管殼式換熱器的優化設計

摘 要：熱交換器是進行熱量交換的高效設備，在許多行業中都有廣泛的應用，在實際應用中間壁式換熱器的應用最為廣泛。管殼式換熱器具有結構簡單，使用壽命長，工作范圍廣，應用材料廣泛等特點，管殼式換熱器在石油化工行業等高溫高壓大型換熱設備中應用比較廣泛。本論文對散熱器進行整體優化設計。

關鍵詞：管殼式換熱器 優化 設計

1.流體在熱交換器內流動空間的選擇

在合理設計時必須選出殼程流體和管程流體，在選擇時要遵循以下幾項原則：

（1）換熱系數受到限制的那一側必須采取有效地加強換熱的措施，才會使傳熱面兩側的傳熱條件相接近。

（2）以節省原材料為原則盡量提高經濟性，特別是貴重部件，以降低制造成本。

（3）結構要合理，以便進行清洗積垢，保證運行的可靠性。

（4）當熱交換器處于高溫時應盡量減小熱損失。

（5）盡量減少殼體和管子之間的溫差熱應力，簡化整體結構。

（6）工作條件需要高壓時，應盡量使密封簡單可靠。

（7）流體流動時，應保證便于流體的流入、分配和排出。

符合以上原則的管程流動流體的合理情況有：容積流量小的流體；不清潔、易結垢的流體；壓力高的流體；有腐蝕性的流體；高溫流體或是低溫流體在裝置中流動。

在殼程流動流體的合理情況有：容積流量大的流體；剛性結構熱交換器換熱系數大的流體；飽和蒸汽。

在實際的設計過程中以上原則之間總會存在一定的矛盾，在優化設計時要充分考慮到經濟性、實用性和合理性。

2. 流體溫度和終溫的確定

當流體流動方式和換熱面積最終確定時，流體的終溫可由平均溫差法來確定計算。實際運行時流體的溫度對換熱器的結構和運行有著重大影響，因此在設計時就要事先決定加工的方式。對于多流程熱交換器，應盡量避免出現溫度交叉現象，否則將使平均溫差下降。

合理的選擇流體溫度和換熱終溫應遵循以下原則：

（1）熱端溫差不大于20℃

（2）冷端溫差不大于5℃

（3）冷凝器中，冷流體初溫必須高于熱流體凝固點；對于含有不凝性氣體的冷凝，冷流體的初溫要低于被冷凝氣體的露點以下5℃。

（4）空冷式熱交換器流體出口和空氣進口之間的溫差不能低于20℃。

（5）多管程換熱器要盡量避免溫度交叉，必要時可將較小一端的溫差加大到20℃以上。

此外，逐級加熱系統可以有效地提高平均溫差，提高換熱效率。

3. 管子直徑的選擇

采用小直徑的管子可以有效提高設備體表比，加強傳熱。小直徑的管子可以使單位體積的傳熱面大，因此可以使單位體積的換熱面積增大。根據計算，將同殼徑的換熱器由Φ25mm改為Φ19mm時，換熱面積可以增加25%。因此可以得出傳熱面一定時，采取小直徑的管子可以節省材料。但是節省材料的同時，我們增大了流動阻力，管數的增加增大了連接處泄露的可能性。管徑減小時，積垢就會變得容易。因此選取管徑時要合理的考慮，但總的趨勢是選擇小的管徑。

選取管壁厚度時要考慮工作壓力，流體對管壁的腐蝕和脹管操作的要求等方面。選擇管子直徑和長度時要盡量選取標準化的管件，后期的運行檢修方便。

4. 流體流動速度的選擇

合理的流速對于換熱器是十分重要的，比較大的流速可以在一定限度內提高換熱系數，但是流速增加阻力也會隨之增加，阻力增加的速率還會高于換熱系數增加的速率。由阻力計算公式 可知，壓降和流速的相關性比較大，因此流速的最大值是由壓降所決定的，當壓降一定是時，最大流速也就確定了。

在提高流速時還要考慮機械和結構因素，流速提高應在避免水力沖擊、振動和沖蝕發生的前提下進行。在結構上，提高流速，管數減小，為了保證換熱面積就必須增加管子的長度增多程數，因此會使設備的結構復雜，清洗維護的難度增加。實際操作中，為了達到合理的設計，流速一般都會低于最佳流速。

5. 管殼式換熱器的振動與噪音優化

5.1 流體產生振動的原因

管殼式換熱器運行時都會產生一定的震動，振動的原因可能為：殼側和管側流體流動引起；流體速度的脈動或波動引起；通過支架或管道傳播的動力機械振動引起等等。振動有時候可以是幾個不同的因素共同誘發的，有的可以預測改善，而像流體的流動引起的振動不是很容易進行控制。

導致振動的原因主要有三個方面：渦流脫落、湍流抖振和流體彈性不穩定。

5.2 振動的預測和預防

由于振動會對設備造成很大的危害，因此在設計時就要充分考慮到誘發振動的因素，并將這種可能性降到最低。消除換熱器管束中的偏振是防止振動的主要方式。進行防振和降振的方法有：

（1）降低殼側的流速 假如殼側的流量不變，可以增大管距。這種方法會增大殼體直徑或增加管子的長度

（2）增加管子的固有頻率 管子的固有頻率和支撐跨距的平方呈反比，因而減小支撐跨距可以增加管子的固有頻率。

（3）提高聲震頻率 在殼體中加入減震板，寬度方向和橫流方向平行同時長度方向和管子軸線平行，這樣可以提高聲震頻率，使其與渦流脫落、湍流抖振的頻率不相同。

（4）在結構方面，增加折流板的厚度 當孔的間隙一定時，能減輕流體對管子的剪切作用，從而增加系統的阻尼。通常減小振動的方法是在折流板的管孔兩邊加工一定角度的倒角。

除了以上的注意事項以外，還應該注意運行中的操作。嚴格的控制流體流速和流量，合理分配管路等。

6. 管殼式換熱器的熱補償優化

由于材料的熱脹冷縮的性質，管子的兩側溫度不同時就會產生熱應力，溫差越大熱應力就會越大，這種力會引起管子的彎曲變形、管口松裂，泄露等破壞的情況發生。

為了解決熱應力的破壞問題通常采用熱補償的方法，主要有：

（1）減少管子與殼體的溫差，管壁溫度接近換熱系數比較大的流體的溫度，因此可以將換熱系數大的流體通過管程，溫度比較低時可以進行保溫。

（2）裝置撓性構件 在殼體上裝上具有膨脹結構的膨脹節使殼體有一定的膨脹適應作用，因此可以消除一部分的熱應力。

（3）使殼體和管束都可以自由伸縮 殼體和管束都有膨脹機構可以完全消除熱應力。在浮頭式換熱器和U型管式換熱器中應用比較多。

（4）彈性管板補償 在高溫高壓條件下工作的管板，其強度要求和減少熱應力的要求是相互矛盾的，板厚和熱應力的大小是此消彼長的。因此可以在管板的軸向和徑向來消除熱應力。

（5）雙套管溫度補償 這種方法多在高溫高壓的情況下采用管程流體出入口和一個環形空間相連接，使管內流體和殼程流體的溫差減少，完全消除熱應力。

管殼式換熱器的優化設計，在設計過程中從換熱面積的優化，換熱溫差的優化等方面入手，結合所用材料的特性進行優化。作為一個廣泛應用的換熱器，管殼式換熱器在實際的應用運行過程中，還可以進行運行過程的優化。運行的優化在工業生產中有十分重要的作用，本論文就是在實際運行中對換熱器進行相應的優化設計的。

參考文獻

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[2]《換熱器原理與設計》，史美中、王中錚。東南大學出版社2011版58～63。

[3]管殼式換熱器的優化設計 ，王元文，2003年第3期， 44～46

[4]《換熱器原理及計算》，朱聘冠，清華大學出版社。1987年第一版，252～257.

作者簡介：

宋航斌（1989-01），男，籍貫：山東省萊陽市，學歷：本科學歷，助理工程師，研究方向：電力工程。