关于管壳式换热器的设计

1管壳式换热器的设计与制造杨玉芬（成都深冷液化设备有限公司）摘要：结合实际，从结构，设计、制造及检验等方面对管壳式换热器进行了论述，可为同类设备设计提供思路及一定借鉴。关键词：管壳式换热器；设计；制造；管壳式换热器又称列管式换热器。是由一个壳体和封闭在壳体中的管束所构成，冷、热流体之间通过管壁进行换热的换热器。这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用。管壳式换热器作为一种传统的标准换热设备，在化工、炼油、动力、核能及其他工业装置中得到普遍应用。1.管壳式换热器的分类及其优缺点由于管内外流体的温度不同，因此换热器的壳体与管束的温度也不同。如果两温度相差很大，换热器内将产生很大热应力，导致管子弯曲、断裂，或从管板上拉脱。因此，当管束与壳体温度差超过50℃时，需采取适当补偿措施，以消除或减少热应力。根据所采用的补偿措施，管壳式换热器可分为以下几种主要类型：1）固定管板式换热器1—外壳2—管束3,4—接管5—封头6—管板7—折流板2固定管板式换热器是管壳式换热器中最基本的结构形式，管束的两端分别固定在与壳体焊接的两块管板上，在操作状态下由于管子和壳体的壁温不同，二者的热变形量也不同，因此在换热管，壳体和管板中产生温差应力。为减小温差应力，可在壳体上设置膨胀节。固定管板式换热器结构简单，制造成本低，但只适用壳程不需机械清洗时的换热操作，且结合面较多，易产生泄漏。2）浮头式换热器1—分程隔板2—管束3—浮头浮头式换热器的结构为换热管一端固定在管板上，管板夹持在管箱法兰与壳体法兰之间，并用螺栓固定；换热管另一端固定在浮头管板上，浮头管板与浮头盖用螺栓连接，形成可在壳体内自由移动的浮头。由于壳体和管束间没有相互约束，及时温差很大，也不会在换热管、壳体和管板中产生温差应力。其优点是：①管束可以抽出，以方便清洗管、壳程，可用于结垢比较严重的场合；②适用于温度波动和温差大的场合；③可用于管程易腐蚀的场合。缺点是：①浮头盖与管板法兰连接面积较大，壳体直径增加，在管束与壳体之间形成阻力较小的环形通道，部分流体由这里通过不参加换热。且易发生内漏；②金属材料消耗大，其成本比普通换热器要高出20%左右；③其结构比较复杂，制造要求较高。3）U型管换热器U型管换热器的换热管皆弯制成不同曲率半径的U型管，其两端分别固定3在同一管板上，组成管束，借助于管箱内的隔板分成进出口两室。管板夹持在管箱法兰与壳体法兰之间，并用螺栓固定。拆下管箱即可直接将管束抽出，便于换热管间的清洗。因为管束的U型端不加固定，可自由伸缩，故它适用于两流体温差较大的场合。但是其特有的U型管部分，造成管内清洗困难，因此要求管程流体清洁，不易结垢。管束中心的换热管被外层管子遮盖，损坏时难以更换。4）填料函式换热器填料函式换热器的管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封，可在填料函中滑动，浮头露在壳体外面，又称为外浮头式热交换器。管束可以自由伸缩，不会因壳壁和管壁的温差而产生温差应力。其优点是：结构较浮头式换热器简单，加工制造方便，节省材料，造价比较低廉，且管束从壳体内可以抽出，管内、管间都能进行清洗，维修方便。缺点是：因填料处易产生泄漏，填料函式换热器一般适用于4MPa以下的工作条件，且不适用于易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质，使用温度也受填料的物性限制。填料函式换热器现在已很少采用。42.管壳式换热器设计中应考虑的问题1）主要元件腐蚀裕量的考虑原则a)管板、浮头法兰、球冠形封头和钩圈两面均应考虑腐蚀裕量；b)平盖、凸形封头、管箱和圆筒内表面应考虑；c)管板和平盖开槽时，腐蚀裕量取开槽深度和介质腐蚀裕量中的较大值；d)压力容器法兰和管法兰的内直径面上应考虑腐蚀裕量；e)换热管和拉杆、定距管、折流板和支持板等非受压元件不考虑腐蚀裕量。换热器各元件受到的腐蚀程度不同时，可采用不同的腐蚀裕量；介质为压缩空气、水蒸气或水的碳素钢或低合金钢制换热器，腐蚀裕量不小于1mm。2）主要元件材料的选择a)用于制造换热器圆筒、封头、管板、平盖及平焊法兰等受压元件用钢板应符合GB150.2-2011的规定；b)对于厚度大于60mm和本身带有凸肩并与圆筒或封头对接连接的管板、长颈法兰应采用锻件，且锻件级别不低于Ⅱ级；c)换热器圆筒用碳素钢、低合金钢钢管应符合GB150.2-2011的规定，并只能采用无缝钢管；d)换热管常用材料有碳素钢、低合金钢、不锈钢、铜、铜镍合金、铝合金、钛等，应该根据工作压力、温度和介质腐蚀性等选用合适的材料。3）换热管的排列形式及其优缺点换热管是管壳式换热器的传热元件，主要通过管壁的内外面进行传热，所以换热管的形状、尺寸和材料，对传热有很大的影响。换热管的排列形式主要有：正三角形排列、转角正三角形排列、正方形排列、转角正方形排列，为满足工艺要求需要，也可采用同心圆排列和组合排列方式。目前设计中用得较多的是正三角形和正方形排列法。正三角形和转角正三角形排列紧凑，传热效果好，同一板上管子比正方形多排10%左右，同一体积传热面积更大。适用于壳程介质污垢少，且不需要进行机械清洗的场合。由于管子间的距离都相等，在管板加工时便于画线与钻孔。正方形和转角正方形排列，管间小桥形成一条直线通道，便于机械清洗，正方5形排列法在一定的管板面积上可排列的管子数量少。此排列法在浮头式和填料函式换热器中用得较多。若将正方形排列的管束旋转45˚安装，可适当提高壳程对流传热系数。制氧设备中，有采用同心圆排列法，这种排列法比较紧凑，且靠近壳体的地方布管均匀，在小直径的换热器中，按此法在管板上布置的管数比按正三角形排列的还多。除了上述三种排列方法外，也可采用组合的排列方法，例如在多程的换热器中，每一程中都采用三角形排列法，而在各程之间，为了便于安排隔板，则采用正方形排列法。.4）换热器的设计步骤流程根据工艺需要提供工艺参数，如工作温度及压力，热流体流量1mq，需从温度T1冷却至T2，可用的冷却介质入口温度t1，出口温度选定为t2。a)确定流动路径，根据提供的工艺参数计算传热负荷Q，确定流体进、出的温度，选定换热器形式，计算定性温度，查取物性。计算平均温差，根据温度校正系数不小于0.8的原则，确定壳程数。6b)依据总传热系数经验值范围，或按生产实际选定总传热系数K估值，由总传热速率方程mQKAt估算传热面积A估。选定换热器的基本尺寸，如管径、管长、管数及排列等；若选用，在标准中选择换热器型号。c)计算管程和壳程的压降，根据初选设备规格，计算管、壳程流体压降，检查结果是否满足工艺要求，若压降不合要求，要调整流速，再确定管程数或挡板间距，或选择另一规格的设备，重新计算压降至满足要求。d)计算总传热系数，核算传热面积，计算管、壳程的换热系数α1和α2确定污垢热阻Rs1和Rs2,计算总传热系数K计，并计算传热面积A计，比较K估和K计，若K估/K计=1.15～1.25，则初选的设备合适，否则需另设K估值，重复以上步骤。AspenHTFS+是近年来常用的一款用于换热器设计的软件，其中Tasc+计算模式是用于管壳式换热器热力学设计。做管壳式换热器设计时，用户先将计算模式调到Design设计模式，确定流体流径，主要输入的参数有：冷、热流体的流量，进出口温度，换热量，允许压力降，冷热侧的污垢系数等参数。然后给出物性和特别需要的换热器类型，运行后，软件会根据用户的设计规定自动算出符合该条件的多组换热器尺寸，如换热管规格、换热管排列方式、管，壳程数量、挡板类型和管口尺寸等，再从多组数据中选择最适合，最经济的一组。将计算模式调到Rating/Checking校验模式，将刚才选中的换热器尺寸导入到软件中，运行后，对换热器的几何尺寸进行微调，使换热器的各项数据指标达到要求。两侧流体允许的压降是换热器设计非常重要的一个参数。允许压降大可以提高换热器内工艺物流的流速，增加给热系数，减少换热面积。但是过大的压降，使腐蚀和振动加剧，并浪费动力消耗。当管程实际压降tPP允时，需调整管程数目并重新计算。当壳程实际压降sPP允时，可通过增大折流板间距来减小压降。在选择流速时，还需考虑结构上的要求。例如，选择高的流速，使管子的数目减少，为达到一定的传热面积，又需加长换热管长度或增加程数。换热管太长不利于清洗，程数变多会使平均温度差下降，所以适宜的流速要通过经济衡算确定，应尽可能避免流体处于层流状态。7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流速/(m/s)管程0.5~3＞15~30壳程0.2~1.5＞0.53~15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、汽油丙酮安全允许速度/（m/s）＜1＜2~3＜10管壳式换热器中不同黏度液体的常用流速液体黏度/mPa·s＞15001500~500500~100100~3535~1＜1最大流速/(m/s)0.60.751.11.51.82.4常见流体的污垢热阻流体污垢热阻R/(m2·K/kW)流体污垢热阻R/(m2·K/kW)水溶剂蒸汽0.14蒸馏水0.09水蒸气海水0.09优质（不含油）0.052清净的河水0.21劣质（不含油）0.09未处理的凉水塔用水0.58往复机排出0.176已处理的凉水塔用水0.26液体已处理的锅炉用水0.26处理过的盐水0.264硬水、井水0.58有机物0.176气体燃料油1.056空气0.26~0.53焦油1.765）流体流动空间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，此问题受多方因素的制约。选择原则可参考以下几条：a)不洁净和易结垢的流体宜走管程（U型管除外），以便清洗；8b)腐蚀性，对材料有特殊要求的流体宜走管程，以免管子和壳体同时被腐蚀，且管程便于清洗和检修；c)压力较高的流体宜走管程，这样可以减小壳体壁厚；d)饱和蒸汽宜走壳程，因为饱和蒸汽污垢热阻较小，传热系数较大一般与流速无关，且冷凝液容易排出；e)被冷却的流体宜走壳程，可利用壳体向外的散热作用，增强冷却效果；f)黏度较大或流量较小的流体宜走壳程，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re值（Re＞100）下可达到湍流，提高对流传热系数；g)若两流体温差较大，对流传热系数大的流体宜走壳程，因壁面温度与α大的流体温度相近，可以减小热应力；h)有毒的流体宜走管内，使泄漏机会减少。6）换热管与管板的连接换热管与管板的连接是管壳式换热器中最主要的问题，因为两者之间的连接处是换热器容易渗漏的地方，若连接质量不好，直接影响工艺操作的正常运行。根据使用条件、加工条件不同分为胀接、焊接、胀焊并用等形式，a)强度胀是保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的胀接，其中机械滚胀法是常用的一种形式。要求管子不能排得太密，以保证管板的强度和刚度，管子温度也不宜太高，否则会消除接头处得残余应力。其适用范围为设计压力≤4MPa，设计温度≤300℃。另外，当管板是不易胀紧的不锈钢材料时，不能用强度胀。b)焊接连接是将换热管的端部与管板焊在一起。保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的焊接。适用范围为设计压力＞4MPa，设计温度＞300℃。其优点是①比胀接密封性，连接强度；②对管板孔及管子端部加工要求低，对管板及管子材料要求低；③允许采用较小的管板厚度；④制造容易，加工简单。缺点是：①换热管与管板焊缝处容易引起应力集中，并有焊接残余应力，运行时可能引起应力腐蚀和疲劳破坏；②管板孔与管子间有缝隙易产生间隙腐蚀。c)对于紧密性要求高的换热器，可以采用强度胀加密封焊结构，也可以采9用强度焊加贴胀的结构。焊胀并用还可以承受反复热变形和管子振动破坏。当温度和压力较高时，仍保证连接强度和严密不漏。7）管壳式换热器特殊附件的设计与作用管壳式换热器主要由管箱、管板、壳程筒体、换热管，折流挡板及拉杆组成，必要时还应增设相应附件，如防冲挡板、挡管，导流筒，滑道等附件。a)管程采用轴向入口接管或换热管内流体流速超过3m/s时，应设置防冲板，以减少流体的不均匀分布对换热管端的冲蚀。当壳程进口管流体的密度与速度平方的