管壳式换热器设计要点

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【摘要】本文阐述了管壳式换热器设计中工艺参数的选择，换热器相关参数的选择，流体流动通道的选择，流体流速的选择及流速对传热系数和压降的影响。

【关键词】工艺参数 换热器参数 通道 流速

1 前言

换热器是广泛应用于化工、石油化工、动力、医药、冶金、制冷、轻工等行业的一种通用设备。换热器种类繁多，管壳式换热器因制造容易，生产成本低，选材范围广，清洗方便，适应性强，处理量大，工作可靠，且能适应高温高压而被广泛使用。然而管壳式换热器设计涉及很多参数的选取，如参数选择不当，必然影响换热器使用，造成材料浪费，运行成本增加，甚至造成装置无法正常运行。因此，针对管壳式换热器设计过程中的要点，分别阐述如下：

2 管壳式换热器设计要点 2.1 工艺参数

设计换热器必须提供的工艺参数：

（1）两侧流体的流量和进出温度。一般工艺物料的进出温度由工艺流程确定，变化不大；换热器用冷却水作冷却剂时，确定冷却水出口温度时应注意以下几点：

冷却水的出口温度不宜高于60℃，以免结垢严重；

高温端温差不应小于20℃，低温端不应小于5℃；

当采用多管程、单壳程的管壳式换热器，冷却水的出口温度不应高于工艺物流的出口温度。

另外，在冷却或者冷凝工艺物流时，冷却剂的入口温度应高于工艺流体中易结冻组分的冰点，一般高于5℃。在对反应物进行冷却时，为了控制反应，应维持反应流体和冷却剂之间的温差不低于10℃。当冷凝带有惰性气体的工艺流体时，冷却剂的出口温度应低于工艺流体的露点，一般低5℃。

（2）两侧流体的操作压力，对没有给定密度的气体尤为重要，对液体则不重要。

（3）两侧流体允许的压降，流体压降是换热器设计非常重要的一个参数。我们经常都会忽视它，设计时应把换热器放在系统中具体分析，一般的液体，每壳程是0.5一0.7kgf/cm2，因为要保证较高的流速，以达到湍流。对气体一般允许0.05一0.2kgf/ cm2，最常用的是O.lkgf/cm2。

（4）两侧流体的污垢系数。

（5）两侧流体进出温度范围内的粘度、导热系数、密度和比热等物性参数。

（6）非正常条件，操作连续或间歇等其它要求。

2.2 换热器有关参数

（1）选择换热器的类型，如果没有特别要求，设计者可根据TEMA标准里各种不同结构的换热器的特性选择换热器的类型。

（2）接管尺寸，接管尺寸要与管道尺寸相匹配，以避免增加大小头。

（3）换热管规格，一般表示成外径x壁厚x长度的形式，我们常用的管子规格是（Φ19mm x2mm，Φ25 mm x 2mm，Φ25mm x 2.5mm，Φ38 mm x 3 mm，Φ38mm x 2. 5mm。管长模数是3m，6m，9m和12m，除了换热器本身设计要求外，可根据换热器布置区域决定最大的管长。

（4）换热器壳径，对可拆卸管束的换热器，最大的壳径根据管束的拆卸要求和起重机的能力来确定，例如：U型管和浮头式；对于固定管板式换热器，仅受制造商加工能力的限制。推荐的换热器直径，对于浮头式是1.4-1.5m，而固定管板的换热器直径可做到大于3m。

（5）管和壳材质，如果管和壳材质一样，则所有零部件的材质也应该和其一样。如果管和壳材料不一样，则要注意管箱、管板等部件的材质。

2.3 流体流动通道的选择

在管壳式换热器设计中可根据以下原则选择流体流动通道：

（1）不洁净和易结垢的液体宜走管程，因管内清洗方便，特别是高压水射流雾化喷嘴的应用。

（2）腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受到腐蚀，以节约耐腐蚀材料。

（3）压力高的流体宜走管程，以免壳体承受压力，以减少壳体厚度。

（4）饱和蒸汽宜走壳程，因饱和蒸汽比较清洁，冷凝液容易排出。

（5）被冷却的流体宜走壳程，便于散热。

（6）若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，宜将给热系数大的流体通人壳程，以减少热应力。

（7）流量小而粘度大的流体一般以走壳程为宜，因壳程Re > 100即可达到湍流

2.4 流体流速选择

2.4.1？管侧

圆形直管内强制湍流的给热系数公式：a=0.027（λ/d）（ρd u/μ）0.8（CPμ/

式中，a为给热系数，kcal/ m2.h.℃；λ为导热系数，kcal/ m.h.℃；d为管径，m；ρ为流体密度，kg/m3；u为流速，m/s；μ为粘度，kgf.s/ m2；CP为比热，kcal/kg.℃。

从上式可看出，流速强烈影响传热系数，对于湍流，管侧给热系数和流速的0.8次方成正比，而我们知道压降和流速的平方成正比。增加流速，压降比给热系数增加得更快，因此应该有一个最适宜的流速。另外，较高的流速会引起冲刷腐蚀，但是，压降对于流速的限制要比防止冲刷腐蚀优先。一般在管侧液体的推荐流速是l .0m/s，最大为3.0m/s。压降和流速的平方以及管长成正比，如果管径和长度可以变化，则可以在允许的压降范围内，使用较高的流速以达到较高的给热系数a。

2.4.2？壳侧

壳侧湍流（Re > 100），给热系数与流速的0.6～0.7次方成正比，而压降同流速1.7～2.0次方成正比。

3 结束语

换热器设计是工艺设计的一个重要组成部分，据统计，在石油化工系统中换热器占设备投资的40%左右，管壳式换热器占换热器的70%左右。在进行管壳式换热器设计时，在基本理论不变的前提下，应更多的根据各套装置的特点、现场实际情况以及运行经验具体考虑。