走管内，使泄漏机会较少，可降低危害风险系数。
6）被冷却的流体宜走管间，可充分利用设备外壳向外散热，增加冷却效果。如硫酸生产中使用的酸冷器、蒸汽冷凝水冷却器等
7）黏度大的流体或流量较小的流体宜走管间,因流体在有折流挡板的壳程流过时，由于流速和流向的不断改变，在较低雷诺数Re值（≤100）时，即可达到湍流，以提高对流传热系数。30摄氏度时，98硫酸的黏度为15mPa·s，水的黏度为0.80 mPa·s，由此可得硫酸的相对黏度远远大于水，酸冷器酸走管间也就是必然的了。
8）对于刚性结构的换热器，若两流体的温度差较大，对流传热系数较大者宜走管间，因壁面温度与对流传热系数α值大的流体温度相近，可以减少热应力。
以上从流体本身特征上对流体流径的选择进行了描述，往往这八个方面不能同时兼顾，在设备初期选型时，可根据实际情况，抓住设备选型的主要矛盾，即解决问题的根本问题。例如，选用管壳式硫酸冷却器时，可先考虑循环水管路的检修与清洗，再根据总传热系数核对对流传热系数和压强降，来选取最佳方案。
第二、流体流速选择
增加流体在换热器中的流速，可大大增强对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的机会，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而可减小换热器的传热面积。但是，流速的增加，又使流动阻力增大，动力消耗就增多。所以选用适宜的流速要通过经济衡算才能确定。另外，在选择流速时，还需考虑结构上的要求，例如，选择高的流速，使用管子的数目减少，对一定的传热面积，不得不采用较长的管子或增加程数。管子太长不易清洗，并且一般管子都有一定的标准；通过将单管程变为多管程提高流速使平均温度差下降，等等这些都是在选择流速时应考虑的问题。
第三、流体两端温度的确定
如果换热器中冷、热流体的温度都预先由工艺条件规定，当然就不存在两端温度的选取问题。若其中一个流体仅已知进口温度，则出口温度应由设计者来确定。例如用冷水冷却某热流体，冷水的进口温度可以根据当地的气温条件做出估计，而换热器出口的冷水温度，便需要根据经济衡算来决定。为了节省水量，可让水的出口温度提高些，这样就必须加大传热面积；反之为了减小传面积，则要增加水量。这两项要素是相互矛盾的，又是相互关联的。因此一般来说，设计者可选取两端温差为5—10摄氏度。水资源缺乏地区，应选用较大的两端温差Δtmax；相对水资源较为丰富的地区宜选用较小的两端温度差Δtmin。
第四、管子的规格和排列方法
在选择管子的规格时，应尽可能提高流体流速，以取得较高的雷诺数Re，使流体达到湍流状态，就必须采用小管径的管子，但一般不能超过规定的流速范围。对于易结垢、黏度较大的液体宜采用较大的管径。我国目前试用的管壳式换热器系列标准中仅有φ25x2.5mm和φ19x2mm两种规格的管子；管子规格的选取另外一个重要的因素就是管子的长度的的选择，管子长度的选择以清洗方便及合理使用管材为原则，长管不便于清洗，且易弯曲。一般出厂的管子长度为6米，合理的换热器管长应为1.5米、2米、3米和6米。标准系列中也以这四种规格的管长为基本尺寸。此外管长和壳径应相适应，一般取L/D为4—6（直径小的换热器可取大些）。
管子的排列方法，主要有等边三角形、正方形直列和正方形错列等。不同的排列方法有各自的优点，等边三角形排列的优级点有：管板的强度高，流体走短路的机会少，且管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高；相同过程内可排列更多的管子。正方形直列排列的优点是：便于清洗列管的外壁，适用于壳程流体易产生污垢的场合；但其对流传热系数相对正三角形较低，正方形错列排列则介于上述两者之间，与直列排列相比，对流传热系数可适当地提高。
管子在管板上排列的间距t（指相邻两根管子的中心距），随管子与管板的连接方法不同而异。通常胀管法取t=(1.3—1.5)d0，且相邻两管外壁间距不小于6mm，即t≥(d0+6)。焊接法取t=1.25d0。
第五、管程和壳程数的确定
有时换热器的管内流体的流量较小，或因所需传热面积较大从而所需管数很多，就会因流通面积的增大使管内流速较低，因而对流传热系数较小。为了提高管内流速，可采用多管程。管程的增加，导致管程阻力加大，增加动力消耗费用；同时多管程会使平均温度差下降；此外多管程隔板使管板上可利用的面积减少。在换热器设计时应考虑这些问题。一般情况下，在系列标准中管壳式换热器管程数有1、2、4、6程等四种。采用多管程时，应使每程的管子数相等。
当温度差校正系数ψΔt低于0.8时，可以采用壳方多程。如壳体内安装一块与管束平行的隔板，流体在壳体内流经两次，称为两壳程，由于壳程隔板在制造、安装和检修等方面都有困难，帮一般不采用壳方多程的换热器，而是将几个换热器串联使用。以代替壳方多程。
第六、折流挡板
在壳程内安装折流板，使壳程间的流体在壳程内的流速和流向不断改变，即使在流速较低时也可以达到湍流，使湍动程度加剧，以提高壳程内流体的对流传热系数。
折流板的形式有多种，有圆缺型、环盘形和弓形等。最常用的是圆缺型折流板，切去圆抽弓形的高度约为外壳内径的10%--40%，一般情况下取20%--25%为最佳效果。另外折流的间距h为外壳内径D的0.2—1倍。在标准系列中折流板间距h规定：固定管板式的有150 mm、300 mm、600 mm三种，浮头式的有150mm、200 mm、300 mm、480 mm和600mm五种。根据流体特点不同，根据实际选取板间距，正确的选取板间距，是提高壳程内流体传热系数的主要途径。
第七、外壳直径的确定
换热器壳体直径的选择，当根据计算出的实际管数较少时，可依据管径、管中心距及管子的排列用作图法确定壳体的内径；但是当管数较多，又要反复计算时，作图法就太麻烦了，一般在初步设计时，先分别选定两流体的流速，然后计算所需的管程和壳程的流通截面积，在系列标准中查出相应的外壳直径。待全部设计完成后，仍应用作图法画出管子排列图，在作图时，为了使管子排列均匀，防止壳程内流体走短路，可以适当增减一些管子。
第八、换热器材料的选用。
根据换热器内流体操作压强、温度及流体的腐蚀性等特点，可根据管程和壳程流体物质的不同特点分别选取材料，进行制作。还可根据操作压强的不同，温度的不同，分别选取力学性能不同的材料。以减少设计制作费用。
第九、流体流动阻力
对于换热器管程流动阻力，可按管道的摩擦阻力公式进行计算，对于多程换热器，总阻力等于直管阻力、回弯阻力及进出口阻力之和，计算较为简单。
对于壳程阻力由于壳程内流体的流动状况比较复杂，因此计算结果各不相同，最常用的有埃索法计算壳程压强降公式。
一般来说，液体流经换热器的压强降为10—100Mpa，气体的为1—10Mpa 。设计时，换热器的工艺尺寸应在压强降与传热面积之间进行利弊权衡，使之既能满足工艺要求，又经济合理。
另外，换热器的制作附件的制作也较为重要，对设备的换热效果都有较大的影响。如封头的形式对管内流体的均匀分布有一定的影响。缓冲板的安装可防止流体进入换热器时对管束的冲击；安装导流筒可消除管板间及进出口的流动死角；安装放气孔，排液孔，可消除不凝气体和多余的冷凝液；接管的选取也较为重要，避免进出口的瓶颈效应。
总之，换热器的优化设计与选型，是一个相对较复杂的设计过程，往往有时候会在多个因素上发生矛盾，各因素不能兼顾，这时就必须抓住问题的主要矛盾，以解决主要矛盾为目的，兼顾其他方面，使换热器设备更加科学，经济合理。

7