管壳式换热器设计参数的选择
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摘要：文章探讨了管壳式换热器设计过程中管箱、壳体、管束、折流板和防冲板等参数的选择，提出了对设计过程中常见问题的解决方案，可以为此类换热器的设计提供参考。
关键词：管壳式换热器，管箱，壳体，管束，折流板，防冲板，设计
Parameters Determine in Shell-Tube Heat Exchanger Designing
Zhou Hai-ge*, SUN Ai-jun
(China Textile Industry Engineering Institute, Beijing 100037)
Abstract: Parameters determine of tube box, shell, bundle, baffle and impingement in shell-tube heat exchanger designing is discussed in this article. Propose the solution to ordinary question in designing. It is can be the reference for this type exchanger designing.
Keywords: shell-tube heat exchanger, tube box, shell, bundle, baffle, impingement, design
引 言
管壳式换热器是石化行业中应用最广泛的间壁式传热型换热器，适用范围从真空到超高压（超过100MPa），从低温到高温（超过1100℃），约占市场多于65%的份额[1]，因此对于工程设计人员来说，管壳式换热器的设计十分重要。
管壳式换热器的主要组合部件包括壳体、前端管箱和后端结构（含管束）三部分。管箱、壳体、管束、折流板、防冲板等设计参数决定了换热器的类型、规格及性能特点。
1. 管箱
1.1 前端管箱的选择原则
GB151中分别列出了A、B、C、N、D五种前端管箱型式[2]。这五种前端管箱都是固定的。从其结构上看，B型管箱维护时，需要移去整个前端管箱，比较麻烦，但其造价便宜，适合清洁介质；A、C、N型管箱都可以通过拆除前端管箱的法兰盖进行维护；C型管箱的管板与管箱是集成一体的；N型管箱除管板管箱集成外，还将管板和壳体之间直接焊接，以减少泄漏；D型管箱为特殊高压管箱。
根据前端管箱的结构特点，选择前端管箱时主要考虑的是维护需要、管壳程流体混合的危害以及管程压力等。
1.2 后端管箱的选择原则
GB151中分别列出了L、M、N、P、S、T、U、W八种后端管箱形式。根据它们的结构特点大致可以分为四类[3]，即：
表1 后端管箱形式及特点
根据后端管箱的特点，选择后端管箱时主要考虑热应力、管壳程流体混合的危害、介质泄漏对环境的影响、介质特性、管程压力以及维护要求和成本等。
2. 壳体
GB151中列出了E、Q、F、G、H、I、J、K、O九种壳体型式，比TEMA标准中多了Q、I型和O型。TEMA标准中还有一种X型壳体，共有七种壳体型式。
E型换热器为单壳程换热器；Q型换热器是单进单出的冷凝器壳体，是相对于J型壳体的，适用于小流量蒸汽冷凝的工况；J型壳体为无隔板分流的冷凝器壳体，壳体有两个入口，一个出口或者两个出口，一个入口两种型式，适用于大流量蒸汽冷凝的工况，壳体压降较小；F型为双壳程型壳体，这种壳体型式在实际中很少使用，因为容易引起漏流，且制作和维护困难；G型和H型壳体常用于水平热虹吸管再沸器、冷凝器以及其他有相变的情况，壳侧压降较低，但是换热效果稍差；I型为U型管式换热器壳体；K型壳体常用在壳程大量沸腾的再沸器设计中；O 型为外导流型壳体，适用于壳程进出口接管较大的情况，可以起到导流和防冲挡板的作用；X型为交叉流换热器壳体，壳侧压降最低，常用于真空冷凝的情况。
上述壳体型式中，E型壳体具有最好的传热效率，制造简单，成本低廉，因而是应用最普遍的壳体型式。在选择壳体型式时应优先选用。另外，应综合考虑管壳式换热器的壳体介质状态、壳侧压降和换热器功能、成本等因素选择合适的壳体型式。
在HTRI的输入界面中，需要输入TEMA型壳体构造。TEMA和GB151对相同代号的换热器，其壳体结构形式是一致的，可以根据以上原则选用。
3. 管束
3.1 换热管的选择原则
GB151中给出了不同材质的常用管换热规格和偏差。经过计算，同样的金属材料和壁厚，小管径的换热管可以提供更大的换热面积，管子排布更紧凑，造价更加便宜。以外径分别为25mm和19mm，壁厚为2mm的换热管为例计算，每立方米钢材可以提供的换热面积依次是0.379m2/m3和0.559m2/m3，后者比前者的换热面积增加47.5%。因此在做换热器设计时，应优先选择小外径的换热管。但是当外径小于19mm时，进行机械清理十分困难，只能用化学方法清理。所以易结垢结块的物料不宜采用小外径的换热管，应尽量采用外径25mm及以上的管子。对于有汽液两相流的物流，例如再沸器、锅炉等，多采用32mm的外径。
换热管的壁厚在GB151中给出了一定的范围，对于一般换热器的设计是足够的。换热管的外径也已经相对标准化，国内市场上常用的换热管规格有Ф19×2，Ф25×2，Ф25×2.5mm等。
换热管的长度尽量选用GB151中推荐的1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0、12m长度设计。
3.2 布管形式
GB151中介绍了四种标准的换热管布管方式，即30°、45°、60°和90°四种方式，可统一分为三角形布置和正方形布置。
三角形布管比较紧凑，相对来讲，换热效率较高，压降较大，但是不能用机械的方法清洗，只能用于壳侧介质不易结垢或结垢后采用化学清洗即可的情况。相反，正方形布管可以采用机械方式清洗，能用于壳侧介质易结构的场合，但相邻两管间的净距不宜小于6mm。另外，90°由于是顺排布管，提供了顺畅的通道，对于壳侧介质沸腾型的换热器设计，这种布管方式更加可取。而当壳侧介质比较清洁，对壳侧压降要求不高的情况下，三角形布管方式更加经济。