趙宏偉，于海燕，張承虎

(1.山東北辰機電設(shè)備股份有限公司，山東 濟南 250000;2.濟南市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，山東 濟南 250000; 3.哈爾濱工業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150001)

1 多流程純逆流管殼式換熱器的應(yīng)用

多流程純逆流管殼式換熱器主要應(yīng)用于低溫差換熱，管側(cè)流體較臟，需要較長的純逆流流程的換熱場合。例如:

(1)應(yīng)用于水源熱泵系統(tǒng)的換熱設(shè)備，它主要通過各類水源介質(zhì)(水質(zhì)較差)與熱泵的中介水(水質(zhì)較好)間換熱提取熱量達到制冷和供熱的目的，其特點是:平均傳熱溫差一般只有2～3℃，溫升一般有5～10℃，滿足換熱要求的管殼式換熱器一般需要約25～40 m左右的純逆流換熱長度。

(2)用于隔壓供熱站的水/水換熱設(shè)備，一次高溫水(一般為鍋爐水或由首站加熱的高溫水)與二次高溫水間換熱，其特點是平均傳熱溫差一般只有10℃左右，溫升一般也只有30℃左右，需要約30 m左右的純逆流換熱長度。

上述這類換熱器如果采用板式換熱器，由于水質(zhì)差經(jīng)常發(fā)生阻塞而使其應(yīng)用受到限制。因此管殼式換熱器是更好地選擇。采用管殼式換熱器，為了實現(xiàn)較長的純逆流換熱長度，有兩種解決辦法:

(1)采用傳統(tǒng)管殼式換熱器，多臺串聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式來滿足要求。該種方式簡單可行，但是存在設(shè)備數(shù)量多、占地空間大、換熱效果較差、流體阻力大、殼側(cè)進口處布管需留出足夠的流通面積防止流速過高沖壞管束，設(shè)備成本高等諸多不足。

(2)采用單臺多流程、純逆流的管殼式結(jié)構(gòu)設(shè)計。實現(xiàn)管程與殼程的流程數(shù)均可達到6流程或以上，同時實現(xiàn)管程與殼程流體的純逆流換熱。

目前，傳統(tǒng)管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)形式很難進行多流程、純逆流結(jié)構(gòu)設(shè)計。特別是管側(cè)的多流程設(shè)計需要解決流量均勻分配難題;殼側(cè)的多流程設(shè)計需要解決制造、安裝等方面的難題，以及控制加工生產(chǎn)的成本。為此用單臺傳統(tǒng)的固定管板的管殼式換熱器滿足低溫差無相變液體間的換熱一直沒有合適的換熱設(shè)備。

2 傳統(tǒng)管式與板式換熱器的結(jié)構(gòu)特性及換熱效果分析

現(xiàn)有的換熱設(shè)備主要分兩大類:一類是管殼式換熱器，另一類是板式換熱器。

板式換熱器的結(jié)構(gòu)體積雖小，但因板間空隙較小，對水的清潔度要求較高，否則，水中雜質(zhì)極易堵塞板片，發(fā)生堵塞后不易疏通，并且板式換熱器的耐溫耐壓性能較差，制造工藝復雜;而且板式換熱器的運行阻力也較大，使用壽命也較短。因此，對于水質(zhì)差的板式換熱器目前應(yīng)用范圍較小。從常規(guī)意義上講，板式的傳熱效果要優(yōu)于管式的傳熱效果，但也不可一概而論。關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)設(shè)計以及適應(yīng)性是否合理合適，只有適合的才是最好的。如果板式采用寬流道其流通截面與管式相當其換熱效果與管式的也相差不多。

管殼式換熱器因其結(jié)構(gòu)復雜導致體積龐大，需要占用較大空間，并且使用材料較多，使制造成本相對較高。

同樣是水/水換熱，管殼式換熱器與板式換熱器中影響換熱的主要因素是水在換熱管或換熱板間的紊流換熱效果。換熱管與換熱板相比，在相同材料的前提下，影響換熱效果的因素主要是材料的厚度，特別是流道的形狀，以及形狀引起的湍流效果。一般而言，金屬材料的導熱熱阻可以忽略，及材料厚度的影響可以忽略。因此，只要換熱管具有好的湍流效果同樣可以具有或優(yōu)于板式的換熱效果。

目前應(yīng)用于低溫差水/水換熱的板式換熱器，如圖1所示，為細高形狀，使介質(zhì)盡可能的具有較長流程的板型以滿足低溫差換熱的要求。正如前面所說，如果水質(zhì)好，采用普通窄流道波形換熱板片的換熱器換熱效果肯定優(yōu)于管殼式換熱器，是適合的。但由于目前無論是熱泵系統(tǒng)的中間換熱器所采用的水源，還是熱網(wǎng)系統(tǒng)的循環(huán)水的水質(zhì)都較差，所以采用板式換熱器就受到極大的限制。原因就是水中雜質(zhì)極易堵塞板片，發(fā)生堵塞后疏通非常不便。并且板式換熱器的耐溫耐壓性能較差，在需要耐溫承壓場合就不太合適，例如隔壓站系統(tǒng)的熱網(wǎng)循環(huán)水側(cè)的壓力對于板式換熱器而言就過高。

圖1 可拆板式換熱器

目前應(yīng)用于低溫差水/水換熱的傳統(tǒng)管殼式換熱器主要為固定管板式換熱器，如圖2所示，結(jié)構(gòu)形式為:采用兩端管板、換熱管為直管，換熱管兩端分別與兩端的管板焊接加脹接連接，多臺重疊式串聯(lián)組成。由于溫差小，運行時一般無需考慮熱膨脹差應(yīng)力。

3 箱型管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

為了克服現(xiàn)有的管殼式換熱器不容易實現(xiàn)多流程的不足，本文介紹了一種新型的箱型管殼式換熱器，該管殼式換熱器不僅可以實現(xiàn)多流程純逆流的設(shè)計，而且能提高低溫差無相變液體間的換熱效果。它綜合了管式和板式換熱器的特點，具有高效的換熱效果和廣泛適用性，能夠最大限度的滿足熱網(wǎng)加熱器的安全與高效使用。

該種箱型管殼式換熱器，見圖3和圖4，其主要結(jié)構(gòu)部件與傳統(tǒng)管殼式換熱器相一致，仍然由管箱、管板、換熱管、殼體等組成。較臟的水走管程的換熱管內(nèi)，以便于清洗維護，潔凈的水走殼程。只不過在結(jié)構(gòu)形式上進行了較大的改進，具體如下:

(1)采用矩形的管板形狀;

(2)采用正方形的布管形式;

(3)采用矩形的殼體與矩形管板的焊接的管箱;

(4)采用折流桿的管束支撐形式;

(5)殼側(cè)采用擴口式的異形進出口結(jié)構(gòu)和多孔板式的防沖形式。

多流程純逆流管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。各部件結(jié)構(gòu)形式改進的原理和效果如下:

(1)采用矩形的管板形狀和正方形的布管形式，使單位體積上的布管數(shù)最大化，設(shè)備的結(jié)構(gòu)更加簡潔;殼程的分程均勻，布管均勻，流量分配均勻，無死水滯留區(qū);簡單地實現(xiàn)了多流程的純逆流設(shè)計，具有換熱效果好，可實現(xiàn)低溫差換熱。

(2)采用了矩形管板的箱形結(jié)構(gòu)和正方形的布管方式，使單位面積上的布管數(shù)最大化，設(shè)備的結(jié)構(gòu)更加簡潔，殼程的分程均勻、占地面積最小化。

(3)殼側(cè)采用折流桿式的管束支撐結(jié)構(gòu)，一方面對管束進行了均勻的支撐，另一方面真正實現(xiàn)了殼側(cè)流體與管側(cè)流體的縱向純逆流換熱，并強化了管束的擾流換熱效果，換熱效果好，流體無滯流區(qū)，而且流體阻力小。

(4)殼側(cè)截面為矩形，使折流桿的布置更加簡單，管間均勻無直流現(xiàn)象發(fā)生。

(5)殼側(cè)采用擴口式的半球形進出口結(jié)構(gòu)，增大了進口的流通面積，大大降低了殼側(cè)進出口流速;以及多孔板式的防沖結(jié)構(gòu)，避免了流體在進出口處對管束的直接沖擊。

圖2 傳統(tǒng)固定管板式熱網(wǎng)加熱器結(jié)構(gòu)圖

圖3 多流程純逆流管殼式換熱器結(jié)構(gòu)圖1－前端管箱;2－管側(cè)分程隔板;3－矩形管板;4－緩沖板;5－殼側(cè)分程隔板;6－箱型殼體;7－后端管箱;8－換熱管束

4 箱型管殼式換熱器的設(shè)計方法與應(yīng)用

4.1 箱型管殼式換熱器的設(shè)計要點

(1)根據(jù)工質(zhì)的物性特征，確定換熱管、管板、及殼體的材質(zhì)，及換熱管形式并確定那一流體走管側(cè)(潔凈的流體走殼側(cè))。

(2)根據(jù)工況參數(shù)，兩側(cè)流體的流量、進出口溫度等，初步確定換熱管直徑流速(可采用高效換熱管強化換熱)，計算換熱器的傳熱系數(shù)、沿程阻力系數(shù)等。

(3)計算換熱器的換熱面積、換熱管總長度、根數(shù)、流程數(shù)等。

(4)通過調(diào)整布管的數(shù)量和間距的大小，可以控制管間的流體流速，確定換熱管管間距、單管長度、排數(shù)與列數(shù)等，進而優(yōu)化確定換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖4 換熱管束管殼側(cè)純逆流示意圖1－4:折流桿;5:換熱管

(5)選擇有效的管束支撐形式一般為折流桿的形式，計算確定進出水集箱的尺寸，換熱器的接管尺寸、長寬高等結(jié)構(gòu)參數(shù)。

(6)對換熱器進行強度計算，并優(yōu)化矩形殼體的尺寸和厚度。

4.2 換熱器的設(shè)計過程

下面以污水與清水換熱為例介紹箱型管殼式換熱器的設(shè)計過程。

第一步，確定換熱器設(shè)計的已知條件及限制條件，一般而言如下:

已知條件:換熱量Q;污水進出口溫度T1、T2;污水流量G;清水流量W，清水進出口溫度t1、t2;換熱管材料規(guī)格(也可設(shè)計優(yōu)選)。

限制條件:兩側(cè)流體的阻力小于某一固定值要求，外形尺寸長度或高度小于某一固定值要求。

第二步，箱型管殼式換熱器的熱工設(shè)計:

縱掠換熱管束的換熱效果好、阻力小，這一點已經(jīng)得到了大量的實踐驗證。但傳熱系數(shù)與阻力的具體計算方法研究較少。筆者認為:管間流體的流通形式可以按其流通截面積將其視為一個當量的圓管，再引入一個系數(shù)進行修正，這樣就可以方便地依照管內(nèi)的計算方法計算出管間的傳熱系數(shù)與阻力。由于換熱管束外縱掠，再加上折流桿的流向干擾作用，可以說管外縱掠的流動截面不規(guī)則，紊流摻混更強烈，因此在具有相同流速下管束外的換熱效果要優(yōu)于管內(nèi)，這些是被廣泛認知的。一般管束間具有0.6～0.8倍管內(nèi)光管流速的情況下，管外將具有與管內(nèi)相當?shù)膿Q熱系數(shù)和阻力。

(1)確定換熱管的內(nèi)外直徑、排列管間距等基本結(jié)構(gòu)參數(shù)。

例如:換熱管內(nèi)徑:di;換熱管外徑:d0;換熱管正方形布管管間距:S。

(2)根據(jù)平均溫度確定兩側(cè)流體的熱物性參數(shù)。

例如:介質(zhì)導熱系數(shù):λ;介質(zhì)普朗特數(shù):Pr;介質(zhì)運動粘度:ν;密度:ρ。

(3)依據(jù)經(jīng)濟流速和經(jīng)驗，設(shè)定換熱管內(nèi)及管束間合適的流速。

(4)根據(jù)流速確定單流程的換熱管根數(shù)。

換熱管內(nèi)介質(zhì)流速

換熱管外介質(zhì)流速

式中 N——單管程換熱管數(shù)量/根;

G——管程介質(zhì)流量/m3·h－1;

W——殼程介質(zhì)流量/m3·h－1。

(5)計算管束間的當量直徑和兩側(cè)的對流換熱系數(shù)。

管間流通截面的當量直徑

管內(nèi)介質(zhì)雷諾數(shù)

管內(nèi)介質(zhì)努謝爾特數(shù)

管內(nèi)介質(zhì)給熱系數(shù)

管外對流換熱系數(shù)

(6)考慮管內(nèi)介質(zhì)污垢熱阻Rt與管外介質(zhì)污垢熱阻Rs，一般可查手冊進行估算。(7)計算換熱器的總傳熱系數(shù)k。

(8)計算平均傳熱溫差。

式中 T1——污水進口溫度/℃;

t1——清水進口溫度/℃;

T2——污水出口溫度/℃;

t2——清水出口溫度/℃。

(9)計算換熱面積以及換熱管的單流程長度。換熱面積

換熱管流程長度

(10)分別計算兩側(cè)沿程阻力系數(shù)。

摩擦系數(shù)(紊流時)

(11)計算兩側(cè)的阻力損失。

流體直管段壓降

流體管間直管段壓降

流體回彎處壓降

管程總阻力

(12)依據(jù)關(guān)于流體阻力的大小限制條件，確定第(3)中的流速設(shè)定是否合適:如果阻力過大，則調(diào)小流速，若阻力過小，則調(diào)高流速，并重新計算，滿足阻力的限制條件即可。

第三步，確定結(jié)構(gòu)參數(shù):

(1)依據(jù)外形限制條件，以及運輸安裝等條件確定換熱管長度l、流程數(shù)n(選定)。

(2)依據(jù)單程換熱管數(shù)量N確定單程換熱管的排數(shù)和列數(shù)，其中列數(shù)要求殼側(cè)垂直于管束的進水流速宜小于1.5 m/s。

列數(shù)m與進口流速ui、管間距S、入口長度L0和流量W存在如下關(guān)系

(3)管板的寬度X。

管板的寬度X與列數(shù)α、換熱管外徑d0、管間距S存在如下關(guān)系

(4)管板的長度Y。

管板的長度Y與單程換熱管排數(shù)a、換熱管外徑d0、管間距S、流程數(shù)n存在如下關(guān)系

(5)如流程數(shù)、排數(shù)和列數(shù)的確定與尺寸的限定條件有比較大的差距，可以重新調(diào)整換熱管的排數(shù)和列數(shù)再進行核算直至滿意為止。

(6)對于低溫差換熱的箱形換熱器，因為是純逆流換熱溫差較小最大也就10℃左右，換熱管與管板采用焊接連接完全可以不必考慮溫差應(yīng)力。

4.3 優(yōu)化設(shè)計的調(diào)節(jié)措施

希望設(shè)備的長度盡量短時，可采取多流程或較小換熱管直徑以及降低換熱管流速的方式。

提高換熱效果的方法，可采用高效換熱管、純逆流的換熱方式、減小換熱管壁厚、采用較小換熱管直徑、提高換熱管內(nèi)外流體的流速使兩側(cè)的給熱系數(shù)接近。

下圖為具體工程的應(yīng)用設(shè)備

圖5 某實際工程的水箱形管殼式換熱器

5 結(jié)論

通過對傳統(tǒng)形式的換熱器的結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)新改進，而發(fā)展出來的箱型管殼式換熱器，具有如下優(yōu)點:(1)換熱效果好;(2)結(jié)構(gòu)緊湊占地空間小;(3)設(shè)備運行阻力小;(4)運行安全可靠使用壽命長; (5)經(jīng)濟性好;(6)便于維護。箱型管殼式換熱器滿足了低溫差無相變流體的多流程純逆流換熱要求。

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