管殼式換熱器課程設計應重視流速和壓力降的選取
                               呂江平1，李薇1，王曉萍2，伍家衛1
    (1．蘭州石化職業技術學院，甘肅蘭州730060；2．蘭州石化研究院，甘肅蘭州730060)

[摘要]《化工原理》管殼式換熱器課程設計往往不重視流體流速和壓力降對于換熱器的影響，文章通過分析指出其不合理之處，提出合理的管殼式換熱器設計步驟，同時對《化工原理》課程設計提出建議。
    [關鍵詞]管殼式換熱器；選型設計；流速；壓力降
    [中圖分類號]TH[文獻標識碼]A[文章編號]1007-1865(2011)09-0178-02
    目前《化工原理》教材在描述管殼式換熱器選型設計時，不注意流體流速和壓降的選取，給學生造成誤解，以為流速大小無關緊要，壓力降大小只要不大于給定的允許值即可，至于其它可不予考慮。比如有這樣一道例題：欲用井水將15000 kg/h的煤油從140℃冷卻到40℃，冷水進出口溫度分別為30℃和40℃。若要求換熱器的管程和殼程壓降不大于30 kPa，試選擇合適型號的列管式換熱器。假設管壁熱阻和熱損失可以忽略[1]。定性溫度下流體物性于表1。

            
    本題通過計算求得：管程流速ui=0.704 m/s管程壓力降∑?pi=9.35 kPa＜30 kPa，殼程流速u0=0.26 m/s，殼程壓力降∑?pi=5.93 kPa＜30 kPa。
    由計算結果來看，無論是管程流速，還是殼程流速都明顯偏小，同時壓力降也未充分利用，管程壓力降用了30%，殼程壓力降僅利用了15%。設計計算結果是否合適，所選換熱器是否經濟，討論如下。
    1·關于流速的分析
    換熱器的傳熱面積與管、殼程流速聯系密切，流速增大，流體湍流程度增大，管程側對流傳熱系數增大(管程側對流傳熱系數αi與ui0.8成正比)，殼程側對流傳熱系數亦增大(殼程側對流傳熱系數αo與uo0.55成正比)；流速增大，還可減少污垢在管子表面沉積的可能，管壁內、外側表面上的污垢熱阻Rsi、Rs0減小，從而使換熱器總傳熱系數K值增大，換熱面積減小，設備投資減少；但同時流體阻力增大，壓力降增大，動力消耗增大，操作費用增大。由此可見，流速和壓降密切相關，ｕ和Δｐ是換熱器設計的兩個重要參數。
    例如，蘭州煉油廠常減壓裝置有一臺換熱器，原來常一線走殼程，原油走管程，總傳熱系數K=60 W/(m2·℃)，換熱效果不好；將原油改走殼程，常一線改走管程，其它條件不變，由于流速增加，總傳熱系數K=192 W/(m2·℃)，K值提高了2倍多。由此可見，流速對換熱效果的影響多么顯著[2]。
    對于換熱器的管、殼程流速許多資料都有規定，其中《冷換設備工藝計算》[3]規定：循環水在鋼管中的適宜流速為1.8~2.4m/s，殼程液體流速約為管程的一半。有人認為，絕大多數情況下，殼程流速應是0.9~1.52 m/s，對在此范圍以外時，應持懷疑的態度[4]。因此，在不引起沖蝕振動的情況下，流速應盡量高些。

            
    2·關于壓力降的分析
    流速ｕ增大，會引起壓力降Δｐ的增加，因此不能認為流速越大越好，還應考慮壓力降的大小。如何協調好二者的關系是一個難點。一般根據關聯式得到的壓力降往往偏大[5]。流體在換熱器內的流動狀況比較復雜，Tinker將殼側流動劃分成5個基本流股A、B、C、E、F(見圖1)。

    A流，一些流體通過管子與隔板之間的間隙流過，也稱為漏流。B流，指任意兩個擋板之間掠過管束的流動。這股流體與理論分析流體流過管束的狀態最為接近。設計的主要任務是在允許壓降范圍內盡量增加B流的比例，這股流體又稱為錯流。C流，一部分流體會從殼體與外層管之間流過，因為它們不通過管束，所以稱為旁路流。這部分流體在固定管板和U形管束換熱器中是很小的。但對于浮動管箱設計來說，由于間隙大，這部分流體量也很大。為減少這種旁路流，一般采用密封帶或虛設管子的辦法。E流，與A流相似，由于在隔板與殼側內徑之間存在間隙，所以隔板外徑與殼體內徑之間有漏流。F流，當管束分為幾部分時，分程隔板與管子之間的漏流。
    對于熱量傳遞，橫越管束的B流效果最好，A流接近于B流，這是由于它也能有效地與管子接觸，C流和F流僅僅部分地與管子接觸，而E流則完全不與管子接觸。因此它們對換熱的影響排列為B>A>(C、F)>E，所以，在制造和設計換熱器時，應該努力增加B流而減少E和C、F流[5]。
    從流體流動特性上講，橫向流動B流的壓降，起著其它流動驅動力的作用，迫使部分液流穿過盲板泄漏和旁路間隙短路。典型的管殼式換熱器殼側總壓降，是相應的沒有折流板泄漏，管束旁路影響換熱器壓降計算值的20%~30%，因而壓力降計算值往往高出實際值很多，這正是早期大多數換熱器設計嚴重失敗之所在。由于不知道泄漏和旁路會給壓降造成很大的影響，有些計算將殼側壓降高估了一倍，甚至9倍也不罕見[5]。
    目前，還沒有通過折流板窗口繞流的壓力降精確計算方法，有些公式，如kern法計算壓降時，沒有考慮旁路和泄漏面積的影響，計算公式較簡單，但壓降偏于安全(通常高于100%)。
    由于設計計算所用關聯式，使壓力降普遍偏高，即壓力降計算余量較大，導致實際殼程流速ｕ0顯著小于計算值，殼程對流傳熱系數α0較小，從而使換熱器總傳熱系數K值較小。鑒于此，應充分利用設計要求的允許壓力降ΔP允，即使相等也仍然存在較大的富裕量，這或許正是壓力降計算值與允許值之間沒有安全系數的原因。設計換熱器時，如果計算值與規定值相差較大，就應持懷疑態度，對設計做進一步的改進。
    3·工程設計中壓力降的應用
    工程設計中，應首先確定換熱器壓力降，然后據此確定上游設備的壓力或負荷。對于泵輸送的流體介質，由于泵規格之間級差很大，所選泵的揚程常有富裕，但裕度不能太大，太大會使泵所做的一部分功白白地消耗在調節閥等阻力元件上。根據離心泵特性曲線，應使泵在高效區工作。因此，換熱器壓力降選用與泵選型相結合，充分利用泵所做的功，提高換熱器流體速度，從而升高K值，是非常合理有效的方法。
    有時，依靠兩設備間的壓力差作為流體流經換熱器的動力。對于這種情況，可根據經驗選取換熱器的合理壓降，考慮一定的安全系數后確定上游設備與換熱器的壓力差[3]。
    4·結語
    (1)目前《化工原理》課程設計中，先初選換熱器型號，確定其結構尺寸，然后求出u、Δｐ，只要Δｐ＜Δｐ允即可，而不計二者相差很大，不考慮Δｐ允的利用率是不合理的，應引起注意。同時換熱器的管、殼程流速應在合理的流速范圍內。
    (2)《化工原理》課程設計題目，要么不要明確給出Δｐ允值，由學生根據標準規范自己決定，然后根據如下步驟：Δｐ→ｕ→估計K值，初選型號→校核K值→確定型號；要么給定Δｐ值，據此計算的傳熱面積可能與標準型號偏差較大，可鼓勵學生進行非標設計，設計出傳熱效率優良的換熱設備。
    總之，通過《化工原理》課程設計，讓學生深刻理解u和Δｐ是換熱器的兩個重要參數。只有選擇合理的流速和壓降，才可能使設計的換熱器既滿足技術指標，又保證經濟適用。
    參考文獻
    [1]姚玉英．化工原理(新版)(上)[M]．天津：天津大學出版社，1999，8：279-281．
    [2]常減壓蒸餾技術座談會專題討論總結[J]．煉油設計，1974(3)：1-34．
    [3]石油化學工業部石油化工規劃設計院編寫．冷換設備工藝計算[M]．北京：石油化學工業出版社，1976，9：3-117．
    [4]N．P里波曼．工藝設計—如何確保操作可靠[M]．北京：化學工業出版社，1991，2：109-117
    [5]EU．施林德爾．換熱器設計手冊(第三卷)[M]．北京：機械工業出版社，1998，12：56-97．
    (本文文獻格式：呂江平，李薇，王曉萍，等．管殼式換熱器課程設計應重視流速和壓力降的選取[J]．廣東化工，2011，38(9)：178-179)