閆 秀 婷

（中國(guó)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(guò)程必不可少的設(shè)備，廣泛用于石油化工、醫(yī)藥、動(dòng)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(shè)計(jì)出投資省、能耗低、傳熱效率高、維修方便的換熱器，是工藝設(shè)計(jì)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(yīng)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(dāng)操作壓力較高或管殼程介質(zhì)相混合會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品變質(zhì)或影響安全操作時(shí)，宜選用U型換熱器；

c）當(dāng)殼程介質(zhì)為潔凈流體時(shí)，且冷流進(jìn)口和熱流進(jìn)口之間介質(zhì)的溫差小于110 ℃，如選用固定管板換熱器，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算要求考慮是否設(shè)置膨脹節(jié)；

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

e）當(dāng)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(shí)，宜選用套管式換熱器。

1.1 壓降

對(duì)液體來(lái)說(shuō)，每個(gè)換熱器壓降一般控制在50～70 kPa；對(duì)于氣體，一般控制在5～20 kPa，以10 kPa最為常見(jiàn)。對(duì)于塔頂冷凝器的要求控制是比較嚴(yán)格的。壓降與流速息息相關(guān)，在壓降許可下，流速可以高一些。可以通過(guò)管程數(shù)、管長(zhǎng)、折流板間距、折流板圓缺口大小來(lái)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(guò)3.0m/s。在換熱器選型對(duì)流速要求不嚴(yán)格時(shí)，一般根據(jù)壓降來(lái)定流速。但是為了避免結(jié)垢嚴(yán)重，對(duì)水冷器的流速要求嚴(yán)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(luò)時(shí)，冷、熱端介質(zhì)溫差應(yīng)按窄點(diǎn)設(shè)計(jì)法確定。

b）單臺(tái)換熱器的冷熱端介質(zhì)溫差應(yīng)通過(guò)換熱器和換熱面積的技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(jìn)一步冷卻，冷流需進(jìn)一步加熱時(shí)，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(duì)于水冷器，冷卻水的出口溫度不宜高于60 ℃，以免結(jié)垢嚴(yán)重。高溫端的溫差不應(yīng)小于 20℃，低溫端的溫差不應(yīng)小于5 ℃。當(dāng)采用多管程、單殼程的管殼式換熱器，并用水作為冷卻劑時(shí)，冷卻水的出口溫度不應(yīng)高于工藝物流的出口溫度。

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

在對(duì)反應(yīng)物進(jìn)行冷卻時(shí)，為了控制反應(yīng)，應(yīng)維持反應(yīng)物流與冷卻劑之間的溫差不低于10 ℃。

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

1.4 冷熱流體流動(dòng)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(duì)壓力降有特定要求的工藝物流，因?yàn)楣艹痰膫鳠嵯禂?shù)與壓降計(jì)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(dá)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(wú)關(guān)，而且冷凝液容易排出；

d）若兩流體溫差較大，對(duì)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(yīng)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(shè)計(jì)

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(duì)潔凈流體一般選φ19 mm。對(duì)于易結(jié)垢物料，選用φ25 mm。對(duì)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(shè)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(duì)應(yīng)25 mm管間距、2 mm壁厚，φ25 mm外徑對(duì)應(yīng)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(wú)法機(jī)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(shí)采用φ19 mm管子）或正方形（同時(shí)采用φ 25 mm管子）布置。

管子排布方式見(jiàn)圖1。

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

2.3 折流板設(shè)計(jì)

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(lái)說(shuō)，無(wú)相變對(duì)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(dòng)，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(duì)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(duì)振動(dòng)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(duì)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(guò)管束的錯(cuò)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(duì)傳熱油貢獻(xiàn)。E流路沿著殼體內(nèi)壁流動(dòng)，不與管子接觸，對(duì)換熱沒(méi)有貢獻(xiàn)。

對(duì)于各個(gè)流路來(lái)說(shuō)，壓力降相等，對(duì)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(dòng)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(huì)增大。殼程介質(zhì)粘度對(duì)流路的影響也很大。這兩個(gè)都是通過(guò)阻力系數(shù)影響流路。

［1］中國(guó)石化集團(tuán)北京設(shè)計(jì)院．煉油裝置工藝設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：國(guó)家石油和化工工業(yè)局，2001．

［2］中國(guó)石化集團(tuán)上海工程有限公司．化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009．

［3］ 劉?。鋼Q設(shè)備工藝計(jì)算手冊(cè)[M].北京：中國(guó)石化出版社，2003．