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-1-列管式换热器的设计第一节概述换热器是化工、炼油工业中普遍应用的典型的工艺设备。在化工厂，换热器的费用约占总费用的10%～20%，在炼油厂约占总费用35%～40%。换热器在其他部门如动力、原子能、冶金、食品、交通、环保、家电等也有着广泛的应用。因此，设计和选择得到使用、高效的换热器对降低设备的造价和操作费用具有十分重要的作用。换热器的类型按传热方式的不同可分为：混合式、蓄热式和间壁式。其中间壁式换热器应用最广泛，如表1-1所示。表1-1传热器的结构分类类型特点间壁式管壳式列管式固定管式刚性结构用于管壳温差较小的情况（一般≤50℃），管间不能清洗带膨胀节有一定的温度补偿能力，壳程只能承受低压力浮头式管内外均能承受高压，可用于高温高压场合U型管式管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难填料函式外填料函管间容易泄露，不宜处理易挥发、易爆炸及压力较高的介质内填料函密封性能差，只能用于压差较小的场合釜式壳体上部有个蒸发空间用于再沸、蒸煮双套管式结构比较复杂，主要用于高温高压场合和固定床反应器中套管式能逆流操作，用于传热面积较小的冷却器、冷凝器或预热器螺旋管式沉浸式用于管内流体的冷却、冷凝或管外流体的加热喷淋式只用于管内流体的冷却或冷凝板面式板式拆洗方便，传热面能调整，主要用于粘性较大的液体间换热螺旋板式可进行严格的逆流操作，有自洁的作用，可用做回收低温热能伞板式结构紧凑，拆洗方便，通道较小、易堵，要求流体干净板壳式板束类似于管束，可抽出清洗检修，压力不能太高混合式适用于允许换热流体之间直接接触蓄热式换热过程分阶段交替进行，适用于从高温炉气中回收热能的场合根据工艺过程或热量回收用途的不同，换热器可以是加热器、冷却器、蒸发器、再沸器、冷凝器、余热锅炉等。完善的换热器在设计或选型时应满足以下各项基本要求。1．合理地实现所规定的工艺条件传热量、流体的热力学参数（温度、压力、流量、相态等）与物理化学性质（密度、粘度、腐蚀性等）是工艺过程所规定的条件。设计者应根据这些条件进行热力学和流体力学的计算，经过反复比较，使所设计的换热器具有尽可能小的传热面积，在单位时间内传递尽可能多的热量。其具体做法如下。（1）增大传热系数在综合考虑流体阻力及不发生流体诱发振动的前提下，尽量选择-2-高的流速。（2）提高平均温差对于无相变的流体，尽量采用接近逆流的传热方式。因为这样不仅可以提高平均温差，还有助于减少结构中的温差应力。在允许的条件时，可提高热流体的进口温度或降低冷流体的进口温度。（3）妥善布置传热面例如在管壳式换热器中，采用合适的管间距或排列方式，不仅可以加大单位空间内的传热面积，还可以改善流体的流动特性。错列管束的传热方式比并列管束的好。如果换热器中的一侧有相变，另一侧流体为气相，可在气相一侧的传热面上加翅片以增大传热面积，更有利于热量的传递。2．安全可靠换热器是压力容器，在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时，应遵照我国《钢制石油化工压力容器设计规定》与《钢制管壳式换热器设计规定》等有关规定与标准。这对保证设备的安全与可靠起着重要的作用。3．有利于安装、操作与维修直立设备的安装费往往低于水平或倾斜的设备。设备与部件应便于运输与装拆，在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的妨碍，根据需要可添置气、液排放口，检查孔与敷设保温层。4．经济合理评价换热器最终的指标是：在一定的时间内（通常为1年）固定费用（设备的购置费、安装费等）与操作费（动力费、清洗费、维修费等）的总和为最小。在设计或选型时，如果有几种换热器都能完成生产任务的需要，这一指标尤为重要。动力消耗与流速的平方成正比，而流速的提高又有利于传热，因此存在一最适宜的流速。传热面上垢层的产生和增厚，使传热系数不断降低，传热量随之而减少，故有必要停止操作进行清洗。在清洗时不仅无法传递热量，还要支付清洗费，这部分费用必须从清洗后传热条件的改善得到补偿，因此存在一最适宜的运行周期。严格的讲，如果孤立地仅从换热器本身来进行经济核算以确定适宜的操作条件与适宜的尺寸是不够全面的，应以整个系统中全部设备为对象进行经济核算或设备的优化。但要解决这样的问题难度很大，当影响换热器的各项因素改变后对整个系统的效益关系影响不大时，按照上述观点单独地对换热器进行经济核算仍然是可行的。第二节列管式换热器的结构选择和确定一、列管式换热器的种类列管式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性，在长期的操作过程中积累了丰富的经验，其设计资料比较完备，在许多国家都有了系列化标准。近年来尽管列管式换热器也受到新型换热器的挑战，但反过来也促进了其自身的发展。例如当流体的流速较大和压强较高时，若采用其他类型的换热器就有一定的困难。所以列管式换热器目前仍是化工、石油和石油化工中使用的主要类型的换热器，在高温、高压条件下和大型换热器中，仍占绝对优势。列管式换热器的种类很多，其结构形式与所受的温差应力以及是否需要温差补偿装置有着密切的联系。按温差补偿结构来分，主要有以下四种：1．固定管板式换热器-3-如图1-1（a）所示，此种换热器的特点是管束以焊接或胀接在两块管板上，管板分别焊接在外壳的两端并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体上装有流体进出口接管。与其他形式的换热器相比，结构简单，制造成本较低。管内不易积累污垢，即使产生了污垢也便于清洗，但无法对管子的外表面进行检查和机械清洗，因而不适宜处理脏的或有腐蚀性的介质。由于管子和管板与壳体的连接都是刚性的，当管子和壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，在壳体和管子中将产生很大的温差应力，以至管子扭弯或从管板上松脱，甚至损坏整个换热器。当管子和壳体的壁温差大于50℃时，应在壳体上设置温差补偿——膨胀节，依靠膨胀节的弹性变形可以减少温差应力，膨胀节的形式较多，常见的有Ｕ形、平板形和Ω形等几种。由于Ｕ形膨胀节的挠性与强度都比较好，所以使用得最为普遍。当要求较大的补偿量时，宜采用多波形膨胀节。当管子和壳体的壁温差大于60℃和壳程压强超过0.6MPa时，由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。2．浮头式换热器如图1-1（b）所示，换热器的一块管板用法兰与壳体连接，另一块管板不与壳体连接，且能自由移动。当管束与壳体受热或受冷产生伸缩时，两者互不牵制，因而不会产生温差应力。浮头部分由浮头管板、钩圈与浮头端盖组成，为可拆连接，管束可以抽出，故管内外都能清洗，也便于检修。由于结构复杂，其造价较高。3．填料函换热器如图1-1（c）所示，浮头部分伸在壳体之外，它与壳体之间的空隙用一填料函密封，使换热器管束的一端可以自由伸缩。当管束和壳体间的温差较大，管束腐蚀严重且需经常更换时，采用这种形式的换热器比较合适。这种换热器以制造、清洗和检修都比较方便，造价也比浮头式的低。4．Ｕ形管换热器如图1-1（d）所示，换热器被弯成Ｕ形，管的两端固定在同一块管板上，省去了一块管板和一个管箱（流道室）。Ｕ形管具有自由伸缩的特点，可以完全消除热应力。管束可以从壳体中抽出，管外清洗方便，但管内清洗困难，所以宜让不结垢的流体从管内流过。因弯管时，必须保证一定的曲率半径，所以管束的中心部分存在较大的空隙，在相同直径的壳体中排列的管子数较固定管板式少，价格比固定管板式高10％。二、管束分程在列管式换热器中最简单的是单程换热器，在其中可实现逆流的传热方式。如需增大传热面积，可增加管长或管数，但前者受到加工、安装与维修等方面的限制。通常要求换热器的长度L与壳体直径D的比L/D为：卧式设备为6～10；立式设备为4～6。当比值小于上述值，可采用增加管长的方法；当比值大于上述值时，则应采用增加管数的方法。而管数增加后会引起管内流速以及传热系数的降低，此时应将管束分程，在换热器一端或两端的管箱中分别安置一定数量的隔板，且使每程中的管数大致相等。设计中可采用如下的方法来确定管程数。已知通过管内的流体流量为V（m3/s），在选定了管内流速u(m/s)和管内径di（m）时，可得到单管程所需的管数n为-4--5-`n=udVi24π（1-1）如果估算得到的传热面积为A（㎡），则单程管束长度L（m）为L=dnAπ（1-2）A与d对应，即A以管外表面积计量，则d取管外径。通过排管，由壳体直径计算式（1-4）可初步估算得到壳体直径D，验算L/D的比值：当L/D＜规定值时，采用单管程即可；当L/D＞规定值时，需对管束分程。管束分程后，注意调整使管内实际流速与管内适宜流速接近，否则会严重影响换热器的操作性能。当管程流体进、出口温度变化很大时，应避免流体温差较大的两部分管束紧邻，否则在管束与管板中将产生很大的温差应力。根据经验，跨程温差最大不得超过28℃。故程数小于4时，以采用平行的隔板更为有利。图1-2平行与T形分程图从制造、安装和操作的角度考虑，通常采用偶数管程。但程数不宜太多，否则隔板本身将占去相当大的布管用的面积，而且在壳程中形成许多旁路，影响传热。随着程数的增加，换热器的传热效率下降且与错流传热接近。除平行的隔板外，也有采用T形隔板的，如图1-2（d），可以多安排一些管子。当程数多时，以采用径向隔板（图1-3）更为方便，此时管子的排列最好是同心圆排列方式。三、壳程分程图1-4中列出了几种壳程形式。图1-4（a）为E型，是最普通的一种，壳程是单程的，管程可为单程，也可以为多程。为了增大平均温差提高传热效率，对于二管程的换热器，可采用图1-4（b）所示的F型，在壳程中装入了一块平行于管轴线的纵向隔板，成为二壳程的换热器，流体按逆流方式进行热交换。图1-4（c）为G型，也属于二壳程的换热器，纵向隔板从管板的一端移开使壳程流体得以分流。壳体上的进、出口接管对称的分置于两侧中央部位。壳程中流体压力降与E型的相同，但在传热面积与流量-6-相同的情况下，具有更高的效率。G型壳体也对称分流壳体，壳体中可通入单相流体，也可通入有相变的流体。如用作为水平的热虹吸式再沸器，壳程中的纵向隔板起着防止轻组分的闪蒸与增强混合的作用。如图1-4（d）为H型，与G型相似，同属于二壳程的换热器，但进、出口接管与纵向隔板均多1倍，故又称双分流壳体。G型与H型都可以用于以压力降作为控制因素的换热器中，且有利于降低壳程流体的压力降。尽管在工业中已成功地制造出六壳程的列管式换热器，但考虑到制造方面的困难，对于一般的设计，壳程数很少超过2。如有必要，可通过增加串联换热器的台数来解决。四、换热管的类型当传热过程中遇到流道的一侧或两侧的流体的传热系数很低时，可在流道的一侧或两侧加翅片，或在管子上轧出凸凹槽，或在管子的外表面覆盖一层多孔性金属烧结层。采用了上述传热管的换热器又称为扩展表面式换热器，如管翅式、强化传热管等。这类换热器不仅增大了传热面积，而且传热系数也有较大的提高。1．管翅式在气液式换热器中，液侧传热系数比气侧高，如果其中的一侧又承受高压，从经济角度考虑，以采用管子加装翅片为宜。管子形状可以是圆形的，也可以是矩形的或椭圆形的。翅片应置于传热系数小的一侧，可在管外，也可在管内。必要时还可采用内、外都有翅片的管子。翅片与管子的连接可用紧配合、缠绕、粘结、焊接、热压等方法来实现，装于管外的翅片有轴向的、径向的和螺旋形的，如图1-5所示，而内翅片的结构如图1-6所示，较为简单。管翅式换热器的单位体积传热面积约为3300m2/m3,常用于空调、制冷和动力设备上。2．螺旋槽纹管如图1-7所示，在管子的外表面轧出螺旋形的凹槽，管内则形成螺旋形的凸起。流体在管内流动时，靠近壁面的部分顺槽旋转，有利于减薄流体边界层；另一部分流体顺壁面沿轴向流动时，螺旋形的凸起部分使流体产生周期性的扰动，可以加快由壁面至流体主体的热量传递。与普通光滑管相比，传热系数约提高40％。传热面积节约30%左右。如果管外为蒸气冷凝，螺旋槽还可成为排泄冷凝液的通道，使凹槽两边的冷凝液膜变薄，减少了热阻，提-7-高了冷凝传热系数。3．横纹管如图1-8所示，在管子上轧出与轴线成90°的槽纹，使管内壁形成一圈圈突起的圆环。流体经过圆环时，在管壁上形成轴向的旋涡，可以增强流体边界层的扰动，有利于边界层内的热量传递。突出的圆环对流体整体的扰动很