潘建東

（北京石油化工工程有限公司西安分公司，西安 710075）

在現(xiàn)代石油化工領(lǐng)域，換熱器的使用十分普遍，這主要是因?yàn)閾Q熱器具有良好的換熱能力，能夠充分滿足石油化工企業(yè)的生產(chǎn)要求。在各種換熱器中，管殼式換熱器又是最為常用的一種，其被廣泛運(yùn)用到原油加熱器、燃料預(yù)熱器、空氣冷卻器等多種設(shè)備中。管殼式換熱器，功能的發(fā)揮取決于其設(shè)計(jì)工藝，不同方式設(shè)計(jì)出的換熱器其性能也存在差異，這就需要對(duì)其工藝設(shè)計(jì)方法加以深入研究分析。

1 管殼式換熱器概述

管殼式換熱器就是通過封閉殼體中管束的壁面進(jìn)行換熱的一種裝置。這種結(jié)構(gòu)的換熱器在制作與操作上都十分漸變，且多種材料都可以用于制作管殼式換熱器，所以其在現(xiàn)代化工領(lǐng)域中的應(yīng)用最為普遍。從其結(jié)構(gòu)形式看，管殼式換熱器主要包含殼體、傳熱管束、管板、折流板以及管箱等。其中換熱器的殼體通常為圓筒形狀，殼體內(nèi)部安裝并固定管束。換熱過程是依靠管束內(nèi)流動(dòng)的冷熱流體實(shí)現(xiàn)。為了進(jìn)一步提升管程流體的傳熱系數(shù)，人們?cè)跉んw內(nèi)安裝上擋板，通過擋板來加快殼程流體流速并增加流體的路程，最終達(dá)到更好的換熱效果。在管束的排列上，換熱器通常采用三角形或正方形的排列方式，其中三角形排列更為緊湊，而正方形排列則更容易對(duì)管束進(jìn)行清理。

隨著人們對(duì)管殼式換熱器研究的不斷深入，逐漸研發(fā)出多種類型的管殼式換熱器，如固定管板式、浮頭式、U 形管式等，而這三種也是目前石油化工領(lǐng)域應(yīng)用最多的類型。

固定管板式換熱器即將管束固定在管板上，管板直接焊接在殼體上。這種換熱器就是最常見的換熱器類型，其結(jié)構(gòu)簡單且緊湊，更擁有良好的承壓能力以及造價(jià)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)容易進(jìn)行后期養(yǎng)護(hù)工作。但這種換熱器也有其弊端，即一旦管束與殼體壁溫或材料線脹系數(shù)出現(xiàn)過大差距，則殼體與管束內(nèi)部將產(chǎn)生較大熱應(yīng)力，從而對(duì)換熱器本身造成損害。因此該類型換熱器通常需要增設(shè)一定的柔性元件來更好地吸收這種熱膨脹差，以保證換熱器的正常運(yùn)行。

浮頭式換熱器在對(duì)管板進(jìn)行固定時(shí)僅固定一端，而另一端則處于一種可以自由運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，所以就構(gòu)成了一種浮頭。這種浮頭不但可以拆接，更能夠從殼體內(nèi)抽出。其優(yōu)點(diǎn)在于管束與殼體在受熱后產(chǎn)生的形變并不會(huì)相互約束，所以其產(chǎn)生的熱應(yīng)力幾乎不存在。另外，這種換熱器也十分容易清理。但相較于固定管板式換熱器而言，這種換熱器的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，且成本更高，換熱器整體外形笨重，對(duì)使用條件有更多要求。因此，浮頭式換熱器多被用于殼體與管束間壁溫相差較大的生產(chǎn)條件下。

U 形管式換熱器是因其管束的獨(dú)特U 型形狀而得名。這種換熱器殼體內(nèi)僅有一塊管板，U 型管的兩端都固定在這塊管板上，且管子本身是可以伸縮的。這種設(shè)計(jì)也可以減少熱應(yīng)力的產(chǎn)生。但是因?yàn)閁 型管受自身彎曲率半徑的限制，所以其能夠設(shè)置的管束數(shù)量十分有限，管束之間的間距要也較大，難以對(duì)管板進(jìn)行充分利用。同時(shí)殼程流體容易形成短路，進(jìn)而影響傳熱效果。這種換熱器的結(jié)構(gòu)同樣十分簡單，且造價(jià)較低，也擁有良好的承壓能力，因此其在管、殼壁溫相差較大以及殼程介質(zhì)容易結(jié)垢條件下也可以使用。

2 管殼式換熱器工藝設(shè)計(jì)方法

管殼式換熱器的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)專業(yè)性、系統(tǒng)性的工作，其設(shè)計(jì)中需要考慮到多方面問題，這就需要對(duì)其工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行梳理和分析。此處主要圍繞設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)方法、工藝計(jì)算結(jié)果分析與選擇三方面展開分析。

2.1 設(shè)計(jì)方案的制定

在制定換熱器設(shè)計(jì)方案時(shí)，通常需要結(jié)合實(shí)際情況做好資料的收集工作，然后再對(duì)換熱器結(jié)構(gòu)形式、流體流動(dòng)通道、污垢熱阻以及壓力降進(jìn)行合理的確定。

資料收集工作是管殼式換熱器設(shè)計(jì)的第一個(gè)階段，也是一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作。資料收集過程中需要全面收集換熱器功率、熱負(fù)荷、壓力、溫度、允許壓力降、冷熱流體進(jìn)出口溫度與組分等參數(shù)，同時(shí)還需要搜集換熱器使用場(chǎng)合的相關(guān)數(shù)據(jù)來為換熱器尺寸的確定提供依據(jù)。

換熱器的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)則需要依據(jù)前期搜集到的冷熱流體溫度、壓力、腐蝕以及結(jié)垢等信息來進(jìn)行科學(xué)選型。同時(shí)因每種換熱器其所適用的場(chǎng)合也存在差異，所以還需要結(jié)合實(shí)際使用場(chǎng)合與需求來進(jìn)行換熱器類型的選擇。

流體流動(dòng)通道的設(shè)計(jì)上需要解決好不同流體所走管程與殼程的問題，同時(shí)要兼顧其換熱效率和成本。具體而言流體流動(dòng)通道確定過程中需要以掌握以下規(guī)律和要求：①管程內(nèi)應(yīng)流動(dòng)潔凈且不易結(jié)垢的流體、腐蝕性流體、高壓力流體；②飽和蒸汽、冷卻流體、流量小且黏度大的流體走殼程；③流體間溫差較大且換熱器結(jié)構(gòu)為剛性結(jié)構(gòu)時(shí)其熱系數(shù)大的流體應(yīng)走殼程。

流體污垢熱阻的確定則需要考慮到預(yù)期的操作目標(biāo)以及后續(xù)維護(hù)工作的各項(xiàng)基礎(chǔ)條件，同時(shí)嚴(yán)格參照國家相關(guān)污垢熱阻標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行科學(xué)確定。

壓力降的確定則需要考慮到流體流速、傳熱系數(shù)、換熱器結(jié)構(gòu)緊湊性等要素間的關(guān)系和影響作用，然后據(jù)此確定出壓力降的合理范圍。

2.2 設(shè)計(jì)方法

在具體的管殼式換熱器工藝設(shè)計(jì)方法上，目前國際上已經(jīng)產(chǎn)生了多套設(shè)計(jì)方法，且其設(shè)計(jì)工藝逐漸優(yōu)化，對(duì)管殼式換熱器的發(fā)展產(chǎn)生了較大推動(dòng)作用。

Donohue2Donohue 法是一種于20世紀(jì)30年代誕生的一種基于理想管排數(shù)據(jù)的殼側(cè)傳熱系數(shù)計(jì)算方法，其考慮到流體傳熱與流動(dòng)阻力的相互制約關(guān)系，并在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)這兩反面數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合考慮，因此該設(shè)計(jì)方法是一種綜合設(shè)計(jì)方法，同時(shí)也是最早的綜合設(shè)計(jì)法。

Kern 法則進(jìn)一步對(duì)Colburn2Donohue 進(jìn)行了完善，將殼程與管程流動(dòng)、溫度分布、污垢和結(jié)構(gòu)等也納入設(shè)計(jì)的考慮范圍內(nèi)，從而形成了一種更為完善的綜合設(shè)計(jì)思路。該方法極大推動(dòng)了今天的管殼式換熱器的研發(fā)工作。

Bell2Delaware 法主要是通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)將不同流路的校正系數(shù)也運(yùn)用到實(shí)際設(shè)計(jì)中，從而使管式換熱器設(shè)計(jì)的精確度更高。

流路分析法則是對(duì)Bell2Delaware 法的一種改進(jìn)，其主要采取計(jì)算殼側(cè)壓降的方法來進(jìn)行流路，且能夠與計(jì)算機(jī)運(yùn)算相互結(jié)合。

基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的設(shè)計(jì)方法則是在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展下誕生的一種設(shè)計(jì)方法，并為今天的設(shè)計(jì)方法提供了基礎(chǔ)。該設(shè)計(jì)方法經(jīng)歷了三個(gè)階段的發(fā)展，而目前以流體動(dòng)力學(xué)與數(shù)值傳熱學(xué)為計(jì)算基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法仍處于研究階段。但依靠計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)和工程最優(yōu)化理論而進(jìn)行的程序化設(shè)計(jì)則已經(jīng)在今天的管殼式換熱器設(shè)計(jì)中得到了較多應(yīng)用，并開發(fā)出了多種軟件。

2.3 計(jì)算結(jié)果的分析和選擇

在利用設(shè)計(jì)方法計(jì)算出管殼式換熱器的相關(guān)參數(shù)后，因計(jì)算結(jié)果的組合較多，所以設(shè)計(jì)過程中還需進(jìn)行結(jié)果的分析，然后結(jié)合技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)理論與實(shí)際使用要求來對(duì)計(jì)算結(jié)果組合進(jìn)行科學(xué)選擇。

（1）換熱器直徑。換熱器直徑需要從現(xiàn)有各種標(biāo)準(zhǔn)系列的換熱器產(chǎn)品中進(jìn)行選擇。當(dāng)前已經(jīng)形成的換熱器直徑標(biāo)準(zhǔn)如表1所示：

表1 換熱器直徑標(biāo)準(zhǔn)系列（mm）

在直徑的選擇上，通常不建議選擇標(biāo)準(zhǔn)系列2中的直徑系列。

（2）換熱管長度。換熱管長度的標(biāo)準(zhǔn)同樣有多種，而目前使用最多的則是1 500、2 000、3 000、6 000（mm）的換熱管。同時(shí)要確保其管長盡可能滿足其模數(shù)需求即可，以避免造成材料浪費(fèi)。此外，換熱管的長度也需要與換熱器直徑參數(shù)匹配起來。一般情況下兩者的比應(yīng)該控制在4～25，且以6～10 為最佳。

（3）管殼程程數(shù)。管程與殼程的程數(shù)也是設(shè)計(jì)中在分析結(jié)果時(shí)需要考慮的問題。其中管程程數(shù)的多少都會(huì)影響流動(dòng)阻力以及動(dòng)力能耗，如程數(shù)過多則流動(dòng)阻力與動(dòng)力能耗都會(huì)加大，且傳熱溫差也會(huì)變小，所就需要結(jié)合換熱器面積情況和程數(shù)的影響作用尋求一種程數(shù)上的平衡。殼程程數(shù)的確定需要結(jié)合其占地面積情況、制造難度以及安裝與檢修難度進(jìn)行綜合分析。

（4）傳熱系數(shù)。傳熱系數(shù)通常與換熱器面積存在反比關(guān)系，所以在分析計(jì)算結(jié)果時(shí)就需要將總傳熱系數(shù)的計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)手冊(cè)內(nèi)的經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行比對(duì)，從而將兩者的誤差加以控制，保證其誤差在±25%以內(nèi)。

（5）流體流速。該參數(shù)是實(shí)際設(shè)計(jì)中變化最復(fù)雜的。通常情況下會(huì)盡可能地提升換熱器流速，這是因?yàn)榱魉俚奶嵘軌蚴箓鳠嵯禂?shù)增大，進(jìn)而有助于傳熱面積的降低。同時(shí)流速的提升也能夠減少污垢的產(chǎn)生。但流速提升也會(huì)影響到流體流動(dòng)阻力與動(dòng)力消耗，因此在分析結(jié)果時(shí)就需要綜合正負(fù)兩方面影響進(jìn)行分析，并將結(jié)構(gòu)要求也考慮在內(nèi)。

（6）管束振動(dòng)。這一方面問題的解決通?？梢灾苯右揽繐Q熱器設(shè)計(jì)計(jì)算軟件，同時(shí)將國家的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)作為參考。

（7）設(shè)計(jì)余量。設(shè)計(jì)余量是基于換熱器工藝計(jì)算時(shí)通常都會(huì)存在一定的偏差，而這將影響換熱器使用效果。因此為了避免這種影響對(duì)換熱器設(shè)計(jì)和最終的使用效果造成過大的負(fù)面作用，就需要設(shè)計(jì)人員在計(jì)算結(jié)果上保留一定的設(shè)計(jì)余量。通常這個(gè)設(shè)計(jì)余量應(yīng)控制在10%～20%。

3 結(jié)語

綜上所述，管殼式換熱器工藝設(shè)計(jì)是十分復(fù)雜的，其既需要做好前期的資料搜集和設(shè)計(jì)方案的制定工作，也需要結(jié)合現(xiàn)有的先進(jìn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，然后綜合各方面因素選擇出最佳的結(jié)果組合，從而確保管殼式換熱器設(shè)計(jì)的科學(xué)合理性。