管壳式换热器设计原理与方法研究

管壳式换热器设计原理与方法研究

管壳式换热器是制冷空调系统中实现热量传递的关键设备，其设计水平直接影响换热效率和系统性能。本文我们将从管壳式换热器的基本结构入手，探讨换热器设计的基本条件、关键参数以及设计要点。
（示意图，不对应文中任何具体信息）
一、管壳式换热器的基本结构   
    管壳式换热器由管束、管板、壳体、接管等部件组成。壳程流体在壳体内侧流动，管程流体在管内流动，两种流体通过管壁实现热量交换。根据管束在壳体内的布置方式，管壳式换热器可分为固定管板式、浮头式、U型管式等类型。

固定管板式换热器的管束两端与管板固定连接，结构紧凑，但在温度变化时易产生热应力。浮头式换热器一端管板与壳体可自由滑动，减小了热应力，但结构复杂，成本较高。U型管式换热器管束呈U形布置，无管板，热应力小，但清洗不便。

管壳式换热器的管径一般在10mm之间，管长6m。常用的管排布型式有三角形和四方形，管间距与管径之比为1.25。壳体直径与管束直径之比为1.5，长径比一般不超过10[3]。

 

 1．管   箱    

（1）管箱的长度

a最小内侧深度

①向开孔的单管程管箱，开口中心处的最小深度应不小于接管内直径的1/3

②管程的内外侧深度应保证两程之间的最小流通面积不小于每程换热管流通面积的1.3倍

b最大内侧深度

考虑内件焊接和清理是否方便，尤其对于公称直径较小的多管程换热器。

（2）分程隔板

隔板的厚度和布置按GB151表6和图15，对于厚度大于10mm的分程隔板，密封面应削边至10mm；对于列管式换热器，隔板上应设置泪孔（排净孔），排净孔的直径一般为6mm

2. 壳 体 及 管 束   

① 管 束 级 别

Ⅰ、Ⅱ级管束，仅仅针对碳钢、低合金钢换热管国内标准中还存在着“较高级”和“普通级”制订的。一旦国内换热管能够采用“较高级”钢管时，碳钢、低合金钢换热管束无需再分Ⅰ级和Ⅱ级

Ⅰ、Ⅱ管束的区别主要在于换热管的外径、壁厚偏差不同，相应地管孔尺寸和偏差不同

Ⅰ级管束的精度要求高一些，对于不锈钢换热管，只有Ⅰ级管束；对于常用的碳钢换热管

② 管  板

a管孔尺寸偏差

注意Ⅰ、Ⅱ级管束的区别

b分程隔板槽

Ⅰ槽深一般不小于4mm

Ⅱ分程隔板槽宽：碳钢12mm；不锈钢11mm

Ⅲ分程隔板槽拐角处的倒角一般为45度，倒角宽度b近似等于分程垫片的圆角半径R。

③ 折  流  板

a管孔尺寸：按管束级别区分

b弓形折流板的缺口高度

缺口高度应使流体通过缺口时与横过管束的流速相近，缺口眩高一般取0.20—0.45倍的圆角内直径，缺口一般切在管排中心线以下或切于两排管孔的小桥之间(便于穿管方便)。

c缺口方位

单向清洁流体，缺口上下布置；

气体中含少量的液体，缺口朝上的折流板的最低处开通液口；

液体中含少量气体，缺口朝下的折流板的最高处开通气口

气液共存或液体中含有固体物料时，缺口左右布置，并在最低处开通液口

d折流板的最少厚度；最大无支撑跨距

e管束两端的折流板尽可能靠近壳程进出、口接管

④ 拉 杆

a拉杆的直径和数量

直径和数量按表6-32，6-33选用，在保证大于或等于表6-33所给定的拉杆截面积的前提下，拉杆的直径和数量可以变动，但其直径不得小于10mm，数量不小于4根

b拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘，对于大直径的换热器，在布管区或靠近折流板缺口处应布置适当数量的拉杆，任何折流板应不小于3个支撑点

c拉杆螺母，有的用户要求下面一个螺母与折流板电焊

 

⑤ 防 冲 板

a防冲板的设置是为了减少流体的不均匀分布和对换热管端的冲蚀

b防冲板的固定方式

尽可能固定在定距管上或靠近管板的第一块折流板，当壳程进口位于非固定拉杆的管板的一侧时，防冲板可焊在筒体上

⑥膨胀节的设置

a位于两侧折流板之间

为了减少膨胀节的流体阻力，必要时可在膨胀节内侧设置一个衬筒，衬筒应在顺流体流动方向上与壳体焊接，对于立式换热器，当流体流动方向朝上时，应在衬筒下端设置排液孔

b膨胀节的保护装置，防止设备在运输过程中或使用中拉坏

⑦管板与壳体的连接

a延长部分兼作法兰

b不带法兰的管板（GB151附录G）

3.  管 法 兰 ：  

①设计温度大于等于300度，应采用对接法兰。

②对于不能利用接管式接口进行放弃和排泄的换热器，应在管、壳程最高点设置放气口、最低点设置排液口，其最小公称直径为20mm。

③立式换热器可设置溢流口

4．支座：按GB151种5.20条的规定

5.其  他 附  件    

①吊耳：质量大于30Kg的官箱及管箱盖宜设置吊耳

②顶丝：为了便于拆卸管箱、管箱盖，应在官板、管箱盖上设置顶丝

 

二、管壳式换热器的设计条件   

管壳式换热器的设计需要综合考虑工艺条件、物性参数、传热机理等因素，主要设计条件包括以下几点：

1.工艺条件  

工艺条件是换热器设计的基础，主要包括换热流体的种类、流量、温度、压力等参数。设计时需要根据换热器在系统中的功能，确定冷热流体的进出口状态。温差和流量直接决定了换热器的热负荷，而压力则关系到换热器的强度和密封性能。

2. 物性参数      
   换热流体的物性参数如比热容、导热系数、密度、黏度等会显著影响传热和流动特性。在设计计算中，通常采用工作温度下的平均物性参数。对于相变换热器，还需考虑流体的汽化潜热和凝结温度。

3. 传热系数     

管壳式换热器的传热系数取决于流体流动状态、物性参数以及管壁材料和结构等因素。层流换热系数较低，故设计时应尽可能使流体达到紊流状态。提高流速、增加扰流元件、选用高导热材料等措施都有助于强化传热[4]。

4. 压降     

流体在换热器中流动时会产生压降，泵功率和运行费用。因此，在保证传热量的前提下，应尽量降低换热器的压降。减小流速、优化流道设计、选用光滑管壁等可有效控制压降。

5. 结构强度    

换热器在高温高压环境下运行，必须满足一定的强度要求。设计时应对管板、管束、壳体等承压部件进行强度校核，确保在最恶劣工况下仍能安全可靠运行。材料选择、壁厚设计、焊接工艺等都会影响换热器的结构强度。

 

三、管壳式换热器的设计计算   

管壳式换热器的设计计算主要包括热负荷计算、传热系数计算、管壁温度计算、压降计算等内容。

1.热负荷计算
换热器的热负荷Q可由冷热流体的焓值变化求得：
Q=mc_c (t39;_c-t_c )=mh_h (t_h-t39;_h ) （1）
式中，下标c和h分别表示冷流体和热流体，m为质量流量，t为进出口温度。

设计计算时，热负荷通常按10~20%富余系数放大，以补偿使用中可能出现的热损失和积垢导致的传热恶化。

2.对数平均温差法
对数平均温差(LMTD)法是计算管壳式换热器传热系数的经典方法。对数平均温差Δt_m的计算公式为：
Δt_m=(Δt_max-Δt_min)/ln?(Δt_max/Δt_min ) （2）
式中，Δt_max和Δt_min分别为换热器两端的最大温差和最小温差。

结合传热系数k、换热面积A和总热负荷Q，可得LMTD法的基本方程：
Q=kAΔt_m （3）

3.有效度-NTU法
有效度-传热单元数(ε-NTU)法是另一种常用的换热器设计计算方法。定义换热器有效度ε为实际传热量与最大可能传热量之比：
Q=εQ_max=εC_min (t_h-t_c) （4）
式中，C为热容率，下标min表示冷热流体热容率中的较小值。

传热单元数NTU的定义为：
NTU=kA/C_min （5）

ε与NTU的关系可通过换热器的流动布置形式确定。对于纯逆流换热器，有：
ε=(1-e^(-NTU(1-C_r)))/(1-C_r e^(-NTU(1-C_r)) ) （6）
式中，C_r为热容率比，表示C_min与C_max之比。

4.管壁温度计算
为防止流体结垢或结冰，需要对换热器管壁温度进行校核。根据傅里叶导热定律，管壁内表面温度t_wi可表示为：
t_wi=t_h-(Q/A_i )?(1/h_i+R_f+δ_w/λ_w ) （7）
式中，A_i为管内表面积，h_i为管内对流换热系数，R_f为管内污垢热阻，δ_w和λ_w分别为管壁厚度和导热系数。

管壁温度的合理控制有利于保证换热器安全高效运行。必要时可采用翅片管、强化传热管等措施调节管壁温度场。

四、管壳式换热器的设计要点   
除上述设计计算内容外，管壳式换热器的设计还需注意以下几点：

1.强化传热措施
通过采取强化传热措施，可在不增加换热面积的情况下提高换热器性能。常见的强化传热管有螺纹管、波纹管、镶嵌式管等。在壳程侧布置折流板、导流板等填充件，可强化流体扰动，倍增传热系数。此外，合理选择多通道、多流程布置也能强化热量传递。

2.防止泄漏
换热器内外泄漏会导致换热流体的损失和交叉污染。设计时应采取可靠的密封措施，如采用全焊结结构、增设密封垫等。对于固定管板式换热器，应合理设置管束与管板、管板与壳体的热膨胀量，避免应力集中导致的密封失效。

3.防腐蚀设计

换热流体的化学性质如酸碱度、含盐量等会引起换热器腐蚀。选择耐腐蚀材料、涂覆防腐层、采用阴极保护等措施可延缓腐蚀进程。对于易结垢流体，可在管程侧增设刮垢装置，定期清理污垢。在海水环境中使用的换热器，还需考虑电化学腐蚀的影响。