閆 秀 婷

（中國寰球工程公司遼寧分公司， 遼寧 撫順 113006）

各種類型的換熱器作為工藝過程必不可少的設備，廣泛用于石油化工、醫(yī)藥、動力、冶金、制冷、輕工等部門。如何根據(jù)不同的工藝生產(chǎn)流程和生產(chǎn)規(guī)模，設計出投資省、能耗低、傳熱效率高、維修方便的換熱器，是工藝設計人員重要的工作。

1 換熱器的結(jié)構(gòu)型式確定原則

換熱器的結(jié)構(gòu)型式應根據(jù)工藝條件和介質(zhì)性質(zhì)按下列原則確定［1］：

a）一般宜選用浮頭式換熱器；

b）當操作壓力較高或管殼程介質(zhì)相混合會導致產(chǎn)品變質(zhì)或影響安全操作時，宜選用U型換熱器；

c）當殼程介質(zhì)為潔凈流體時，且冷流進口和熱流進口之間介質(zhì)的溫差小于110 ℃，如選用固定管板換熱器，應根據(jù)結(jié)構(gòu)計算要求考慮是否設置膨脹節(jié)；

d）當潔凈介質(zhì)的流率較小、操作溫度和操作壓力均較低時，宜選用板式換熱器；

e）當介質(zhì)流率較小、傳熱面積較小且操作溫度和操作壓力較高或介質(zhì)含有固體顆粒時，宜選用套管式換熱器。

1.1 壓降

對液體來說，每個換熱器壓降一般控制在50～70 kPa；對于氣體，一般控制在5～20 kPa，以10 kPa最為常見。對于塔頂冷凝器的要求控制是比較嚴格的。壓降與流速息息相關，在壓降許可下，流速可以高一些?？梢酝ㄟ^管程數(shù)、管長、折流板間距、折流板圓缺口大小來調(diào)節(jié)壓降。

1.2 流速

管程內(nèi)液體流速一般取1.0～2.5 m/s，最大不超過3.0m/s。在換熱器選型對流速要求不嚴格時，一般根據(jù)壓降來定流速。但是為了避免結(jié)垢嚴重，對水冷器的流速要求嚴格，一般不宜小于0.8 m/s。

1.3 溫差

換熱器冷熱端介質(zhì)的溫差及溫差校正系數(shù)宜滿足以下原則：

a）采用換熱網(wǎng)絡時，冷、熱端介質(zhì)溫差應按窄點設計法確定。

b）單臺換熱器的冷熱端介質(zhì)溫差應通過換熱器和換熱面積的技術經(jīng)濟比較后確定。

c）初選的原則是冷熱端介質(zhì)溫差均不宜小于20 ℃，若熱流需進一步冷卻，冷流需進一步加熱時，熱端介質(zhì)溫差不宜小于 20 ℃，冷端介質(zhì)溫差不宜小于15 ℃。

d）對于水冷器，冷卻水的出口溫度不宜高于60 ℃，以免結(jié)垢嚴重。高溫端的溫差不應小于 20℃，低溫端的溫差不應小于5 ℃。當采用多管程、單殼程的管殼式換熱器，并用水作為冷卻劑時，冷卻水的出口溫度不應高于工藝物流的出口溫度。

e）在冷卻或者冷凝工藝物流時，冷卻劑的入口溫度應高于工藝物流中易冷凍組分的冰點，一般高5 ℃。

在對反應物進行冷卻時，為了控制反應，應維持反應物流與冷卻劑之間的溫差不低于10 ℃。

f）當冷凝帶有惰性氣體的工藝物料時，冷卻劑的出口溫度應低于工藝物料的露點，一般低5 ℃。

1.4 冷熱流體流動通道

選擇原則：能提高傳熱系數(shù)、合理的壓力降及便于維修。

1.4.1 一般走管程的流體

a）冷卻水；

b）有腐蝕性、有毒性或有沉淀物生成的流體；

c）易結(jié)垢的流體；

d）粘度較小的流體；

e）高壓流體；

對壓力降有特定要求的工藝物流，因為管程的傳熱系數(shù)與壓降計算誤差小。

1.4.2 一般走殼程的流體

a）黏度大、流量較小的物流，易使物流形成湍流狀態(tài)（在殼程Re＞100即可達到湍流），在殼程可以得到較高的傳熱系數(shù)。但是如果阻力降允許，此類流體通入管內(nèi)并采用多管程結(jié)構(gòu)，也可獲得更好的給熱系數(shù)；

b）傳熱膜系數(shù)較小的物流（如氣體），易于提高傳熱膜系數(shù)；

c）飽和蒸汽，飽和蒸汽比較清凈，給熱系數(shù)與流速無關，而且冷凝液容易排出；

d）若兩流體溫差較大，對于剛性結(jié)構(gòu)的換熱器，宜將給熱系數(shù)大的流體通入殼程，以減小熱應力。

1.5 污垢系數(shù)

污垢系數(shù)參考如表1-3。

表1 冷卻水的污垢系數(shù)［2］Table 1 Fouling factor of cooling water m2·K/W

表2 工藝物料的污垢系數(shù)［2］Table 2 Fouling factor of process material m2·K/W

表3 油類的污垢系數(shù)［2］Table 3 Fouling factor of oil m2·K/W

2 結(jié)構(gòu)設計

2.1 管徑與管間距

管徑越小換熱器越緊湊、越便宜、但壓降越大。對潔凈流體一般選φ19 mm。對于易結(jié)垢物料，選用φ25 mm。對于有氣液兩相流的工藝物流一般選用較大的管徑。

管間距一般選用范圍為1.25～1.5 d，最小值取1.25 d或管外徑加6 mm之大者。管間距小，設備緊湊，但管板增厚、清潔不便、殼程壓降大。一般φ 19 mm外徑對應25 mm管間距、2 mm壁厚，φ25 mm外徑對應32 mm管間距、2.5 mm壁厚。

2.2 管子排列方式

2.2.1 三角形排布

利于殼程物流的湍流。清洗空間小，殼程無法機械清洗，一般用在殼程介質(zhì)潔凈工況。正三角形與轉(zhuǎn)角三角形效果一樣，一般多用前者，后者少用。

2.2.2 正方形排布

用于殼程易結(jié)垢介質(zhì)，為形成湍流，一般采用轉(zhuǎn)角正方形。

固定管板式換熱器用于殼程干凈介質(zhì)，均采用三角形排布。

浮頭式換熱器用于殼程易結(jié)垢介質(zhì)，均采用正方形布置。

U型管換熱器根據(jù)殼程介質(zhì)情況，選用三角形（同時采用φ19 mm管子）或正方形（同時采用φ 25 mm管子）布置。

管子排布方式見圖1。

圖1 管子排布方式圖Fig.1 Sketch of tubes arrangement

2.3 折流板設計

2.3.1 折流板型式(圖2)

常用的折流板型式單弓開結(jié)構(gòu)。一般來說，無相變對流傳熱采用水平（垂直）缺口，可防止殼程流體平行于管束流動，減少殼程底部液體的沉積。兩相介質(zhì)采用豎直（平行）缺口，避免流體短路。

圖2 折流板型式圖Fig.2 Figure of baffle cut

對于U型管管換熱器，規(guī)范有規(guī)定，兩管程為水平（垂直）缺口，四管程為豎直（平行）缺口。

2.3.2 折流板間距

折流板間距最優(yōu)值為殼徑的30%～60%，具體尺寸根據(jù)規(guī)范選取。折流板間距對振動及殼程流路的影響很大。

2.3.3 切割率

折流板缺口最優(yōu)值取殼徑的20%～30%，切割率太大或太小對殼程的有效傳熱系數(shù)都是不利的，流型示意如下圖3。

圖3 折流板流型示意圖Fig.3 Fluid shape of baffle cut

3 殼程流路分析

流路分析法采用Tinker物理模型，各流路定義如下圖 4［3］。

圖4 殼程流路分布圖Fig.4 Fluid passes sketch of shell-side

A-換熱管與折流板管孔之間的漏流；

B-橫過管束的錯流；

C-管束外緣與殼內(nèi)壁之間的旁路流；

E-折流板外緣與殼內(nèi)壁之間的漏流；

F-分程流（即由分程隔板引起的旁路流）。

B流路傳熱效率最高，A/C/F傳熱效率低，但對傳熱油貢獻。E流路沿著殼體內(nèi)壁流動，不與管子接觸，對換熱沒有貢獻。

對于各個流路來說，壓力降相等，對于各流路的調(diào)節(jié)主要在于各流道的阻力系數(shù)，可調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：

折流板間距與切割率；

管子排布角度與管間距；

流動方向的流道數(shù)量與流道寬度；

管子與折流板孔的間隙率；

殼體與折流板的間隙率；

密封帶與密封桿的位置。

折流板間距低，漏流將會增大。殼程介質(zhì)粘度對流路的影響也很大。這兩個都是通過阻力系數(shù)影響流路。

［1］中國石化集團北京設計院．煉油裝置工藝設計規(guī)范[S].北京：國家石油和化工工業(yè)局，2001．

［2］中國石化集團上海工程有限公司．化工工藝設計手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2009．

［3］ 劉?。鋼Q設備工藝計算手冊[M].北京：中國石化出版社，2003．