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管壳式换热器的设计和选型 ( R# f( Q/ ?2 |2 |/ R7 O
管壳式换热器是一种传统的标准换热设备，它具有制造方便、选材面广、适应性强、处理量大、清洗方便、运行可靠、能承受高温、高压等优点，在许多工业部门中大量使用，尤其是在石油、化工、热能、动力等工业部门所使用的换热器中，管壳式换热器居主导地位。为此，本节将对管壳式换热器的设计和选型予以讨论。
（一）管壳式换热器的型号与系列标准
鉴于管壳式换热器应用极广，为便于设计、制造、安装和使用，有关部门已制定了管壳式换热器系列标准。 & [* M u( r7 K
1． 管壳式换热器的基本参数和型号表示方法 2 h4 N+ p5 C% s8 U
（1）基本参数管壳式换热器的基本参数包括： / B* `) L) R- a: w5 K6 l; g8 S( P( m+ I" D
①公称换热面积 ；
②公称直径 ； 3 A ?2 A! u4 \4 y
③公称压力 ；
④换热器管长度 ； V( x. O5 D$ S# T+ j. w# g
⑤换热管规格； / z5 K2 j- Q3 ^' l3 Z9 v
⑥管程数 。
（2）型号表示方法管壳式换热器的型号由五部分组成： 1 D+ o" L+ q0 M5 M' v+ [
1──换热器代号 * ~/ |- K' x; r: d4 x# Q: x4 R0 u
2──公称直径DN，mm；
3──管程数：ⅠⅡⅣⅥ；
4──公称压力PN，MPa； d+ q0 g" ~' q$ k! R2 d
5──公称换热面积SN，m2。
例如 800mm、 0.6MPa的单管程、换热面积为110m2的固定管板式换热器的型号为：G800 I-0.6-110 . G! [3 t9 x- d2 r
G──固定管板式换热器的代号。
2．管壳式换热器的系列标准
固定管板式换热器及浮头式换热器的系列标准列于附录中，其它形式的管壳式换热器的系列标准可参考有关手册。 / V% C+ a# ~+ X4 c$ X2 e
（二）管壳式换热器的设计与选型
换热器的设计是通过计算，确定经济合理的传热面积及换热器的其它有关尺寸，以完成生产中所要求的传热任务。
1．设计的基本原则 0 b7 x# K/ ~- N/ M9 _
（1）流体流径的选择流体流径的选择是指在管程和壳程各走哪一种流体，此问题受多方面因素的制约，下面以固定管板式换热器为例，介绍一些选择的原则。 ! B7 t+ a1 l. J
①不洁净和易结垢的流体宜走管程，因为管程清洗比较方便。
②腐蚀性的流体宜走管程，以免管子和壳体同时被腐蚀，且管程便于检修与更换。 , F( D" L3 N' D
③压力高的流体宜走管程，以免壳体受压，可节省壳体金属消耗量。 - M7 x! ]3 S4 h( b0 v! Y
④被冷却的流体宜走壳程，可利用壳体对外的散热作用，增强冷却效果。
⑤饱和蒸汽宜走壳程，以便于及时排除冷凝液，且蒸汽较洁净，一般不需清洗。 : k0 M8 u) T9 R1 Y v4 R- h5 q
⑥有毒易污染的流体宜走管程，以减少泄漏量。 : d0 Z' r% r+ _/ V8 V
⑦流量小或粘度大的流体宜走壳程，因流体在有折流挡板的壳程中流动，由于流速和流向的不断改变，在低Re（Re>100）下即可达到湍流，以提高传热系数。
⑧若两流体温差较大，宜使对流传热系数大的流体走壳程，因壁面温度与α大的流体接近，以减小管壁与壳壁的温差，减小温差应力。
以上讨论的原则并不是绝对的，对具体的流体来说，上述原则可能是相互矛盾的。因此，在选择流体的流径时，必须根据具体的情况，抓住主要矛盾进行确定。
（2）流体流速的选择流体流速的选择涉及到传热系数、流动阻力及换热器结构等方面。增大流速，可加大对流传热系数，减少污垢的形成，使总传热系数增大；但同时使流动阻力加大，动力消耗增多；选择高流速，使管子的数目减小，对一定换热面积，不得不采用较长的管子或增加程数，管子太长不利于清洗，单程变为多程使平均传热温差下降。因此，一般需通过多方面权衡选择适宜的流速。表4-14至表4-16列出了常用的流速范围，可供设计时参考。选择流速时，应尽可能避免在层流下流动。
表4-14 管壳式换热器中常用的流速范围
流体的种类 一般流体 易结垢液体 气体 . J2 Z+ L1 | ^7 J
流速，m/s 管程 0.5 ~3.0 > 1.0 5.0 ~30
壳程 0.2 ~1.5 > 0.5 3.0 ~15
表4-15 管壳式换热器中不同粘度液体的常用流速
液体粘度，mPa•s > 1500 1500 ~500 500 ~100 100 ~35 35 ~ 1 < 1
最大流速，m/s 0.6 0.75 1.1 1.5 1.8 2.4
表4-16 管壳式换热器中易燃、易爆液体的安全允许速度
液体名称 乙醚、二硫化碳、苯 甲醇、乙醇、汽油 丙酮 , z @7 f) p, z" ]- l4 g8 l" c
安全允许速度，m/s < 1 < 2 ~3 < 10 5 }2 z0 Y% q2 i4 \7 A0 Z; _
（3）冷却介质（或加热介质）终温的选择在换热器的设计中，进、出换热器物料的温度一般是由工艺确定的，而冷却介质（或加热介质）的进口温度一般为已知，出口温度则由设计者确定。如用冷却水冷却某种热流体，水的进口温度可根据当地气候条件作出估计，而出口温度需经过经济权衡确定。为了节约用水，可使水的出口温度高些，但所需传热面积加大；反之，为减小传热面积，则可增加水量，降低出口温度。一般来说，设计时冷却水的温度差可取5~10℃。缺水地区可选用较大温差，水源丰富地区可选用较小的温差。若用加热介质加热冷流体，可按同样的原则选择加热介质的出口温度。
（4）管子的规格和管间距
①管子规格管子规格的选择包括管径和管长。目前试行的管壳式换热器系列只采用25×2.5mm及19×2mm两种管径规格的换热管。对于洁净的流体，可选择小管径，对于易结垢或不洁净的流体，可选择大管径。管长的选择以清理方便和合理使用管材为原则。我国生产的标准钢管长度为 6m，故系列标准中管长有 1.5、2、3 和 6m 四种。此外管长 和壳径 的比例应适当，一般 为4~6。
②管间距管子的中心距 t 称为管间距，管间距小，有利于提高传热系数，且设备紧凑。但由于制造上的限制，一般 ， 为管的外径。常用的 与 的对比关系见表4-17。
表4-17 管壳式换热器 与 的关系
换热管外径 ，mm 10 14 19 25 32 38 45 57
换热管中心距 ，mm 14 19 25 32 40 48 57 72
（5）管程和壳程数的确定
①管程数的确定当换热器的换热面积较大而管子又不能很长时，就得排列较多的管子，为了提高流体在管内的流速，需将管束分程。但是程数过多，导致管程流动阻力加大，动力能耗增大，同时多程会使平均温差下降，设计时应权衡考虑。管壳式换热器系列标准中管程数有 1、2、4、6 四种。采用多程时，通常应使每程的管子数相等。
管程数 可按下式计算，即
（4-114）
式中 . h$ O# @$ ^, i! B
──管程内流体的适宜速度，m/s；
──管程内流体的实际速度，m/s。
②壳程数的确定当温度差校正系数 时，应采用壳方多程。壳方多程可通过安装与管束平行的隔板来实现。流体在壳内流经的次数称壳程数。但由于壳程隔板在制造、安装和检修方面都很困难，故一般不宜采用。常用的方法是将几个换热器串联使用，以代替壳方多程。 + m/ Z' V- u1 a8 H/ M; a, j
（6）折流档板的选用安装折流挡板的目的是为了加大壳程流体的速度，使湍动程度加剧，提高壳程流体的对流传热系数。
折流挡板有弓形、圆盘形、分流形等形式，其中以弓形挡板应用最多。挡板的形状和间距对壳程流体的流动和传热有重要的影响。弓形挡板的弓形缺口过大或过小都不利于传热，还往往会增加流动阻力。通常切去的弓形高度为外壳内径的10~40%，常用的为 20%和25% 两种。挡板应按等间距布置，挡板最小间距应不小于壳体内径的1/5，且不小于50mm；最大间距不应大于壳体内径。系列标准中采用的板间距为：固定管板式有150、300 和600mm 三种；浮头式有150、200、300、480<和 600mm五种。板间距过小，不便于制造和检修，阻力也较大；板间距过大，流体难于垂直流过管束，使对流传热系数下降。 ( E, R9 c6 e; s5 F8 l' y
挡板弓形缺口及板间距对流体流动的影响如图片4-54所示。为了使所有的折流挡板能固定在一定的位置上，通常采用拉杆和定距管结构。
【图片4-54】挡板缺口高度及板间距的影响。 % _0 k0 ~7 G4 l# P5 r$ |3 L0 Z
【播放动画4-3】挡板缺口高度及板间距的影响。 $ \# H0 ~5 J3 z5 p
应予指出，换热器的折流构件除通用的折流档板外，还有其它一些型式，如近年来开发出的折流盘等，详细介绍见有关专业书籍。 + F6 k7 b9 V, x& ~, P: O
（7）外壳直径的确定换热器壳体的直径可采用作图法确定，即根据计算出的实际管数、管长、管中心距及管子的排列方式等，通过作图得出管板直径，换热器壳体的内径应等于或稍大于管板的直径。但当管数较多又需要反复计算时，用作图法就太麻烦。一般在初步设计中，可参考壳体系列标准或通过估算初选外壳直径，待全部设计完成后，再用作图法画出管子的排列图。为使管子排列均匀，防止流体走“短路”，可以适当地增加一些管子或安排一些拉杆。 / i. l0 _# _- z* ~# O7 L5 I
初步设计可用下式估算外壳直径： 9 o* c0 n3 |9 X: Y4 \% h- }
（4-115） ( W$ t- V) ~' \! e% \
式中 5 K( ?: m3 E2 s) W, Y6 b
──壳体直径，m；
──管中心距，m； , J' s$ A: j8 m5 H
──位于管束中心线上的管数；
──管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离，一般取 ，m 。 3 N; J7 ~6 t8 i! q2 \
值可由下面公式估算：
管子按正三角形排列 - [0 w1 I5 g$ H
(4-116) , O" ]7 I9 I G
管子按正方形排列 0 y+ R, i3 J. F2 ?1 h9 S
(4-117)
式中 n为换热器的总管数。 ! w4 {& Z5 M( l# }1 v
应予指出，按上述方法计算出壳内径后应圆整，壳体标准常用的有159、273、400、500、 600、800、1000、1100、1200 等。 + y$ a2 I$ s& S. p. l1 j) ^4 A o
（8）流体通过换热器的流动阻力（压降）计算流体流经管壳式换热器的阻力，应按管程和壳程分别计算。 / \- O# _7 @& A2 R
①管程流动阻力计算对于多管程换热器，其总阻力 为各程直管阻力、回弯阻力及进、出口阻力之和。相比之下，进、出口阻力较小，一般可忽略不计。因此，管程总阻力的计算公式为
(4-118) , L6 ?1 L ]# v
式中 5 _$ C6 b/ f/ x1 [
── 因直管摩擦阻力引起的压降，Pa；
──因回弯阻力引起的压降，Pa； / l; h% ^, j! g4 Q' I/ n$ |) q' d6 a
──管程结垢校正系数，无因次，对 mm的管子 ，对 mm的管子 ；
──串联的壳程数；
──管程数。
式4-118中的直管阻力可按一般摩擦阻力公式计算；回弯阻力由下面经验公式估算，即 0 q0 Z5 _% R2 \$ M5 ^2 B
(4-119)
②壳程流动阻力的计算用于计算壳程流动阻力的公式很多，由于壳程流体的流动状况较为复杂，用不同的公式计算结果差别很大。下面介绍比较通用的埃索计算公式。
(4-120) ; v7 U3 M* t' j$ f4 }; Y
其中 / ?4 D. ?% X5 |3 C! Y2 E
(4-121) - l, \, s3 e( S* Z* U
(4-122) 2 j' N. L8 X; Z# [: x; J/ q z
式中 4 L9 g6 w0 d8 @
──流体横过管束的压降，Pa； 5 [9 t" o# \) r. p& z6 }1 l: X
──流体通过折流挡板缺口的压降，Pa；
──壳程结垢校正系数，无因次，对于液体 ，对气体或蒸汽 ；
──管子排列方式对压降的校正系数，对正三角形排列 ，对转角正方形排列 ，对正方形排列 ；
──壳程流体的摩擦系数，当 时， ，其中 ； ) e5 f- j- g7 s
──折流挡板数； * g1 |" `8 o. _- ~
──折流挡板间距，m；
──按壳程流通截面积 计算的流速，m/s，而 。 % h7 o2 w. ]. e1 z+ s
2．设计与选型的具体步骤 ; s5 e) k7 o+ a/ i1 y
管壳式换热器的设计计算步骤如下： - C) h" X$ ~+ A9 p% G M" _, L
（1）估算传热面积，初选换热器型号 8 _: c( k$ _; @
①根据换热任务，计算传热量。
②确定流体在换热器中的流动途径。 ' l1 m+ W% t. ~
③确定流体在换热器中两端的温度，计算定性温度，确定在定性温度下的流体物性。 - |; g5 R2 V# i1 N. |- Q
④计算平均温度差，并根据温度差校正系数不应小于0.8的原则，确定壳程数或调整加热介质或冷却介质的终温。 * x% W; V/ R% c$ [- G* J% S; `2 P( j
⑤根据两流体的温差和设计要求，确定换热器的型式。
⑥依据换热流体的性质及设计经验，选取总传热系数值 。 / |4 M; z* }% J( F* N
⑦依据总传热速率方程，初步算出传热面积 ，并确定换热器的基本尺寸或按系列标准选择设备规格。
（2）计算管、壳程压降根据初选的设备规格，计算管、壳程的流速和压降，检查计算结果是否合理或满足工艺要求。若压降不符合要求，要调整流速，再确定管程和折流挡板间距，或选择其它型号的换热器，重新计算压降直至满足要求为止。
（3）核算总传热系数计算管、壳程对流传热系数，确定污垢热阻 和 ，再计算总传热系数 ，然后与 值比较，若 ，则初选的换热器合适，否则需另选 值，重复上述计算步骤。 $ T4 R' B% \; L
应予指出，上述计算步骤为一般原则，设计时需视具体情况而定。