管壳式换热器的有效设计

arben

目前很多类型的换热器都可以通过软件来进行设计，比如ASPEN 的EDR。

如果能够理解换热器的设计过程，对于提高换热器的设计效率肯定会有所帮助。

这里我们先介绍换热器的传热部分的计算，包括管壳式换热器（STHE）的组成、分类、设计条件、管程设计、壳程设计、换热管的布置、折流板的布置、压降、和平均温差等内容。

1. 管壳式换热器的组成

管壳式换热器的主体有三部分：前端管箱、壳体和后端管箱。在对换热器命名的时候通常用这三部分的代号，比如BEM换热器、BLF换热器等。

图1 管壳式换热器TEMA类型

（1）前端管箱（Front Head）

前端管箱是管程流体的入口端，如果管程是偶数，前端管箱即是入口端，又是出口段。所以这里至少有一个管程流体的入口，又称为换热器的静态管箱（stationary head）。

（a）A型前端管箱

封盖和箱体、箱体与壳体之间通过法兰连接，管束可拆卸，管程和壳程都容易清洗、维修和更换；但密封性差，承压能力低。适用于管程流体脏污、易结垢、需要经常清洗，并且介质压力不高、无危害的情况，如炼油等。

A型前端管箱

（b）B型前端管箱

椭圆型封盖焊接到管箱上，壳体与管板直接通过焊接连接，箱体通过法兰连接到管板法兰板上。管束不可拆卸，壳程不可通过机械清洗，但管程可以。比A型管箱承压能力高，密封性好；但清洗、维护作业比A型管箱困难。适用于管壳程流体都比较清洁、并且A型管箱不能满足密封、高压的场合。

B型管箱是所有管箱中成本最低的一种。

B型前端管箱

(c) C型前端管箱

C型前端管箱与管板之间通过焊接连接，管箱和管束集成一体，管程的密封性和承压能力显著提高，用于管程压力>100bar的情况。相应清洗、维修等作业不太容易。推荐用于管程压力高、管束可拆卸、壳程需要经常清洗的场合。

（d）N型前端管箱

N型管箱与C型管箱类似，不同的是管箱不是直接焊接到管板外延，而是直接将管板、管箱都焊接到了壳体上，将管箱、管束和壳体集为一体。管程内的清洁作业通过箱体开拆卸的端盖进行。比A型前端管箱更便宜。当管程流体为有害流体，或者压力较高（> 150bar）时可采用该类型管箱。

（e）D型前端管箱

D 型管箱是一种专为高压设计、无法兰连接的密封型管箱，操作压力大于150bar，难以维护，成本最高。

（2）壳体类型

TEMA中的壳体类型有E、F、G、H、J、K、X等多种。其中E型最为常用，当E壳体不能满足设计要求时，考虑采用其他类型的壳体。 （a）E型壳体

最常用的壳体型式，单壳程。当E型壳体不能满足设计要求时，考虑采用其他型式的壳体。

（b）F型壳体

双管程、纯逆流型壳体，中间设纵向隔板，但容易泄漏，壳程温度一般要求低于175°C，或者采取特殊的处理，以降低泄漏量。一般用于双管程U型换热器的设计。

（c）G型和H型壳体

G型和H型壳体都属于分流式壳体，G型为单分流，H型为双分流型。壳程压降低。通常用于卧式热虹吸式再沸器，H型工作负荷更大。

G型卧式热虹吸再沸器

H型卧式热虹吸再沸器

（d）J 型壳体

J壳体中间没有纵向隔板，流体分流后流动截面积增大一倍，流速降低，压降也随之降低，由此可以减弱壳程流体对换热管的冲击，降低管子的振动程度。

当采用E型壳体的压降超过最大允许压降，或者需要解决管子的振动问题时，采用J型壳体代替E型壳体，并且采用双弓形折流板。若壳程仅采用一个出口，那么就是I-型壳体。

（e）K型壳体

K型壳体上部为液体蒸发和汽液分离提供足够的空间，减少汽相中液体的含量。一般用于精馏塔再沸器，也可以用于液体的沸腾或气体的冷凝。

K型釜式再沸器

（f）X错流壳体

当上述所有类型的壳体与折流板的组合都不能将壳程压降降低至最大允许压降之下时，考虑采用X型壳体。一般用于壳程侧气体的冷凝、冷却。

（3）后端管箱（Rear Head）

一般地，按照后端管箱的型式，换热器分为三类：固定管板式、U型管式和浮头式换热器。其中固定管板式的后端管箱型号有L、M和N型；浮头式后端管箱型号有P、S、T、U和W型。

（a）固定管板换热器

管板与壳体相对固定，不允许有相对移动，也不能对壳程侧进行机械清洗。当管程流体需要采用机械清洗时采用L型，不需要采用机械清洗时根据压力或危害性选择M型或N型。

（b）U型管式换热器

U型管换热器是可拆卸管束型式中造价最低的一种设计。允许管束和壳体自由膨胀。但弯管处不易清洗，适用于管程流体较清洁或高压场合。

（c）浮头换热器

P型后端管箱与壳体没有固定在一起，允许有限的膨胀，管束容易拆卸，管壁内外都容易清洗。在将管束抽出壳体时，后端管箱也要从壳体抽出，所以壳体内壁空隙较大。另外填料密封处也容易泄漏，承压能力低，仅用于低压、无害流体。

P型后端管箱

S型浮头

S型浮头中，管板和浮头与壳体之间没有接触，管程流体通过卡环、浮头封头密封于管程之内。浮头和管束都可拆卸，管内、管外都可机械清洗，就是有点费劲。允许管束和壳体之间的自由膨胀，并且管束与壳体内壁之间的间隙是所有浮头换热器中最小的。造价确是最高的。

S型浮头

T型浮头

T型浮头管箱可以直接从前端抽出，比S型浮头更便宜、更容易拆卸，也允许管束和壳体之间自由膨胀。缺点是管束到壳体内壁之间的间隙较大，成本超过U型管换热器。

T型浮头

W型浮头

最便宜的一种浮头设计。允许自由膨胀，容易拆卸。但密封性不好，易泄漏，承压低。

W型浮头

2. 管壳式换热器的分类

固定管板换热器：固定管板式换热器换热管的两端都焊接在壳体的管板上，如图2所示。比如AEL、BEM、和NEN型换热器都属于固定管板换热器。

这种换热器的优点是制造成本低。如果不用连接膨胀节的话，固定管板换热器是成本最低的一种。因为A、B和N型管箱的端盖都可以拆卸，所以可以通过机械法清洗管程侧，但壳程侧不易通过机械法清洗。

因为壳程侧没有可拆卸的部件，密封性好，不易泄漏。但是当冷热流体的温差较大时，壳体和换热器的热胀性能不同，就会产生很大的内应力，造成换热管从管板上脱落或泄漏等。必要时可在壳体上连接膨胀节，但这会提高造成成本。

图2 固定管板式换热器（BEM）

U型管换热器：换热管为U型，如图3。这种换热器仅需要一个管板，但壳体直径比固定管板换热器的稍大，两者成本相当。

U型管换热器的优点是管束的一端可以自由伸缩，所以壳体和换热管之间不会产生应力，并且由于管束可抽出，换热管的外部比较容易进行机械清洗。

缺点是因为有弯管的缘故，换热管内侧不易清洗，因此U型管换热器要求管程流体比较清洁。

图3 U型管换热器（BEU）

浮头式换热器：浮头式换热器是常用的，但也是最昂贵的。在这种设计中，一端管板焊接到壳体，另一端管板在壳体内自由 "漂浮"，这允许管束的自由膨胀，以及对管子的内部和外部进行清洁。因此，当冷热流体都容易结垢时可采用这种换热器。

浮头的结构有多种形式，最常用的是S型钩圈式浮头和T型设计。在化工过程最常用的为S型浮头，如图4。尾端管束固定在浮动的管管上，浮头封头的作用是将管程流体和壳程流体隔离开，它通过法兰与卡在浮动管板上的钩圈连接，设计比较巧妙，如图5所示。与浮动的封头通过法兰连接，将壳程流体和管程流体隔开。

在拆卸时先把尾部的壳程封头拆掉，然后拆下浮头封头和钩圈，就可以将管束从前端抽出了。

T型浮头（图6）的整个管束、包含浮头组件都可以从前端抽出，这样就不需要钩圈了，浮头封头通过法兰直接固定到浮头的管板上。优点是维护方便，一般用于再沸器。成本也是最高的。

图4 浮头换热器

图5 S型浮头的结构图

图6 釜式再沸器

其他两种浮头、P型和W型浮头，采用填料函密封，容易泄露，所以适用于无毒、无腐蚀性的清洁流体，在中等温度（300°C）和压力（40atm）以下使用。 TEMA管壳式换热器常用组合：

对于标准的E、F、G、H、I、J和X型TEMA壳体，与前端管箱和后端管箱的常用组合为：

(1)固定管板式：

前端：A, B, N

后端：L, M, N

(2)浮头式：

前端：A, B, C

后端：S, T, P, W

（3）U型管式：

前端：A, B, C

后端：U

对于釜式再沸器K型壳体，一般采用U型后端。

3. 壳体的直径

610mm（24''）以下的壳体用无缝钢管，超过610mm的用钢板卷制而成。理论上可以取很大的壳体，但直径超过3m后就很难加工了，所以在设计时应征求制造商的意见。现在最小的换热器的直径为51mm（2''），换热管直径为6.35mm（1/4‘’）。对于我们经常使用的19.05mm(3/4'')的换热管，壳体的最小直径为150mm（6''）。

通常情况下，壳体直径取决于无缝钢管的规格，常用钢管的工程直径为152、203、254、305、356、406、457、508和610mm（6、8、10、12、14、16、18、20和24英寸），所对应的内径为154、203、255、305、337、387、438、489和591毫米（6.07、7.98、10.02、12.00、13.25、15.25、17.25、19.25和23.25英寸）。

4. 多管程和多壳程

流体来回通过换热器壳程或管程的次数，称为壳程数或管程数。实际中很少有单壳程单管程的组合，更多的是多管程的组合。

管程数可以为1、2 、 4、 6、 8等，多为偶数，由于制造的限制，最多为16管程。

壳程多采用单壳程、或两个换热器串级使用的双壳程配置，也可以采用多个相同规格的换热器并联使用。

壳程数和管程数的变化会影响到换热器的冷热流体的平均温差。一般共流条件下传热温差最低，纯逆流条件下传热温差最大。实际换热器中很少有纯共流、或纯逆流的情况，多为错流，其平均温差介于共流和逆流之间。

F型壳体中的纵向隔板可以将壳程流体分割为双壳程流动，当与双管程相组合时，接近于纯逆流情况。

单管程换热器的换热效率高，并且只要为标准管长，制造成本相对较低。但对于可拆卸管束、需要将管束抽出壳体的情况，单管程布置不太实用，这也是工业上单管程换热器使用较少的一个原因。另外单管程换热器壳程流体流程较长，造成壳程压降较高。

5. 流体流程的选择

确定好换热器的类型以后，接下来就要确定热流体应该走管程还是壳程。这决定了换热器的换热性能、经济性、和使用寿命，通常考虑的因素有结垢、压力、腐蚀以及粘度和流速等。

• 易结垢的流体应该走容易进行机械清洗的一侧。并且管内的流体流速通常比课程要高，高的流速可以减少沉积物的形成。
• 高压的流体走管程更经济。壳体焊缝较多，容易泄漏。
• 腐蚀性流体最好走管程。
• 粘度高、流速低的流体最好走壳程。壳程有折流板，容易产生湍流。
• 有害的液体最好走管程，不得已走壳程时不应该用带膨胀节或波纹管的壳体，也不能用P型或W型后端管箱。
• 需要与贵重材料接触的流体优先走管程。
• 体积流量大的优先走管程，避免压降过大。

6. 接口的设计

一般来说，为了降低设备成本，我们通常采用较小的接口，并与流体输送管的管径相同。但这种设计可能造成的一个问题是流体在接口处的压降较大。比如下面这种设计，壳程的压降全部来自于进出口，管程压降仅60%来自于进出口。

在满足最大压降要求的前提下，我们可以通过增加折流板的数目，提高湍流程度，使更多的压降分布于错流主体，从而提高换热系数和换热效率。

但接口的直径不能超过壳体直径的1/3，否则需要对壳体进行额外的检验和加固。

接口直径越小，流速就越大，对入口区或出口区换热管的冲蚀型越强，越容易造成换热管的振动和脱落，特别是当流体中含有固体颗粒和悬浮物时。一般采用流体动能的大小（ρ*U^2）描述，大多数液体的安全上限约为9000kg/(m-s^2)。

放冲挡板

壳程入口流体流速较高，容易造成换热管的冲蚀，TEMA要求在下列情况下需要设置防冲挡板：

• 撞击保护，通常是以6毫米（1/4英寸）厚的方形板的形式，粘焊在管束上（"撞击板"），为喷嘴rho-v2大于的情况提供。

非腐蚀、非磨蚀的单向流体，当ρ*U^2>2230 kg/(m-s^2)时。
有腐蚀性、磨蚀性或沸腾的液体，当ρ*U^2>740kg/(m-s^2)时。
对于具有腐蚀性和/或磨蚀性的气体，必须设置防冲挡板。
饱和蒸汽和两相混合物必须设置防冲挡板。
壳程或管的入口、出口区，无论是否安装放冲挡板，ρ*U^2不超过5950kg/(m-s^2)。
对于管程接口，因为不存在冲蚀的情况，ρ*U^2可放宽至8928kg/(m-s^2)。

放冲挡板为厚度约6mm（1/4''）的方形挡板，安装在壳程流体入口下的管束上，防止高速的流体直接喷射到管子表面，造成冲蚀或振动，如下图。

3. 设计条件

在进行换热器设计之前，我们需要提供如下设计数据：

1. 冷热流体的流量。

2. 冷热流体的进出口温度。

3. 冷热流体的工作压力，特别是对于气体，因为气体的性质与压力相关。

4. 冷热流体所允许的压降。一般来说，壳程允许的压降为0.5-0.7kg/cm^2。对于粘稠的液体，特别是在管侧，通常需要更高的压降。对于气体，允许的值一般为0.05-0.2kg/cm^2，典型的是0.1kg/cm^2。

5. 冷热流体的污垢阻力，缺少时根据经验进行估计。

6. 冷热流体的物理性质，包括粘度、导热系数、密度和比热容等。最好已知在进出口温度范围内，流体性质随温度的变化曲线。

7. 热负荷。

8. 换热器的类型，根据前面的描述进行选定。

9. 接管规格，接管直径最好与换热器接口的尺寸相匹配。但接口的选择比管道尺寸的选择原则更严格，一般接口比连接管要打一个尺寸，特别是当管径较小时。

10. 换热管规格，指换热管的外径×厚度×长度。这三个尺寸通常是标准化的。

11. 最大壳体直径。对于可拆除管束的换热器，如U型管和浮头换热器来书，壳体直径越大，需要的起吊能力越高。一般情况下浮头换热器的直径控制在1.4~1.5m以内，管长在9m以下。对于固定管板换热器，壳体直径可达3m，管长可达12m或者更长。

12. 结构材料。如果换热管和外壳是由相同的材料制成的，那么所有部件都应该是这种材料。因此，只需要说明外壳和管束的材料。但是如果壳体材料与管束材料不同，那么所有内部构件都需要指明相应的材料。

13. 其他特殊考虑。

4. 管程设计

相对来讲，管程设计较为简单，因为管内流体通过的是圆形直管，流速越高，湍流程度越大，传热系数也越大；但压降也越高。好的设计会充分利用所允许的压降，这样在压降允许范围内尽可能提高流体的传热系数。

采用单管程时，流体的流通截面积较大，流速相对较低，如果这影响了传热系数和传热性能，可在管箱中间加上隔板将单管程分割成双管程、或多管程。200根管束的换热器，采用双管程时流体一次通过100根列管，截面积减小一倍，流速加倍。管程数通常为2的倍数。

5. 压降

流体的质量流速对传热系数的影响是先大后小，而对压降的影响是先小后大，所以存在一个最佳的流速，超过这个流速后，换热器的总费用就会增加。

当流体流速较高时，就会造成设备的冲蚀现象。一般情况下在达到冲蚀速度以前，流速已经收到允许的压降限制。通常建议液体在管内的最小流速为1.0m/s，最大流速为2.5~3.0m/s。

要注意的时换热器需要满足的是流体的总压降。比如换热器中壳程流体压降为0.7kgf/cm^2，当5个这样的换热器串联使用时，总换热单元的压降为3.5kgf/cm^2。

6. 壳程设计

壳程设计要比管程设计复杂很多，内部可改变、可调整的参数也多很多。

TEMA标准中壳程的形式有E、F、G、H、J、K和X等结构，其中E型是单程壳体，壳程流体从一端进、另一端出，这也是最常用的一种形式，比其他所有壳体的总和还多。

7. 列管排布

换热管常见的排布方式有四种，三角形、旋转三角形、正方形和旋转正方形，如图7。

三角形（或旋转的三角形）排布结构紧凑，可容纳较多的换热管，更容易产生湍流，所以换热系数较高。典型的管间距为管径的1.25倍，没有机械清洗管壁的空间，所以只能用于清洁流体。

旋转三角形相对于三角形排布来说，没有任何优势，所以用得不多。

如果壳程流体容易结垢，采用正方形排列。当雷诺数较小（<2,000、并且需要机械清洗时，采用旋转正方形排布。

图7 换热管的四种排布方式

8. 管间距

三角形排布时，管间距为管径的1.25倍。换热管外径为20mm时，管间距设为25mm。

正方形排列管外壁之间的距离不小于6mm，以便于机械清洗。要么选管径的1.25倍，要么选管径+6mm作为管间距，并且选其中较大者。

9. 折流板

常见的折流板有板式和杆式两种。板式的又有单段、两段和三段等结构。折流板一方面可以改变壳程内流体的流向和流速，另一方面可以起到支撑换热管、防止振动的作用。

图8 折流板的形式

折流板的板间距是换热器设计中最重要的一个参数，一般TEMA规定最小板间距不小于壳体直径的1/5，或者不小于2''，取两者中的较大者。

板间距过大或过小都不利于传热，所以在每一个换热器中就应该有一个最佳的板间距与壳体内径之比，这个比值通常在0.3~0.6范围内。

折流板缺口高度与壳体内径之比一般为15%~45%，最好在20%~35%之间。缺口越大、传热系数越小、压降越小；缺口越小传热系数越大，压降越大。在设计时通常保持缺口高度不变，通过其他方式来调整压降和传热系数。

图9 缺口过小或过大都容易产生漩涡

通常折流板采用水平布置，这可以最大程度上防止固体颗粒在底部的沉积。当采用F型壳体时，为了便于组装，可选用竖直折流板。

图10 水平和竖直缺口布置

10. 壳程流动分析

壳程内流体由多种流动形态，如图11所示。Tinker将其分为五种：错流主体B、折流板上管孔的泄露流A、管束外围间隙处流动C、纵向隔板空隙处流动F和折流板外出缝隙处的流动E。

这些不同路径的流体与换热管接触的程度不同，换热效率也不尽相同。B流是主流、效率最高。E流在折流板外围与换热管完全没有接触，所以换热效率最差。

图11 壳程流体流动分布

壳程下述参数的改变都会影响到传热的性能：

• 板间距和缺口高度；
• 列管的排布方式和管间距；
• 流体通道方向和宽度；
• 折流板上管孔间隙；
• 壳体内径与挡板间隙；
• 扰流棒的位置。

折流板的间距会影响泄露流和旁路流。板间距减小，会使压降增加、泄流量增加，但传热系数并没有相应增加。 11. 降低壳程压降的设计方案

单通道壳体和单段折流板：单壳程、单弓形折流板。当通过增加板间距和缺口高度仍不能满足压降要求时，可考虑将单弓形折流板改为双弓形折流板。

单壳程和双弓形折流板：将折流板改为双弓形后，错流区壳程流体的流动距离大约降低一半，压降也会明显降低，但由于缺口高度基本不变，所以在缺口处的流速和压降基本不变。这种设计会在一定程度上降低传热系数，但效果不如压降明显。

分流壳程: 对壳程流体进行分流，如J型壳程，壳程流体的流通截面积加倍，流长减小一半，所以压降会降低到原来的约1/8。缺点就是换热效率降低，成本增加。

缺口不布置换热管：板间距增加、壳程内压降降低，但由于换热管中间的支撑减少，容易发生振动。这种情况下，在折流板的缺口区避免布置换热管，使得每个折流板对换热管都具有支撑作用。这种布置会造成壳体直径增加，成本增加约10%。