換熱器的選型

閆 秀 婷

（中國寰球工程公司遼寧分公司， 遼寧 撫順 113006）

各種類型的換熱器作為工藝過程必不可少的設備，廣泛用于石油化工、醫藥、動力、冶金、制冷、輕工等部門。如何根據不同的工藝生產流程和生產規模，設計出投資省、能耗低、傳熱效率高、維修方便的換熱器，是工藝設計人員重要的工作。

1 換熱器的結構型式確定原則

換熱器的結構型式應根據工藝條件和介質性質按下列原則確定［1］：

a）一般宜選用浮頭式換熱器；

b）當操作壓力較高或管殼程介質相混合會導致產品變質或影響安全操作時，宜選用U型換熱器；

c）當殼程介質為潔凈流體時，且冷流進口和熱流進口之間介質的溫差小于110 ℃，如選用固定管板換熱器，應根據結構計算要求考慮是否設置膨脹節；

d）當潔凈介質的流率較小、操作溫度和操作壓力均較低時，宜選用板式換熱器；

e）當介質流率較小、傳熱面積較小且操作溫度和操作壓力較高或介質含有固體顆粒時，宜選用套管式換熱器。

1.1 壓降

對液體來說，每個換熱器壓降一般控制在50～70 kPa；對于氣體，一般控制在5～20 kPa，以10 kPa最為常見。對于塔頂冷凝器的要求控制是比較嚴格的。壓降與流速息息相關，在壓降許可下，流速可以高一些?？梢酝ㄟ^管程數、管長、折流板間距、折流板圓缺口大小來調節壓降。

1.2 流速

管程內液體流速一般取1.0～2.5 m/s，最大不超過3.0m/s。在換熱器選型對流速要求不嚴格時，一般根據壓降來定流速。但是為了避免結垢嚴重，對水冷器的流速要求嚴格，一般不宜小于0.8 m/s。

1.3 溫差

換熱器冷熱端介質的溫差及溫差校正系數宜滿足以下原則：

a）采用換熱網絡時，冷、熱端介質溫差應按窄點設計法確定。

b）單臺換熱器的冷熱端介質溫差應通過換熱器和換熱面積的技術經濟比較后確定。

c）初選的原則是冷熱端介質溫差均不宜小于20 ℃，若熱流需進一步冷卻，冷流需進一步加熱時，熱端介質溫差不宜小于 20 ℃，冷端介質溫差不宜小于15 ℃。

d）對于水冷器，冷卻水的出口溫度不宜高于60 ℃，以免結垢嚴重。高溫端的溫差不應小于 20℃，低溫端的溫差不應小于5 ℃。當采用多管程、單殼程的管殼式換熱器，并用水作為冷卻劑時，冷卻水的出口溫度不應高于工藝物流的出口溫度。

e）在冷卻或者冷凝工藝物流時，冷卻劑的入口溫度應高于工藝物流中易冷凍組分的冰點，一般高5 ℃。

在對反應物進行冷卻時，為了控制反應，應維持反應物流與冷卻劑之間的溫差不低于10 ℃。

f）當冷凝帶有惰性氣體的工藝物料時，冷卻劑的出口溫度應低于工藝物料的露點，一般低5 ℃。

1.4 冷熱流體流動通道

選擇原則：能提高傳熱系數、合理的壓力降及便于維修。

1.4.1 一般走管程的流體

a）冷卻水；

b）有腐蝕性、有毒性或有沉淀物生成的流體；

c）易結垢的流體；

d）粘度較小的流體；

e）高壓流體；

對壓力降有特定要求的工藝物流，因為管程的傳熱系數與壓降計算誤差小。

1.4.2 一般走殼程的流體

a）黏度大、流量較小的物流，易使物流形成湍流狀態（在殼程Re＞100即可達到湍流），在殼程可以得到較高的傳熱系數。但是如果阻力降允許，此類流體通入管內并采用多管程結構，也可獲得更好的給熱系數；

b）傳熱膜系數較小的物流（如氣體），易于提高傳熱膜系數；

c）飽和蒸汽，飽和蒸汽比較清凈，給熱系數與流速無關，而且冷凝液容易排出；

d）若兩流體溫差較大，對于剛性結構的換熱器，宜將給熱系數大的流體通入殼程，以減小熱應力。

1.5 污垢系數

污垢系數參考如表1-3。

表1 冷卻水的污垢系數［2］Table 1 Fouling factor of cooling water m2·K/W

表2 工藝物料的污垢系數［2］Table 2 Fouling factor of process material m2·K/W

表3 油類的污垢系數［2］Table 3 Fouling factor of oil m2·K/W

2 結構設計

2.1 管徑與管間距

管徑越小換熱器越緊湊、越便宜、但壓降越大。對潔凈流體一般選φ19 mm。對于易結垢物料，選用φ25 mm。對于有氣液兩相流的工藝物流一般選用較大的管徑。

管間距一般選用范圍為1.25～1.5 d，最小值取1.25 d或管外徑加6 mm之大者。管間距小，設備緊湊，但管板增厚、清潔不便、殼程壓降大。一般φ 19 mm外徑對應25 mm管間距、2 mm壁厚，φ25 mm外徑對應32 mm管間距、2.5 mm壁厚。

2.2 管子排列方式

2.2.1 三角形排布

利于殼程物流的湍流。清洗空間小，殼程無法機械清洗，一般用在殼程介質潔凈工況。正三角形與轉角三角形效果一樣，一般多用前者，后者少用。

2.2.2 正方形排布

用于殼程易結垢介質，為形成湍流，一般采用轉角正方形。

固定管板式換熱器用于殼程干凈介質，均采用三角形排布。

浮頭式換熱器用于殼程易結垢介質，均采用正方形布置。

U型管換熱器根據殼程介質情況，選用三角形（同時采用φ19 mm管子）或正方形（同時采用φ 25 mm管子）布置。

管子排布方式見圖1。

圖1 管子排布方式圖Fig.1 Sketch of tubes arrangement

2.3 折流板設計

2.3.1 折流板型式(圖2)

常用的折流板型式單弓開結構。一般來說，無相變對流傳熱采用水平（垂直）缺口，可防止殼程流體平行于管束流動，減少殼程底部液體的沉積。兩相介質采用豎直（平行）缺口，避免流體短路。

圖2 折流板型式圖Fig.2 Figure of baffle cut

對于U型管管換熱器，規范有規定，兩管程為水平（垂直）缺口，四管程為豎直（平行）缺口。

2.3.2 折流板間距

折流板間距最優值為殼徑的30%～60%，具體尺寸根據規范選取。折流板間距對振動及殼程流路的影響很大。

2.3.3 切割率

折流板缺口最優值取殼徑的20%～30%，切割率太大或太小對殼程的有效傳熱系數都是不利的，流型示意如下圖3。

圖3 折流板流型示意圖Fig.3 Fluid shape of baffle cut

3 殼程流路分析

流路分析法采用Tinker物理模型，各流路定義如下圖 4［3］。

圖4 殼程流路分布圖Fig.4 Fluid passes sketch of shell-side

A-換熱管與折流板管孔之間的漏流；

B-橫過管束的錯流；

C-管束外緣與殼內壁之間的旁路流；

E-折流板外緣與殼內壁之間的漏流；

F-分程流（即由分程隔板引起的旁路流）。

B流路傳熱效率最高，A/C/F傳熱效率低，但對傳熱油貢獻。E流路沿著殼體內壁流動，不與管子接觸，對換熱沒有貢獻。

對于各個流路來說，壓力降相等，對于各流路的調節主要在于各流道的阻力系數，可調節的結構參數如下：

折流板間距與切割率；

管子排布角度與管間距；

流動方向的流道數量與流道寬度；

管子與折流板孔的間隙率；

殼體與折流板的間隙率；

密封帶與密封桿的位置。

折流板間距低，漏流將會增大。殼程介質粘度對流路的影響也很大。這兩個都是通過阻力系數影響流路。

［1］中國石化集團北京設計院．煉油裝置工藝設計規范[S].北京：國家石油和化工工業局，2001．

［2］中國石化集團上海工程有限公司．化工工藝設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2009．

［3］ 劉?。鋼Q設備工藝計算手冊[M].北京：中國石化出版社，2003．