周秀英　南京久鼎制冷空調設備有限公司

管殼式換熱器優(yōu)化設計研究

周秀英南京久鼎制冷空調設備有限公司

影響管殼式換熱器的性能的因素有很多，如換熱管尺寸、殼體類型等，因此本文主要結合實際應用，詳細探討了管殼式換熱器的優(yōu)化設計，希望能夠為相關工作者提供幫助。

管殼式換熱器；優(yōu)化設計；實際應用

管殼式換熱器作為一種通用設備，具有適應性強、生產成本低以及選材范圍廣等特點，因此被廣泛應用在工業(yè)中，并在我國工業(yè)中發(fā)揮著不可替代的作用。隨著我國技術的不斷發(fā)展，換熱器也逐漸向大型化的方向發(fā)展，應用范圍也逐漸擴大，促進了管殼式換熱器的進一步發(fā)展。本文在此進一步探討了管殼式換熱器優(yōu)化設計研究。

1.管殼式換熱器設計

1.1初始設計

在開始設計之前，充分了解管殼式換熱器的實際情況，如殼體形狀、管束布置方式等，為管殼式換熱器的優(yōu)化設計奠定良好的基礎。

1.2換熱器尺寸選擇

設計時一定要合理選擇換熱器的尺寸，以此提高換熱器的性能，實現換熱器的優(yōu)化設計。換熱器尺寸與換熱器的容積、殼程傳熱膜系數、總換熱系數和換熱面積以及管側壓降等都具有直接關系，在實際應用中，換熱器管徑越大，換熱器容積隨之增大，殼程傳熱膜系數隨之降低，總換熱系數和換熱面積逐漸減小，管側壓降也開始降低。因此在設計時，可以根據換熱器尺寸對換熱器性能的影響，合理確定換熱管徑的尺寸，最好選擇直徑為φ19的換熱管，同時可以根據具體應用情況，適當增大換熱器管徑，進而改變換熱器容積、壓降條件等。

1.3傳熱膜分析

1.3.1總傳熱膜系數

利用Ki表達式來表示以內表面為準的傳熱系數，Ki表示式：

上述式子中，Ai表示為內表，A0表示為換熱管的外表，Am表示為平均傳熱面積；ri表示為管內流體污垢熱阻，r0表示為管外流體污垢熱阻；σ和λw分別表示管壁厚度、管壁材料的導熱系數；ai表示為管程，a0表示為殼程傳熱膜系數。

可以將式子（1）簡化為式子（2）：

從式中（2）可以看出，式子（2）不僅忽略了管壁熱阻，同時還忽略了污垢熱阻，在實際應用中，可以將Ki近似看作為ai，因此可以下面直接對管程傳熱膜系數進行分析。

1.3.2管程傳熱膜系數

在湍流情況下，可以用式子（3），表示低粘度流體的管程熱傳膜系數。

上述式子中，λi、di、Rei、Pri分別表示為濕空氣導熱系數、換熱管內徑、流體雷諾數、普朗特數，流體被加熱時、被冷卻時n值為0.4、0.3。

流體雷諾數與換熱管管內徑、流速具有一定的關系，可以下列式子來表示：

上述式子中，ρi和μi為流體密度、流體動力粘度。

將式子（4） Rei代入到式子（3）中，可以得到下列式子：

1.4殼體類型選擇

殼體類型多種多樣，一般分為帶有折流擋板的單管程E型殼體、縱向折流板F型殼體、G型殼體、H型殼體以及J型殼體。（1）帶有折流擋板的單管程E型殼體：該殼體是較為簡單一種殼體類型，它將介質流向設計為逆向流動，這樣可以充分發(fā)揮溫差效應的作用，通常采用該殼體類型，其換熱管的尺寸相對較小。另外當采用多管程時，容易出現介質不完全逆向流動出現情況，從而造成誤差，為了解決這一問題，應合理矯正對數平均溫差。（2）縱向折流板F型殼體：即使采用多管程，該殼體也可以實現介質的完全逆向流動，殼體內壓降不僅與管排數量成正比關系，同時與殼程流速平方也成正比關系。對于殼體尺寸相同，以及折流板數量相同換熱器，F型殼體的流體流速、壓降比E型殼體要分別高出兩倍和四倍，但是F型殼體截面上管子的數量和E型殼體是相同的。（3）G型殼體、H型殼體以及J型殼體：與E殼體相比，G型殼體的壓降是其二分之一，H型殼體的壓降是其十六分之一，J型殼體的壓降時期八分之一。

根據上述幾種殼體類型，筆者認為，在換熱器初始設計過程中，可以選擇E型殼體，如果采用多管程換熱器，為避免多殼程引起的損失，需要將E型殼體換成F型殼體，如果出現愛你管側壓降首先情況，可以選擇J型殼體。

1.5壓力降分析

在濕空氣與水換熱過程中，需要充分考慮管程流體壓力損失情況，可以由以下式子，表示管程壓力降。

在上述式子中，ΔPL、ΔPr、ΔPn分別表示為直管摩擦阻力壓降、回彎管摩擦阻力壓降、管箱進出口壓降；NP、NS為管程數、串聯殼程數；Ft表示為結構校正因子。

若能滿足低壓狀態(tài)下的壓力條件，一定也會滿足高壓下的壓力條件，當式子中NS值為1時，可以將（6）式子轉化為下列式子：

1.6管束布置

在設計時，還充分考慮管間距與管板直徑的比值，將其控制在合理的范圍之內，并且合理布置管束。管間距與管板直徑的比值與給定殼體形狀換熱器的換熱管數有關，一般情況下，給定殼體形狀換熱器的換熱管數會隨著間距與管板直徑的比值增大而增多，因此可以取1.25作為管間距與管板直徑的比值，同時可以根據具體的情況，適當擴大管間距與管板直徑的比值。管束布局主要分為內聯布置和錯列布置兩類，內聯布置和錯列布置分別是按照管子45°或90°、30°或者60°進行排列布置，內聯布置主要采用機械方法對管壁面進行清洗，錯列布置主要采用化學方法對管壁面進行清洗。

在換熱器殼體直徑一定的情況下，且換熱管數量較多，可以選錯列布置方式。在實際應用中，采用30°、60°以及90°布管方式，其對換熱性能影響是基本相同的，而45°布管方式在壓降不變的情況下，會提高換熱性能。

所以在選擇布管方式時，必須充分考慮換熱與壓降之間的關系，選擇最佳的布管方式，進而提高換熱性能。根據上述對布管方式的應用探討，在設計時，可以根據換熱器換熱管清洗方式，選擇布管方式。

1.7折流板形狀選擇

折流板形狀對換熱性能具有重要影響，所以選擇合適的折流板形狀是非常重要的，尤其是折流板的切割率，它對換熱器折流板流通面積也具有重要影響。所以對根據給定的折流板間距和管子數量，計算折流板的優(yōu)化數據為缺口率為27%的最優(yōu)折流板。

2.實例分析

對某工業(yè)的換熱器進行結構優(yōu)化設計，工藝參數設置為：

另外為了滿足設計要求，還需要嚴格控制壓降，當最小壓強在300pa時，需要將壓降控制在15pa范圍之內。

在結構設計參數一定的情況下， 采用結構計算和熱力計算，得出不同壓漿損失下的各項參數，為了便于工藝制造，根據換熱器的強度，可以取di=0.02m，計算結果如下：

根據上述表格，可以看出，當di一定時，壓降損失逐漸增大時，每程管數和換熱器體積會逐漸減小，壓損換熱率會降低。

在壓降損失不斷變化的情況下，取di=0.02為最小值，其計算結果如下：

根據上表，我們可以看出，當在壓降損失不斷變化的情況下，取di=0.02為最小值，且另外兩個di的取值分別為0.025、0.030，這時，每程管數逐漸減小，換熱體積逐漸增大，壓損換熱率會增大，并有最佳換熱體積以及壓損換熱率。

通過該管殼式換熱器優(yōu)化設計實例的詳細分析，可以看出，采用本文的管殼式換熱器的優(yōu)化設計方法，可以獲得最佳的換熱體積以及壓損換熱率，能夠實現管殼式換熱器對壓降效果的有效控制，保證管殼式換熱器的良好性能，進而提高換熱器的換熱效果。

綜上所述，管殼式的優(yōu)化設計不僅合理確定殼體類型、換熱管尺寸以及管束布置等，還應合理選擇折流板切割率的初始值，同時還應加強對傳熱膜以及壓力降情況的準確計算和分析，充分發(fā)揮管殼式換熱器的作用，從而達到管殼式換熱器優(yōu)化設計的目的，使其能夠更好的應用在工業(yè)生產中。

3.小結

總之，管殼式換熱器作為化工、動力、冶金制冷行業(yè)的通用設備，對各行各業(yè)的發(fā)展具有重要作用，所以必須不斷的對管殼式換熱器進行優(yōu)化設計，使管殼式換熱器能夠有效控制壓降，實現良好的換熱效果，筆者認為這還需要我國相關工作者堅持不懈的努力，加強對管殼式換熱器的不斷研究，這樣才能促進我國工業(yè)持續(xù)、不斷的發(fā)展。

［1］吳健.管殼式換熱器優(yōu)化設計研究［J］.廣州化工，2015，01：137-139.

［2］賴家鳳.管殼式換熱器的優(yōu)化設計［J］.化工管理，2015，12：133.

［3］蔣連勝.基于管殼式換熱器設計與制造的相關研究［J］.廣東化工，2015，12：185+169.