管壳式换热器的优化设计

摘 要：热交换器是进行热量交换的高效设备，在许多行业中都有广泛的应用，在实际应用中间壁式换热器的应用最为广泛。管壳式换热器具有结构简单，使用寿命长，工作范围广，应用材料广泛等特点，管壳式换热器在石油化工行业等高温高压大型换热设备中应用比较广泛。本论文对散热器进行整体优化设计。

关键词：管壳式换热器 优化 设计

1.流体在热交换器内流动空间的选择

在合理设计时必须选出壳程流体和管程流体，在选择时要遵循以下几项原则：

（1）换热系数受到限制的那一侧必须采取有效地加强换热的措施，才会使传热面两侧的传热条件相接近。

（2）以节省原材料为原则尽量提高经济性，特别是贵重部件，以降低制造成本。

（3）结构要合理，以便进行清洗积垢，保证运行的可靠性。

（4）当热交换器处于高温时应尽量减小热损失。

（5）尽量减少壳体和管子之间的温差热应力，简化整体结构。

（6）工作条件需要高压时，应尽量使密封简单可靠。

（7）流体流动时，应保证便于流体的流入、分配和排出。

符合以上原则的管程流动流体的合理情况有：容积流量小的流体；不清洁、易结垢的流体；压力高的流体；有腐蚀性的流体；高温流体或是低温流体在装置中流动。

在壳程流动流体的合理情况有：容积流量大的流体；刚性结构热交换器换热系数大的流体；饱和蒸汽。

在实际的设计过程中以上原则之间总会存在一定的矛盾，在优化设计时要充分考虑到经济性、实用性和合理性。

2. 流体温度和终温的确定

当流体流动方式和换热面积最终确定时，流体的终温可由平均温差法来确定计算。实际运行时流体的温度对换热器的结构和运行有着重大影响，因此在设计时就要事先决定加工的方式。对于多流程热交换器，应尽量避免出现温度交叉现象，否则将使平均温差下降。

合理的选择流体温度和换热终温应遵循以下原则：

（1）热端温差不大于20℃

（2）冷端温差不大于5℃

（3）冷凝器中，冷流体初温必须高于热流体凝固点；对于含有不凝性气体的冷凝，冷流体的初温要低于被冷凝气体的露点以下5℃。

（4）空冷式热交换器流体出口和空气进口之间的温差不能低于20℃。

（5）多管程换热器要尽量避免温度交叉，必要时可将较小一端的温差加大到20℃以上。

此外，逐级加热系统可以有效地提高平均温差，提高换热效率。

3. 管子直径的选择

采用小直径的管子可以有效提高设备体表比，加强传热。小直径的管子可以使单位体积的传热面大，因此可以使单位体积的换热面积增大。根据计算，将同壳径的换热器由Φ25mm改为Φ19mm时，换热面积可以增加25%。因此可以得出传热面一定时，采取小直径的管子可以节省材料。但是节省材料的同时，我们增大了流动阻力，管数的增加增大了连接处泄露的可能性。管径减小时，积垢就会变得容易。因此选取管径时要合理的考虑，但总的趋势是选择小的管径。

选取管壁厚度时要考虑工作压力，流体对管壁的腐蚀和胀管操作的要求等方面。选择管子直径和长度时要尽量选取标准化的管件，后期的运行检修方便。

4. 流体流动速度的选择

合理的流速对于换热器是十分重要的，比较大的流速可以在一定限度内提高换热系数，但是流速增加阻力也会随之增加，阻力增加的速率还会高于换热系数增加的速率。由阻力计算公式 可知，压降和流速的相关性比较大，因此流速的最大值是由压降所决定的，当压降一定是时，最大流速也就确定了。

在提高流速时还要考虑机械和结构因素，流速提高应在避免水力冲击、振动和冲蚀发生的前提下进行。在结构上，提高流速，管数减小，为了保证换热面积就必须增加管子的长度增多程数，因此会使设备的结构复杂，清洗维护的难度增加。实际操作中，为了达到合理的设计，流速一般都会低于最佳流速。

5. 管壳式换热器的振动与噪音优化

5.1 流体产生振动的原因

管壳式换热器运行时都会产生一定的震动，振动的原因可能为：壳侧和管侧流体流动引起；流体速度的脉动或波动引起；通过支架或管道传播的动力机械振动引起等等。振动有时候可以是几个不同的因素共同诱发的，有的可以预测改善，而像流体的流动引起的振动不是很容易进行控制。

导致振动的原因主要有三个方面：涡流脱落、湍流抖振和流体弹性不稳定。

5.2 振动的预测和预防

由于振动会对设备造成很大的危害，因此在设计时就要充分考虑到诱发振动的因素，并将这种可能性降到最低。消除换热器管束中的偏振是防止振动的主要方式。进行防振和降振的方法有：

（1）降低壳侧的流速 假如壳侧的流量不变，可以增大管距。这种方法会增大壳体直径或增加管子的长度

（2）增加管子的固有频率 管子的固有频率和支撑跨距的平方呈反比，因而减小支撑跨距可以增加管子的固有频率。

（3）提高声震频率 在壳体中加入减震板，宽度方向和横流方向平行同时长度方向和管子轴线平行，这样可以提高声震频率，使其与涡流脱落、湍流抖振的频率不相同。

（4）在结构方面，增加折流板的厚度 当孔的间隙一定时，能减轻流体对管子的剪切作用，从而增加系统的阻尼。通常减小振动的方法是在折流板的管孔两边加工一定角度的倒角。

除了以上的注意事项以外，还应该注意运行中的操作。严格的控制流体流速和流量，合理分配管路等。

6. 管壳式换热器的热补偿优化

由于材料的热胀冷缩的性质，管子的两侧温度不同时就会产生热应力，温差越大热应力就会越大，这种力会引起管子的弯曲变形、管口松裂，泄露等破坏的情况发生。

为了解决热应力的破坏问题通常采用热补偿的方法，主要有：

（1）减少管子与壳体的温差，管壁温度接近换热系数比较大的流体的温度，因此可以将换热系数大的流体通过管程，温度比较低时可以进行保温。

（2）装置挠性构件 在壳体上装上具有膨胀结构的膨胀节使壳体有一定的膨胀适应作用，因此可以消除一部分的热应力。

（3）使壳体和管束都可以自由伸缩 壳体和管束都有膨胀机构可以完全消除热应力。在浮头式换热器和U型管式换热器中应用比较多。

（4）弹性管板补偿 在高温高压条件下工作的管板，其强度要求和减少热应力的要求是相互矛盾的，板厚和热应力的大小是此消彼长的。因此可以在管板的轴向和径向来消除热应力。

（5）双套管温度补偿 这种方法多在高温高压的情况下采用管程流体出入口和一个环形空间相连接，使管内流体和壳程流体的温差减少，完全消除热应力。

管壳式换热器的优化设计，在设计过程中从换热面积的优化，换热温差的优化等方面入手，结合所用材料的特性进行优化。作为一个广泛应用的换热器，管壳式换热器在实际的应用运行过程中，还可以进行运行过程的优化。运行的优化在工业生产中有十分重要的作用，本论文就是在实际运行中对换热器进行相应的优化设计的。

参考文献

[1]管壳式换热器的形式与性能 王建国 2007。59～60。

[2]《换热器原理与设计》，史美中、王中铮。东南大学出版社2011版58～63。

[3]管壳式换热器的优化设计 ，王元文，2003年第3期， 44～46

[4]《换热器原理及计算》，朱聘冠，清华大学出版社。1987年第一版，252～257.

作者简介：

宋航斌（1989-01），男，籍贯：山东省莱阳市，学历：本科学历，助理工程师，研究方向：电力工程。