_管壳式换热器热工选型计算

_管壳式换热器热工选型计算

2019年第1期 2019年1月化学工程与装备

Chemical Engineering & Equipment

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管壳式换热器热工选型计算

陈亮

（兰州兰石重型装备股份有限公司技术研发中心，甘肃兰州 730000）

摘要：本文探讨了运用HTRI软件进行管壳式换热器热工选型计算的一般步骤要求，提出了对设计过程中常见问题的解决方案，可以为此类换热器的设计选型提供参考。关键词：管壳式换热器；热工设计；HTRI；选型计算引言

管壳式换热器是石油、化工、动力和原子能等行业中应用最广泛的间壁式传热型换热器，其既可是一种单元设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的换热器，适用范围从真空到超高压（超过100MPa），从低温到高温（超过1100℃），其作为化工生产中重要的单元设备，约占市场多于65%的份额，因此对于工程设计人员来说，管壳式换热器的设计计算十分重要。

现结合某国内项目氨蒸发器的选型计算，介绍利用HTRI选型计算的基本要素及注意事项。 1 计算步骤

设计时先选择Design mode 输入基本数据以确定初步方案，继而选择Simulation及Rating mode，并调整壳体和换热管的直径、折流板数、折流板间距、换热管数目、折流板切口等参数详细计算以符合设计要求。 1.1 输入数据及运行Design mode

运用HTRI软件进行管壳式换热器的选型设计，首先需要完成数据的输入，输入数据主要分为传热数据和机械数据两部分，在Input summary 模块下的Geometry、Piping、Process、Hot Fluid Properties、Cold Fluid Properties、Design和Control，需要输入数值的地方都以红框显示，软件默认值及单位显示在窗口上，如下图1所示：

图1 HTRI数据输入界面

1.2 运行Rating mode

根据软件在Design mode中计算出的壳径，换热管规格大小、排列角度，折流板的切割方式等基本信息，选择运行Rating mode 模式和Simulation mode模式，在Input

summary页面调整换热器的规格，使得管程压降和壳程压降都满足允许压降，传热系数大，保证传热效率高，实际传热Actual U大于要求传热Required U,调整到合适的换热面积裕量，选择较大的有效温差值，如下图2所示：

102 陈亮：管壳式换热器热工选型计算

图2 计算数据输出数据表

1.3 调整、优化选型结果

模拟完成后，查看运行程序结果Program Messages，软件将给出计算的相应提示，可能显示为Fatal、warning 、Informative Messages的全部或部分信息，一般是关于振动（vibration）的问题较常见，可以再重新点击到输入栏（Input）中进行相应的设置，再次运行软件直至计算结果满足要求。

2 计算过程中常见的问题及其解决方法 2.1 速过高的调节措施

（1）适当放大设备壳径

（2）在不会降低壳侧传热系数的范围下适当增大支承板间距

（3）不会明显影响管程流速和压降的前提下适当减少换热管数

2.2 振动Vibration以及流体诱发振动FIV 2.2.1 减小振动措施

（1）减小无支承管跨

（2）在可调范围内调整折流板间距

（3）对于单弓形折流板，采用弓形区不布管（Segmental NTIW）

2.2.2 FIV最容易出现的区段

（1）管束中两块折流板间距最大的无支承的中间跨度（2）U形换热管束的U形弯处

（3）管束旁流和管程分程隔板流道内的管子处

（4）壳程进口管口下的换热管处（5）管束周边在弓形折流板口区的管子

改变换热管的材质后有可能使原来没有的FIV问题产生，这样就需要比原设计增加支承板去避免FIV。 2.2.3 预防FIV的一些措施

（1）减小无支承管跨（2）设置管束U形弯头支承

（3）设置密封板或密封条以增加流阻，限制在临界截面处的流动

（4）在壳程进口设置防冲挡板，或者增大壳径（5）采用双弓形折流板

（6）避免折流缺口不要过大或过小，以免流速分布不均或者局部高流速诱发振动

（7）如果可以改变壳体型式，将E型改为X或者J型（8）增加管口与管束之间的距离，添加环形分配器，即在Input summary界面下选择Distributors→Annular distributor，且输入其相关的三维参数。 2.3 总传热系数即裕量不足的调节措施

（1）增加管数，即用增大传热面积来弥补传热系数的不足

（2）减少管数，即提高管侧流速以提高膜传热系数 2.4 关于Clearance的相关问题流经管束的壳侧流体被HTRI程式分为5个部分（A、B、C、E、F），如下图3所示：陈亮：管壳式换热器热工选型计算 103

图3 换热器流路分析图

Tube-to- baffle:为管子与折流板管孔的间隙，称为A流；

Baffle-to-shell:折流板到壳体的间隙，称为E流； Bundle-to-shell:管束到壳体的间隙，称为C流； Pass partition:管程分程隔板处的中间穿流流路称为F流；

对传热最有利的为Main Cross flow称为B流，我们理想的情况是尽可能的保证B流大，传热利用最好；

如果E流的间隙大于30mm,通常加密封条；

如果壳侧进口或者出口流速过大，增大Height under Nozzles，如下图4所示：

图4 模拟计算中Clearance的调节界面

在HTRI软件输入界面中Clearance选项下，Diametral Clearance的输入项可以由软件根据TEMA标准默认间距值输入，也可以手动输入。TEMA对于上述间隙的计算与GB151略有差别，但相差不大。 2.5 壳侧压降太大的调节方法：

（1）稍微调大折流板间距spacing （2）改变折流板的形式

（3）改变管子的排列方式和间距Pitch

（4）调整折流板切口Cut （5）改变壳体形式 3 一些选值时的经验

3.1 换热器软件计算的裕量Overdesign

对于single phase overdesign:0-5%；对于two phase overdesign:5%-10%；

如果overdesign ＜0,则此值无效，必须调整结构重新模拟计算；

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