如何设计最有效率的壳管式热交换机.docx

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如何设计最有效率的壳管式热交换机

如何设计最有效率的壳管式热交换机

为了最大程度的利用交换机设计软件，设计师必须了解壳管式热交换机的分类，零件构成，管道布置，阻力，压力下降以及平均温差的相关知识。

壳管式热交换机的设计是由极其复杂的电脑软件完成的。

尽管如此，人们还是需要好好地理解热交换机的构造才能对相关软件驾轻就熟。

这篇文章将介绍热交换机的基本构造，包括：

热交换机构成；按构造和服务功能分类热交换机；热学设计需要的数据；管道设计；包括管道布置，阻力设计以及壳边压力下降等具体项目的壳体设计；还有就是平均温差。

管壁还有壳壁的热交换基础公式已经众所周知了，我们在此主要着重于研究如何最好的协调这些因素的相互关系以设计出最实用的热交换机。

以后将要发布的文章中我们还计划讨论壳管式热交换机设计中的一些高级内容比如壳管壁液体分流，多层壳应用，超安全标准设计以及污垢处理。

壳管式热交换机的构造

设计者熟悉壳管式热交换机的特点在整个设计过程中是至关重要的，壳管式热交换机主要构成部分是：

壳

壳罩

管

通道

通道罩

管道片

阻隔物

喷嘴

其他构成部分包括转向横拉杆，逆电流器，隔离板，冲击板，纵向挡板，隔离带，配件以及其他基础设备。

管式热交换机制造协会的相关标准对这些零件都有极其详细的描述。

壳管式热交换机被分为三部分：

前头，壳身和后头。

图1是相应部分的术语。

壳管式热交换机按构造分类：

固定管片。

如图2所示，每个固定管片式交换机都是把直管牢牢焊在壳上。

这种设计的主要优势就是它的简单以及低成本，事实上，只要没有扩展设备，固定管片式交换机就是所有设计方式中最廉价的一种。

其他的优势比如，在管道罩去除后管道可以由机器清洁。

还因为没有凸缘结合处，壳边液体物质的渗漏可以达到最小化。

这种设计的不足之处在于管道固定在壳体上并不能移除，管道外部不能自动清理。

因此，这种设计应用尽局限于可以清洗壳壁的情况下。

但是，如果有适宜的化学清洗方式可用，这种固定管片的设计就是可用的。

当壳与管的温差较大时，管片将无法吸收不同的压力，所以就需要引入补偿器设计。

但是这样做的话，这种设计的廉价优势就不复存在了。

U形管。

如名字所示，这是种字母U形状的弯管型热交换器，这种设计只有一个管片。

但是，更少管片所节约的成本却被弯曲的管道导致的更大壳直径所抵消了，这种设计跟刚才提到的固定管片式热交换机成本基本持平。

U形管热交换机的优势在于解放了机器的一端，这样管道束就可以随着压力差自由扩张或者收缩，管道外壁可以清洁，管道束可以移除。

这种设计的缺点在于管道内部难以清洁，需要柔韧的钻头式清洁机器才可以完成。

所以当交换机内部使用浑浊液体时，不应采用这种设计。

浮头式。

浮头式热交换机是一款通用的热交换机，同时也是最为昂贵的。

这种设计中，一端管片固定在壳壁上，另一端在壳内自由浮动。

这种设计容许了管束的自由扩张，同时方便清洗管的内外壁。

因此，浮头热交换机可以在壳内液体浑浊的情况下使用，比如用于原油精炼设备。

浮头热交换机也分很多种，最常见的是拖拉式（TEMAT）设计和有辅助设计的拖拉式（TEMAS）浮头热交换机。

TEMAS设计详见图4，这种设计最经常被化学制品工厂采用。

要拆除这种交换机，必须先把外壳去除，然后解除后开口环，接下来是浮头盖，这样管束就可以从固定端解除下来。

TEMAT构造如图5所示，由于壳的直径大于浮动头的直径，整个管束，包括浮动头都可以从固定端上解除下来。

浮动盖紧紧旋在浮动管片上，这样子就不需要添加开口环了。

这种设计的优点是，管束可以在不移除壳或者浮动头的前提下自由拆卸，这样就大大缩短了维护时间。

这种设计特别适用于U形管所不适用的锅形再沸器。

由于壳体的庞大，这种设计是所有设计中成本最高的。

有两种浮动头结构的包装，外包装填料函（TEMAP）以及外包装套环（TEMAW）（见图1）。

但由于这种设计比较容易导致溶液泄露，所应用的领域应该都不涉及危险或者有度液体。

按维护分类

基本上，维护都是单向单阶段的（比如冷却或者加热）或者双阶段（冷凝或者蒸发）。

由于壳管式热交换机有两面，这就导致了维护的不同组合方式。

总体而言维护可以按以下方式分类：

单向式（壳壁与管壁）

冷凝式（单向冷凝）

蒸发式（单向蒸发）

冷凝/蒸发式（一端冷凝另一端蒸发）

以下的术语使用频率较高：

热交换机（双端都是单向的并且产生工业液体）

冷却剂：

一部分用来处理流体，另一部分用来冷却水或者空气

冷凝器：

一部分来冷凝工业液体，另一部分用来冷却水或者空气

冷却器：

一部分在亚大气温度环境下冷凝液体，另一部分处理工业流体

再沸器：

一部分底端的液体进入分裂蒸馏塔另一部分用来加热工业流体

此文章会集中讨论热交换机单向应用的情况。

设计数据

在讨论实际热设计之前，相关数据必须由有效的一方认可，接下来才可用于实际设计中：

1.冷流与热流的液体流动比率

2.进口以及出口的温度

3.液体的操作压力。

在气体密度没有提供的前提下必须提交液体操作压力相关数据

4.液体可以承受的压力下降数值。

这个数据在热交换机设计的时候至关重要。

通常讲，对液体来说，壳内容许的液体密度为0.5-0.7kg/cm2。

粘性液体在管内的情况下可以容许更大范围的压力下降。

而就气体而言，可以接受的范围就是0.05-0.2kg/cm2，其中以0.1kg/cm2较为典型。

5.流体的污垢热阻。

如果此数据没有提供，设计者应该按照TEMA相关标准或者以往经验进行设计。

6.流体的物理属性。

包括粘性，导热性，密度，比值，进口以及出口的温度。

在设计液体的时候，粘性数据必须与进口出口温度一起提供，因为温度将引起的相关数据变化是不可小窥而且巨大的。

7.热度值。

相关数据必须想进并且与壳壁还有管壁数据一致。

8.热交换机的类型。

如果相关数据没有提供，设计课可以根据之前提到的热交换机不同构造方法进行选择。

实际上，设计师比起应用工程师来讲更胜任此工作。

9.管道尺寸。

制得注意的是，为了避免无谓的尺寸修改，管道尺寸跟喷口尺寸最好能相互契合。

但是，一般来说喷嘴的尺寸比起管道尺寸来说更加有据可循，特别在壳体入口处。

因此，喷嘴有时必须保持尺寸大于管道尺寸，而且在小管道的情况下设计更应该遵循这个原则。

10.首选管道尺寸。

管道尺寸应该按照内径*厚度*长度的相关数值来设计。

有些工厂主倾向使用内径*厚度的数值来指导设计，这样设计图上可用的区域就限制了管道的长度。

有些工厂主偏向于三个数据都使用标准值来设计。

11.壳直径最大值。

相关数据是根据是否需要移除管束以及起重机作业能力来限定的。

比如说想U形管设计以及浮动头设计的交换机就需要限定交换机壳的最大直径。

对于固定管道片热交换机来说，唯一限定他们的事制造能力还有能否提供相应的边缘处零件。

因此，浮动头设计的热交换机外径基本会限制在1.4-1.5米之内，管长在6-9米之内。

而固定管片式热交换机的外径可达到3米，其长可至12米还要多。

12.制造材料。

如果制造热交换机的壳和管用的是同样材料的话，其他部件也应当使用同样材料。

这样，设计时所需要确定的就只有壳和管的材料了。

但是如果壳和管使用的是不同材料的话，其他零件制造所使用的材料就需要详细描述以避免含糊。

设计中最主要的部分是壳体还有壳盖，管道，通道还有通道盖，管片以及阻容，管片可以使螺纹的或者镀层的。

13.特别注意。

需要注意的有循环系统，混乱状况，二选一状况还有是中断操作还是选择继续操作。

管壁设计

管壁设计的数据计算往往浅显易懂，因为其作用就是简单的流体通过。

传热系数与压力下降的程度都跟管子转速息息相关，而后者尤甚。

最佳的设计应该不仅能够使压力下降指数在可以接受的范围内，还可以满足热传系数不超过最大值。

假设所有管中的液体都是在全速流动的，这样就会达到一个周转率。

一般情况下这个周转率都会变得非常之低以至于不得不停止管子的转动。

通过在通道内引入隔离板，管道内液体流转的次数就变多了。

因此，在拥有双向通道200根管的热交换机中，液体一次流经100根管，管子的周转率就会达到单向设计的两倍。

传热系数

管壁的传热系数是设计雷诺兹系数，帕氏系数还有管直径的基础。

相关系数由以下几组基本参数组成：

物理道具，管直径还有最重要的质量速度。

液体粘性变化也是非常值得注意的数据，因为这个物理特性对传热系数的影响非常大。

公式….

这些事实体现了热交换机的一般特性。

热传导率越高，热传导系数就越高。

因此，冷却水具备了最具代表性的6000卡热传导系数；其次是碳氢化合液体，约250-1300卡；然后是碳氢化合气体，50-500卡。

氢气是种非同寻常的气体，因为它拥有异常高的热传导性。

它的热传导系数是接近碳氢化合物的热传导系数上限的。

碳氢化合液的热传导系数范围随着它的粘性变化会发生非常明显的变化。

碳氢化合气的热传导系数是随着操作压力的变化而变化的。

操作压力升高，气体密度也就增大。

压力下降与周转率成正比，与气体密度成反比。

这样，同样的压力下降，在气体密度较高的情况下，质量速度就可以保持不变。

这种质量速度可以转化为更高的热传导率。

压力下降

质量速度强烈影响着热传导率。

当管内液体流动猛烈时，管壁的热传导率变为其质量速度的0.8，而管内压力下降值为其质量速度的平方值。

因此随着质量速度的提高，压力下降数值会比热传导率变化的快得多。

这样就产生了个最合适的质量速度，任何超过这个数值的质量速度都会造成不必要的浪费。

此外，极高的周转率会导致腐蚀。

但是，压力下降的数值往往在其会引起腐蚀之前就能变得可控。

压力下降数值跟周转率平方以及管道总长成正比。

因此如果管道量按一定数值增加并且已知液体流动速率，压力下降数值就可以计算。

管壁压力下降数值变化随着管道数量的增加或者减少急剧变化。

如果设计师遇到必须采用标准管的设计情况，可能在设计的时候就要采用较低的周转率。

但是如果管直径还有长度可以变化，压力下降因素还有更高的周转率等就可以更好的利用到设计之中。

认识到总压力下降值是必须满足的，这一点非常重要。

不同类型热交换机利用不同方式的压力下降分配可以达到最佳的传热效果。

例子1：

管壁设计最优化

粘性液体阶梯计算

在管壁粘性液体变化值明确时，单一的管壁热传导系数还有压力下降值计算都可以得到准确的结果。

这个数据在液体流动量大并且存在层流现象时尤为准确。

在这样的环境下，就需要分层计算或者分区计算。

例子2，逐步计算

精炼厂的罐型锅炉的主要工作参数见表3。

真空瓦斯油的粘性从入口的1.6到出口的6.36间变化。

有一种设计不需要进行逐步计算，就是在温度恒定并且相关物理性质不发生变化的情况下。

这种设计的细节参数见表4.

壳体设计

壳体设计要考虑的因素远复杂与管体设计。

这大概是因为壳壁上不只有单向液体流动，还会有交叉液体流动，并伴随4处渗漏或者是回流。

壳体中液体流动导向会随着管道还有阻容的布置发生变化，这些因素结合在一起才决定了壳体设计的特点。

壳体构造

TEMA定义了在壳内不同液体流向情况下的壳程，具体情况如E,F,G,H,J,K还有X（见表1）。

在TEMAE单向壳设计中，液体从壳体一端进入，另一端流出。

这是最常见的壳体设计形式，这种设计的热交换机比其他方式设计的都要多。

TEMAF双向壳设计中引入了纵向挡板，这样就把壳体分成了两部分。

液体从一端进入壳体，然后在半边循环，之后导入另外半边再循环，最后从另一端的出口流出。

纵向挡板的高度正好短于管片，这样液体就能在壳体的半边循环完毕之后顺利流入壳的另外半边。

F型壳体设计适用于温度交叉情况，也就是说冷却液流出的温度高于出口处热液体温度的情况。

如果双向壳设计交换机只有两管道，这种情况就可以通过逆向排列来达到很大的温度交叉效果。

TEMAJ型壳是种分流壳体设计，液体进入壳体中心后一股向左运动，另一股向右，然后同时流出壳体再并成一股液体。

这就是所谓的J1-2型壳。

TEMAG型壳是种分裂液体型设计（见表1）。

这种设计常见于水平热虹吸再沸器。

这种设计只有一块中撑板并且没有阻容。

G型壳不能用于管长大于3米的热交换机设计因为会超过TEMA所限定的无支撑管长最大限度—通常是1.5米。

当需要用到更长的管体时，TEMAH型（见表1）就派上用场了。

H型基本是两个G型壳体并列组合，这样这种设计就具备了两块全支撑板。

这种设计通常被描述为双倍分流构造，因为液体会分流并流两次。

这种设计也广泛应用于水平热虹吸再沸器，G型以及H型壳体设计的优点是压力下降减低了很多，并且没有交叉阻容。