固定管板换热器的设计

谢晓宇 唐维维

摘 要：换热器是进行热交换操作的通用设备，广泛应用于化工、石油、医药和制冷等行业。本文对固定管板换热器的设计进行分析。

关键词：固定板；换热器；设计

引言

固定管板式换热器具有结构紧凑、承压能力强、换热效率高等优点， 但当管束材料的线膨胀系数或管壳程温差较大时会产生局部热应力， 影响管板与换热管间的连接密封性。管板是其换热器主要的承压元件，换热管、管箱、筒体等构成复杂的弹性体系。

一、换热器概述

换热器是在实际工业生产中用于物料之间进行热量交换的换热设备，在大型化工厂以及石油化工企业中广泛应用，通过各种换热器的组合，高效地利用各种流体的能量，使产品的单位能耗下降，由此可以通过生产成本的降低来得到更为高效的经济效益。最近几年，国家对能源需求不断提高，节约能源成为时代主流，对于换热器节约能源的要求也与日俱增。为响应国家号召，对于换热器新的结构设计和增大传热面积，高效利用能源的研究蓬勃发展，一些新研发的换热器被应用到实际生产中。

二、换热器的选择

换热器按照结构形式可分为：浮头式换热器、固定管板式换热器；U形管换热器；填料函式换热器等。固定管板式换热器主要零部件有壳体、管箱、管板、换热管、法兰、封头等一系列，结构简单，制造成本低，应用较为广泛。

固定管板式换热器特有优点：1）旁路渗流维持在较低水平；2）用料较少，制造成本低廉；3）不易发生内部泄漏；4）换热面积大，较浮头式换热器换热面积提高20%～30%。本设计中介质为，水与水蒸气，无明显相变和腐蚀性流体，故本设计采用固定管板式换热器。

三、固定管板换热器传热效率设计

设计人员在对固定管板换热器进行设计的过程中，除了需要按照相关的规定来布管外，更要考虑到换热器的传热效率。影响换热器传热效率因素包括介质流动线路与防短路设置，折流板间距，壳体与管束进、出口结构设计以及壳程接管进、出口处流通面积。首先要求设计人员严格相关工艺设计参数来确定介质在换热器内的流速，然后再根据流速状况对折流板弓高以及间距进行设计，从而提高传热效率。

3.1介质流动线路与防短路设置

设计人员在对固定管板换热器进行设计的过程中，只需要严格按照相关的规范来确定壳程圆筒与折流板之间的间隙距离，便能显著地避免出现介质短路的状况。一般来说，设计人员为了改变介质的流动方向，会对壳程介质中的流动路线采用弓形折流板的方式，主要目的在于其能垂直于管束流动，从而能够在应用的过程中获得较好的传热效果。而折流板的弓形缺口大小能够在一定程度上对介质流动阻力造成影响，相关规定中对弓高尺寸的范围规定为圆筒内直径的0.20倍～0.25倍。但在设计的过程中不可在此范围内任意地选取。这是由于，若选取值过小，会导致在壳体中增加介质的流速。尽管可能会在一定程度上提高传热系数，但会增加流动阻力及压力降，造成在各项工艺参数不变的情况下介质通过壳程的流量减小，这就要求设计人员在结构设计的过程中将其压降控制在工艺设计要求范围内。若取值过大，则会在一定程度上增加流体停滞区，并且缩小换热管的有效换热长度。因此，设计人员在设计折流板需要切除的弓高时，必须通过精准的计算来决定。

3.2折流板间距

折流板间距的大小也会在一定程度上影响传热效率。若折流板间距过小，則会在一定程度上增加壳程介质的流速，从而能够有效地提高传热系数，但也会造成泄漏量增加，从而增大压降。因此，设计人员在设计时需要考虑传热与压降的均衡性。一般来说，折流板间距不得低于30%Di。若折流板间距过大，则会在一定程度上增加壳程介质的轴向流，从而进一步扩大介质在壳体内的流体停滞区，最终减小换热器的有效传热长度。相关的标准规定，折流板最小间距一般不得低于圆筒直径的1/5，且控制在50mm以上。因此，设计人员要根据产品的具体情况进行合理规定，最为合理的方式是通过折流板缺口处的纵向流通面积来确定。一般来说，折流板缺口轴向流通面积需要大于或等于纵向流通面积。

3.3壳体与管束进、出口结构设计

设计人员在设计的过程中需要按照相关规定来对壳体进、出口面积进行准确计算，若在设计的过程中发现进、出口面积小于进口接管的流通面积，则表明此项结构设计不合理。并且也说明，壳程介质在壳体进、出口处具有较大的流动阻力，造成流动不畅通，增加了流速，从而影响传热效率。这就要求设计人员对结构进行重新设计，直至进、出口面积大于或等于进口接管的流通面积。设计者可以对进、出口布管方式进行调整，并且适当减少布管的数量。但如果大量减少换热管数量，仍无法满足相关工艺的要求，则需要通过加大壳体公称直径以及换热管长度等方式来合理安排壳体进、出口面积与进口接管的流通面积。

3.4壳程接管进、出口处流通面积

设计人员在设计的过程中需要严格按照壳程进、出口接管与折流板的位置来确定壳程接管的进、出口流通面积。若发现壳程进口流通面积小于进口接管流通面积，则需要流体进入热换器后增大流速；若壳程出口流通面积小于进口接管流通面积，则说明壳程介质的流通出现不畅通状况，便会对传热效率造成影响。这时，设计人员需要对结构进行重新设计，对进、出口处折流板与管板之间的间距进行调整，以此来改变壳程进、出口接管与折流板的位置。

四、案例验证

本公司采购的一台换热器，其相关的参数如下：换热管长度为7500mm，壳程为30%盐水，折流板间距为300mm，弓高为400mm，换热管为15.8mm，管中心距离为20mm，布管数量为2780根，壳程进、出口接管公称直径为450mm，接管规格为480mm×10mm。换热器投入实际应用中发现整个系统达不到设计相关要求，具有较低的效率。

由于采用的设备没有防冲挡板，而根据其布管数量可以得知，DL=1180mm，h=（1200-1180）/2=10.0mm，F1与F2为1.0，管间距S=20mm，换热管外径d0=16.0mm。进、出口流通面积为：AS=460×10.0×π+（460×π/4）×（20-16.0）/（12×1）=144560mm2。壳程接管进、出口流通面积为：Ad=（460/2）2π=166190 mm2。As

五、结束语

设计人员在设计固定管板换热器壳程接管的过程中，需要严格相关工艺设计参数来确定介质在换热器内的流速，然后再根据流速状况对折流板弓高以及间距进行设计，以此来获得最佳的传热效果。

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