管壳式换热器工艺设计概述
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摘 要：对管壳式换热器工艺设计过程中需要考虑的因素进行了介绍，并列举程数选择、压降设计、物流安排三因素进行详细分析。结合工程实际，将上述分析结论应用于具体设计中，取得了很好的设计效果。
关键词：管壳式换热器 工艺设计 程数 压降 物流安排
各种类型的换热器作为工艺过程重要的设备，广泛应用于石油化工、医药、冶金、制冷等部门。换热器应按照工艺参数及条件进行设计，满足特定工况和苛刻操作条件的要求。管壳式换热器具有结构坚固、操作弹性大、可靠程度高、使用范围广等优点，所以在工程中仍得到普遍使用。采用HTFS软件进行换热器工艺设计已很普遍，但为了使设计出来的换热器能更好地满足各种工况，仍然有许多方面需在设计时加以充分考虑。
一、程数的选择
1.管程
管程数有1~12程几种，常用的为1、2管程或4管程。管程程数的选择，关键要比较管程与壳程的给热系数。如果单管程时管程流体的给热系数小于壳程流体给热系数，则应改用双管程，管程给热系数会因此显著增大，并且总传热系数也会大幅提高。例如，一台单管程换热器，管程给热系数为1050W/(m2・℃)，壳程给热系数为4200 W/(m2・℃)，总传热系数为 728 W/(m2・℃)，在换热器的外形尺寸保持不变的情况下改为双管程后，管程给热系数变为1785W/(m2・℃)，增大了70％，总传热系数变为1105 W/(m2・℃)，增大了51％，显然此时选用双管程换热器有利。反之，如果单管程时管程的给热系数大于壳程给热系数，当改用双管程时，虽然管程给热系数也会显著增大，但总传热系数则增幅不明显。
2.壳程
单壳程换热器可在壳程内放入各种型式的折流板，主要是增大流体的流速，强化传热，这是最常用的一种换热器。对于壳程程数的选择，应从两个方面考虑，首先，对于换热管很长的换热器，如果为了减少占地面积，可以采用双壳程结构。
二、压力降的设计
换热器的压力降不仅受到动力消耗的限制，有时工艺过程也要求压力降不能太大，例如热虹吸式再沸器，其工作原理就是靠再沸器与塔之间的静压差，使工艺物料在蒸馏塔与再沸器之间构成循环，如果工艺流体的压力降过大，使静压差不足以克服压力降从而导致精馏塔不能正常操作。
1.影响因素
影响压力降的因素很多，其中物料流速关系较大，增加工艺物流流速，可增加传热系数，使换热器结构紧凑，但增加流速将关系到换热器的压力降，使磨蚀和振动破坏加剧等。因此，通常有一个允许的压力降范围，工艺液体允许压力降70~170kPa，工艺气体1~25 kPa；
2.折流板的设置
折流板可以改变壳程流体的方向，使其垂直于管束流动，并提高流速，从而增加流体流动的湍流程度，获得较好的传热效果。
三、遵循的原则
在管壳式换热器的设计中，还有一些常规问题需要考虑。比如在物流的安排上，一般应遵循以下原则：
1.不清洁的流体走管内，因为在管内空间得到较高的流速并不困难，而流速高，悬浮物不易沉积，且管内空间也便于清洗；
2.体积小的流体走管内，因为管内空间的流动截面往往比管外空间的截面小，流体易于获得必要的理想流速，而且也便于做成多程流动；
3.压力大的流体走管内，因为管子承压能力强，而且还简化了壳体密封的要求；
4.腐蚀性强的流体走管内，因为只有管子及管箱才需用耐腐蚀材料，而壳体可用普通材料制造，所以造价可以降低。此外，在管内空间装设保护用的衬里或覆盖层也比较方便，并容易检查；
5.与外界温差大的流体走管内，因为可以减少热量的逸散；
6.饱和蒸汽走壳程，因为蒸汽对流速和清理无甚要求，并易于排除冷凝液；
7.粘度大的流体走壳程，壳程的流动截面和方向都在不断变化，在低雷诺数下，管外给热系数比管内的大；
四、设计案例
苏州一换热站供热工程中所用管壳式换热器参数如下：
过热蒸汽 P=1.0MPa，T=300℃；采暖用水供回水80/60℃，P＜1.0MPa；
Q=3MW，立式，总高＜3米。
设计方案：
1.冷媒与热媒温差为220℃，固定管板式换热器不能用，因此确定采用U型管式；
2.为便于蒸汽排冷凝水，确定蒸汽走壳程，热水走管程；
3.计算对数平均温差得△tm=105.59℃，预估K估=2500 W／(m2・℃)，按照总热负荷Q=3000kw，带入公式Q=K估S估×△tm，计算得S估=11.4m2，考虑20%面积裕度，取S估=13.68m2；
4.参照JB/T4717-92，按S≥13.68m2选型，兼顾设备总长不超过3米，初步选型为BIU500-1.6-15-1.1/19-2
5.将上述参数及换热器型号输入HTFS软件进行验证，结果传热、管壳程流速、压降均满足要求；
6.按公式d=，壳程蒸汽流速按u≤30m/s，管程水流速按u≤3m/s，计算结果圆整至标准规格，确定壳程蒸汽进口DN150，出口DN80；管程水进出口为DN200，另外排污口取DN32；
7.换热器主要结构尺寸和计算结果见表1：
五、结语
在进行管壳式换热器的工艺设计时，需要综合考虑诸多因素，只有这样，才能使换热器的设计既满足工艺过程本身的要求，又满足结构、造价、维修等各方面的综合要求。通过合理的工艺设计，有效地提高传热效率，降低压降，提高能源的利用率，最终使企业降低成本，提高效益。
作者简介：王万俊（1982―）男，燕山大学2005届化学工程与工艺专业本科，学士，从事压力容器、管壳式换热器的选型及设计工作。
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