管壳式换热器的结构型式及传热性能
王建国
(天津市万全设备安装有限公司，天津300270) 摘要：介绍了管壳式换热器种类、结构以及传热计算，总结了提高管壳式换热器传热性能的措施。
关键词：管壳换热器；折流板与折流杆；传热系数
中图分类号：TU822．2 文献标识码：C 文章编号：1008—3197(2007)S1—0059—03 换热器是热力过程中的关键设备，广泛应用于能源、化工、冶金等领域。在各种形式的换热器中，管壳式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性成为目前应用最广泛，也是最重要的一种换热设备。 1 管壳式换热器的种类
管壳式换热器一般有3种结构型式：固定管板式、浮头式和u形管式。由于换热器的使用场合、使用目的、换热介质物性等因素的不同，决定了管壳式换热器的结构型式。 1．1 固定管板式换热器
结构简单、紧凑、造价低，往往是管板兼法兰，适用于管、壳程温差不大或管、壳程温差大，但压力不高，壳程介质干净或虽结垢但通过化学清洗能清除的场合。其主要缺点是当壳体与管子的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，在壳体与管中将产生很大的温差应力。 1．2 浮头式换热器
管束一端的管板可以自由移动，不受温差应力的影响，其结构复杂，内浮头密封困难，锻件多，造价高。维修时可拆卸浮头，抽出管束进行检修或更换，适用于管、壳程温差大但工作压力不超过10 MPa的工况，缺点是需要抽出管束。还有一种浮头式换热器也成为填料函式换热器，其管束可自由伸缩，壳程和管程都可以拆开清洗，结构简单，适用管、壳程温差大工况，但其耐压、耐温及密封能力差，目前只是在低压与小直径的场合下使用。 1．3 U形管式换热器
管束可自由伸缩，只有一块管板，密封面少，管束与壳体分离，消除了温差应力，可抽芯检修更换。适用场合为管、壳程温差大，高温，高压。壳程需抽芯清洗，管内介质干净或虽会结垢但通过化学清洗能清除。
2 管壳式换热器的结构 2．1 管束
在管壳式换热器中最简单的是单管程的换热器，如需增加传热面，一般采用增加管数的方法，管数增加后可将管束分程，以防止管数增加后引起管内流速以及传热系数的降低，从制造、安装、操作的角度考虑，一般采用偶数管程且程数不宜太多。 2．2 壳程
图1列出了几种代号的壳程型式。E型是最普通的一种，壳程是单程的，管程可为单程也可为多程；F型为二壳程的换热器，是在壳体中装入了一块平行于管子轴线方向的纵向隔板；G型也为二壳程的换热器，纵向隔板从管板的一段移开使壳程流体得以分流；H型与G型相似，但进出口接管与纵向隔板均多一倍。
图1换热器的壳程型式 2.3 管子排列方式
管子在管板上的排列方式最常见的有4种：正三角排列、转角正三角形排列、正方形排列和转角正方形排列。 2.4 管板
管板是换热器的重要部件之一，用来排布换热管并起着分隔管程、壳程空间的作用。薄管板有着节省材料的优点，是用于中、低压换热器中；椭圆形管板与换热器的壳焊接在一起，受力条件较好，适用于高压、大直径的换热器。 2．5 折流板与折流杆
折流板体有助于提高壳程的流速，增强湍动，改善传热，在卧式换热器中起支承管束的作用。常用的折流板有单弓形、双弓形、三重弓形等。折流杆是一种新型支承管子的结构，其优点：在传热量相同的情况下，其压力降比弓形折流板的换热器降低50％ 以上，没有传热死区，结垢速率慢，防止了横向流诱发的振动。
3 管壳式换热器的传热分析
由传热过程分析可知，单位时间内传热量如下式所示：
Φ =KVΔtm
可见，增大传热面积A、传热系数K和平均温差Δtm都可以增大传热量Φ 。 3.1 增大传热面积
(1)合理优化结构，如采用合适的内外导流筒，增大有效传热面积。
(2)增大传热的扩展表面，如在管内外增加肋片或翅片，提高单位容积内设备的换热面积来增强换热。 (3)将管壳式换热器串联增大换热面积。 3.2 增大传热平均温差
传热平均温差的大小主要由冷热两种流体的温度所决定，当两边流体均为变温的情况下，应当尽可能考虑从结构上采用逆流和接近逆流的流向以得到较大的Δtm值。 3．3 增大传热系数
传热过程中，各热阻与总传热系数关系如下
要增大总传热系数，就要设法减小对K值影响较大的项。如果污垢热阻较大时，则应主要考虑如何防止或延缓垢层的形成或使污垢层清洗方便当hi和h。差别不大时，最好能同时提高两流体的对流换热系数；而当两者差别较大时，要设法增大换热系数较小的一项。 4 提高管壳式换热器传热能力的措施
管壳式换热器的传热能力是由壳程换热系数、管程换热系数和换热器冷、热介质的对数平均温差决定的，因此，提高管壳式换热器传热能力的措施包括以下几点。
(1)提高管壳式换热器冷、热介质的平均对数温差冷、热介质平均对数温差除直接受冷、热介质进出口温度影响外，还受到冷、热介质的流动方向和换热流程的影响。当换热器冷、热流体的温度沿传热面变化时，两种流体逆流平均温差最大，顺流平均温差最小，在实际换热器设计中，冷、热流体多采用交错流方式，其平均对数温差介于逆流和顺流之间。因此，应尽量增加换热器冷、热流体的逆流比例，提高冷、热流体的对数平均温差，提高换热器的传热能力。
(2)合理确定管程和壳程介质。在换热器设计中，对于壳程安装折流板的换热器来说，Re>100时，壳程介质即达湍流，因此，对于流量小或粘度大的介质优先考虑作为壳程换热介质；由于管程清洗相对于壳程清洗要容易，因此对于易结垢、有沉淀及杂物的介质宜走管程；从经济性考虑，对于高温、高压或腐蚀性强的介质，作为管程换热介质更加合理；对于刚性结构的换热器，若冷、热介质温差大，因壁面温度与换热系数大的介质温度接近，为减小管束与壳体的膨胀差，换热系数大的介质走壳程更加合理，而冷、热介质温差小，两介质换热系数相差大，换热系数大的介质走管程更加合理。
(3)采用强化管壳式换热器传热的结构措施。在换热器设计中，通常采用强化传热的措施来提高换热器的传热能力。强化传热的常用措施有：采用高效能传热面、静电场强化传热、粗糙壁面、搅拌等。 5 结语
换热器是石油、化工中重要的热工设备，其中管壳式换热器的发展已经取得了巨大进步，其发展总体上是支承形式的发展，从板式支承，到折流杆式支承，再到空心环支承最后到管子的自支承，当然其问也有交错发展的情况。随着支承形式的发展，换热器的传热综合性能得到很大地提高。从结构上来讲，其结构形式会直接影响传热性能，所以在确定换热器结构时，应对其参数不断调整，反复计算以使换热器的性能更高。
参考文献： [1] 聂清德．化工设备设计[M]．北京：化学工业出版社，1991． [2] 朱聘冠．换热器原理及计算[M]．北京：清华大学出版社，1987．
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