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    1管殼式換熱器設(shè)計(jì)

    1．1初始設(shè)計(jì)在開始著手設(shè)計(jì)之前，應(yīng)該首先清楚可選管子尺寸、殼體形狀、管束布置方式以及折流板形式。

    1．2換熱管尺寸選擇換熱管尺寸對換熱器大小和性能的影響總結(jié)為：(1)換熱器容積隨著換熱管直徑增大而增大；(2)殼程傳熱膜系數(shù)隨著換熱管直徑增大而降低；(3)總換熱系數(shù)和換熱面積隨著換熱管直徑增大而減��；(4)管側(cè)壓降隨著換熱管直徑增大而降低；以上應(yīng)用實(shí)際對換熱管尺寸的選擇提供了依據(jù)。(1)首先，推薦采用中19的換熱管；(2)在設(shè)計(jì)適當(dāng)增大管徑以改變壓降條件。

    1．3殼體類型選擇目前殼體形狀較多，最簡單的就是帶有折流擋板的單管程E型殼體，介質(zhì)流動為逆向流動，這種流向設(shè)計(jì)，可以充分利用溫差效應(yīng)，因此換熱管尺寸最小。如果需要多管程，則需要對對數(shù)平均溫差做出校正，以彌補(bǔ)因流體非完全逆流造成的誤差。通常情況下，需要設(shè)計(jì)多殼程換熱器。F型殼體有縱向折流板，該殼體可使流體接近雙管程純逆向流動，殼體內(nèi)壓降與殼程流速平方以及管排數(shù)量成正比。對于相同的殼體尺寸和折流板數(shù)量的換熱器，由于縱向折流板原因，F(xiàn)型殼體內(nèi)流體流速是E型殼體內(nèi)流體流速的兩倍，而截面上的管子數(shù)相同。因此，F(xiàn)型殼體壓降比E型殼體的壓降高出四倍。同樣，對于G，H，J型殼體，G型殼體的壓降是E型殼體的壓降的二分之一。H型殼體的壓降是E型殼體的壓降的十六分之一。J型殼體的壓降是E型殼體的壓降的八分之一。綜合以上信息，在換熱器初始設(shè)計(jì)時(shí)筆者給出如下建議：(1)初始設(shè)計(jì)選擇E型殼體；(2)若需要多管程換熱器，可換成F型殼體，因?yàn)镕型殼體可以彌補(bǔ)多殼程引起的損失；。(3)如果存在管側(cè)壓降受限的情況，次再考慮用G，I4型殼體。

    1．4管束布置可換成J型殼體，其節(jié)距比(管間距與管板直徑之比)的比值越小，對于給定殼體形狀的換熱器，其換熱管數(shù)越多。所以，換熱器最小節(jié)距比首先取1．25，若殼側(cè)壓降受限，則需要逐步擴(kuò)大節(jié)距比。管束布局分成兩類，內(nèi)聯(lián)布置和錯(cuò)列布置。內(nèi)聯(lián)布置是指管子按照45。或者90。排列布置，適于機(jī)械方法清洗管壁面。錯(cuò)列布置是指管子按照30�；蛘�60。排列布置，適于化學(xué)方法清洗管壁面。對于一個(gè)給定的換熱器殼體直徑，若采用錯(cuò)列布置方式，則適合換熱管數(shù)量較多的場合。根據(jù)單位長度上的壓降與傳熱效率的關(guān)系，30。，60。，90。布管方式，他們的換熱性能基本類似。對于壓降不變的情況下，45。的布管方式可以提高10％左右的換熱性能。另外，在截面流速相同的情況下，45。的布管方式并非最佳選擇。關(guān)鍵是考慮換熱與壓降之間的關(guān)系。30。布管方式在不引起共振的情況下可以承受更高的流速。鑒于以上應(yīng)用實(shí)際，在設(shè)計(jì)時(shí)給出以下建議：(1)若換熱器換熱管需要機(jī)械清洗，可以采用45。的布管方式；(2)若換熱器換熱管需要化學(xué)清洗，可以采用30。的布管方式；

    1．5折流板形狀選擇折流板形狀對換熱性能的影響非常明顯，圖1是折流板切割率對換熱器折流板流通面積的影響。對于給定管子數(shù)量和折流板間距的換熱器，文獻(xiàn)均作了計(jì)算，在計(jì)算時(shí)，將所需面積這個(gè)變量轉(zhuǎn)換為管子長度和殼側(cè)壓降的函數(shù)，通過分析找到了優(yōu)化數(shù)據(jù)，即折流板的缺口率為27％為最優(yōu)折流板。如果采用缺口率為15％的折流板，將導(dǎo)致所需面積比最小值高出23％。如果采用缺口率為45％的折流板，將導(dǎo)致所需面積比最小值高出17％。其他條件不變，換熱器性能達(dá)到最優(yōu)條件是折流板流通面積與折流板錯(cuò)流流路面積大致相同。所以，改變折流板間距將引起最佳折流板切割率的點(diǎn)發(fā)生變化。而獲得折流板的最佳切割率時(shí)，換熱器折流板流通面積與折流板錯(cuò)流流路面積基本相同。一旦殼體直徑與折流板切割率確定下來，折流板間距在基于折流板流通面積與折流板錯(cuò)流流路面積相等條件下也可以確定下來。接下來考慮折流板形狀的選擇和換熱器空間的最優(yōu)設(shè)計(jì)。目前關(guān)于換熱器折流板性能的比較分析的學(xué)術(shù)報(bào)告很少，只是一些涉及關(guān)于桿式折流板和螺旋折流板性能的研究報(bào)告。而對于換熱器折流板性能的研究有待進(jìn)一步的研究。本文結(jié)合企業(yè)應(yīng)用實(shí)際，在設(shè)計(jì)時(shí)有如下建議(1)首先選用單弓型折流板；(2)在遇到殼側(cè)壓降受限的情況下，可換成雙弓折流板或者三弓折流板；(3)采用特殊形式的折流板。充分考慮換熱器的空間大小后再確定折流板的切割率大小和間距。

    2舉例杭州下沙生物科技有限公司一車間采用列管式換熱器。工藝要求：正己烷／甲醇減壓二級冷凝。熱側(cè)：正己烷／甲醇冷凝，進(jìn)出口溫度15／10oC；流量0．4t／h。冷側(cè)：冷鹽水，進(jìn)出口溫度5／7℃。選型：E型殼體，換熱器殼體尺寸為DN400／DN310，L=3050mm／2956mm，45。布管，(I)19換熱管，雙弓形折流板，折流板的缺VI率為27％，換熱面積20m／10m，如圖3所示。經(jīng)過長期觀察，該列管式換熱器換熱性能基本穩(wěn)定，能夠達(dá)到工藝要求。3結(jié)語根據(jù)工程應(yīng)用實(shí)際，換熱器的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵從如下規(guī)則：(1)初始參數(shù)確定、換熱管尺寸、殼體類型、管束布置方式、折流板形狀等信息確定；(2)選擇折流板切割率的初始值；(3)結(jié)合Poddar給出的參考圖進(jìn)行判斷。若殼側(cè)壓降需要控制，其壓降線將位于管側(cè)壓降線的左側(cè)(圖3所示)。

    增大折流板切割率將有助于減少壓降，進(jìn)而使兩條線基本協(xié)調(diào)。由圖4可知，進(jìn)一步增大折流板切割率并不能提高換熱性能，由于該方案不能充分利用殼側(cè)壓降。若管側(cè)壓降需要控制，采用推薦的折流板切割率不能充分利用殼側(cè)壓降。目前，降低折流板切割率和調(diào)整折流板間距有助于提高換熱器殼側(cè)流速和促進(jìn)殼側(cè)熱傳遞，改變管程數(shù)是使管側(cè)壓降發(fā)生變化的一種手段。