1管壳式换热器设计

    1．1初始设计在开始着手设计之前，应该首先清楚可选管子尺寸、壳体形状、管束布置方式以及折流板形式。

    1．2换热管尺寸选择换热管尺寸对换热器大小和性能的影响总结为：(1)换热器容积随着换热管直径增大而增大；(2)壳程传热膜系数随着换热管直径增大而降低；(3)总换热系数和换热面积随着换热管直径增大而减小；(4)管侧压降随着换热管直径增大而降低；以上应用实际对换热管尺寸的选择提供了依据。(1)首先，推荐采用中19的换热管；(2)在设计适当增大管径以改变压降条件。

    1．3壳体类型选择目前壳体形状较多，最简单的就是带有折流挡板的单管程E型壳体，介质流动为逆向流动，这种流向设计，可以充分利用温差效应，因此换热管尺寸最小。如果需要多管程，则需要对对数平均温差做出校正，以弥补因流体非完全逆流造成的误差。通常情况下，需要设计多壳程换热器。F型壳体有纵向折流板，该壳体可使流体接近双管程纯逆向流动，壳体内压降与壳程流速平方以及管排数量成正比。对于相同的壳体尺寸和折流板数量的换热器，由于纵向折流板原因，F型壳体内流体流速是E型壳体内流体流速的两倍，而截面上的管子数相同。因此，F型壳体压降比E型壳体的压降高出四倍。同样，对于G，H，J型壳体，G型壳体的压降是E型壳体的压降的二分之一。H型壳体的压降是E型壳体的压降的十六分之一。J型壳体的压降是E型壳体的压降的八分之一。综合以上信息，在换热器初始设计时笔者给出如下建议：(1)初始设计选择E型壳体；(2)若需要多管程换热器，可换成F型壳体，因为F型壳体可以弥补多壳程引起的损失；。(3)如果存在管侧压降受限的情况，次再考虑用G，I4型壳体。

    1．4管束布置可换成J型壳体，其节距比(管间距与管板直径之比)的比值越小，对于给定壳体形状的换热器，其换热管数越多。所以，换热器最小节距比首先取1．25，若壳侧压降受限，则需要逐步扩大节距比。管束布局分成两类，内联布置和错列布置。内联布置是指管子按照45。或者90。排列布置，适于机械方法清洗管壁面。错列布置是指管子按照30。或者60。排列布置，适于化学方法清洗管壁面。对于一个给定的换热器壳体直径，若采用错列布置方式，则适合换热管数量较多的场合。根据单位长度上的压降与传热效率的关系，30。，60。，90。布管方式，他们的换热性能基本类似。对于压降不变的情况下，45。的布管方式可以提高10％左右的换热性能。另外，在截面流速相同的情况下，45。的布管方式并非最佳选择。关键是考虑换热与压降之间的关系。30。布管方式在不引起共振的情况下可以承受更高的流速。鉴于以上应用实际，在设计时给出以下建议：(1)若换热器换热管需要机械清洗，可以采用45。的布管方式；(2)若换热器换热管需要化学清洗，可以采用30。的布管方式；

    1．5折流板形状选择折流板形状对换热性能的影响非常明显，图1是折流板切割率对换热器折流板流通面积的影响。对于给定管子数量和折流板间距的换热器，文献均作了计算，在计算时，将所需面积这个变量转换为管子长度和壳侧压降的函数，通过分析找到了优化数据，即折流板的缺口率为27％为最优折流板。如果采用缺口率为15％的折流板，将导致所需面积比最小值高出23％。如果采用缺口率为45％的折流板，将导致所需面积比最小值高出17％。其他条件不变，换热器性能达到最优条件是折流板流通面积与折流板错流流路面积大致相同。所以，改变折流板间距将引起最佳折流板切割率的点发生变化。而获得折流板的最佳切割率时，换热器折流板流通面积与折流板错流流路面积基本相同。一旦壳体直径与折流板切割率确定下来，折流板间距在基于折流板流通面积与折流板错流流路面积相等条件下也可以确定下来。接下来考虑折流板形状的选择和换热器空间的最优设计。目前关于换热器折流板性能的比较分析的学术报告很少，只是一些涉及关于杆式折流板和螺旋折流板性能的研究报告。而对于换热器折流板性能的研究有待进一步的研究。本文结合企业应用实际，在设计时有如下建议(1)首先选用单弓型折流板；(2)在遇到壳侧压降受限的情况下，可换成双弓折流板或者三弓折流板；(3)采用特殊形式的折流板。充分考虑换热器的空间大小后再确定折流板的切割率大小和间距。

    2举例杭州下沙生物科技有限公司一车间采用列管式换热器。工艺要求：正己烷／甲醇减压二级冷凝。热侧：正己烷／甲醇冷凝，进出口温度15／10oC；流量0．4t／h。冷侧：冷盐水，进出口温度5／7℃。选型：E型壳体，换热器壳体尺寸为DN400／DN310，L=3050mm／2956mm，45。布管，(I)19换热管，双弓形折流板，折流板的缺VI率为27％，换热面积20m／10m，如图3所示。经过长期观察，该列管式换热器换热性能基本稳定，能够达到工艺要求。3结语根据工程应用实际，换热器的设计时应遵从如下规则：(1)初始参数确定、换热管尺寸、壳体类型、管束布置方式、折流板形状等信息确定；(2)选择折流板切割率的初始值；(3)结合Poddar给出的参考图进行判断。若壳侧压降需要控制，其压降线将位于管侧压降线的左侧(图3所示)。

    增大折流板切割率将有助于减少压降，进而使两条线基本协调。由图4可知，进一步增大折流板切割率并不能提高换热性能，由于该方案不能充分利用壳侧压降。若管侧压降需要控制，采用推荐的折流板切割率不能充分利用壳侧压降。目前，降低折流板切割率和调整折流板间距有助于提高换热器壳侧流速和促进壳侧热传递，改变管程数是使管侧压降发生变化的一种手段。