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摘要：作为一种传统的标准换热设备，管壳式换热器在能源、石油、化工等很多工业部门中被大量使用，应用十分广泛，并占有一定的主导地位。随着工业化的不断发展和进步，工业装置也逐渐向大型化和高效率化发展，使得换热器的发展也不断的大型化，这就对大型换热器的产品质量、系统的经济性、能量利用效率等工艺设计方面的要求越来越严格。本研究主要从管壳式换热器工艺设计的原理入手，重点分析了管壳式换热器的工艺设计、设计中应注意的问题以及设计原理与方法研究。
关键词：管壳式换热器；工艺设计；注意事项；研究进展
管壳式换热器就是指以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器，也叫做列管式换热器。该换热器具有操作可靠、结构简单、清洗方便、生产成本较低、易于制造、选材范围广、适应性强、能适应高温高压等特点，是现阶段在能源、石油、化工等很多工业部门中应用最广的换热器类型。本研究从管壳式换热器工艺设计的原理入手，重点分析了管壳式换热器的工艺设计、设计中应注意的问题以及设计原理与方法研究。
1 管壳式换热器的基本概
1.1 管壳式换热器的概念
管壳式换热器是一种在轻工、化工、石油、能源、制药等工业生产中广泛运用的，以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器，又叫做列管式换热器。这种管壳式换热器结构简单由壳体、管板、传热管束、折流板以及管箱等部件组成。管壳式换热器操作方便、可靠、适合在高压及高温下使用，是目前应用最广的一种换热器类型。
1.2 管壳式换热器的工作原理
管壳式换热器的工作原理是通过换热器来完成液体汽化成蒸汽或者蒸汽冷凝成液体、低温流体加热或者高温流体冷却等过程中间的热量传递，管壳式换热器的壳体以圆筒形为主，内部装有管束，并且其两端固定在管板上，分为两种换热流体：一种是管程流体，是指流体在管内流动；一种是壳程流体，是指流体在管外流动。与此同时，壳体内通常装有若干挡板，不仅可以使流体按规定路程多次横向通过管束，还能提高壳程流体速度，增强流体湍流程度，提高管外流体的传热分系数。管板上的散热管通常分为等边三角形或正方形两种排列方式，前者排列方式使得散热管之间彼此排列紧凑，进而增大了管外流体湍动程度和传热分系数。而正方形排列方式则主要适用于易结垢的流体，是以方便清洗为主。
2 管壳换热器的工艺设计
随着科学技术的不断快速发展，以及我国经济的迅速发展，越来越多的新工艺、新材料、新结构的各种不同型式不同种类的换热器逐渐涌现出来，以满足在能源、石油、化工等很多工业部门中的应用。
现阶段，我国已经建立相关种类的换热器标准，建立并完善了换热器在设计或选型时应满足合理地实现所规定的工艺条件，使得现有的管壳式换热器的设计技术更具科学性，在结构上安全可靠，在操作上也是便于操作、维修和安装，并且在价钱上也符合基本要求，能够得到广泛的应用。
首先，管壳式换热器一端的管板在壳体内是可以自由浮动的，而另一端管板则是与壳体固定的，能够确保在两种介质的温差较大时，管束和壳体之间不存在温差应力。
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其次，管壳式换热器的浮头端能更易于管束插入或抽出壳体，被设计为可拆结构，这种设计不仅能够保证管束能在设备内自由移动，还能确保浮头部分在进行安装、清洗以及检修的时候更加的方便。
3 管壳换热器设计中需要注意的问题
3.1 存在钢板、钢管负偏差问题
一般情况下，管壳换热器设计中经常存在钢板、钢管负偏差问题，必须要给予足够的重视，一旦存在这种负偏差的问题，就很容易导致管壳换热器开孔补强不足。钢管负偏差问题主要分为两大类：首先，管壳换热器设计中管束存在级别问题，这会对管板和折流板管孔之间的公差精度产生一定影响。其次，换热管的材质的不同也会对管孔公差产生一定影响，在一定程度上会影响到管壳换热器的开孔补强效果。只有在钢材的厚度负偏差小于0.25mm，且不超过实际厚度的6%时，钢材厚度的负偏差值才可以省略不计。
3.2 划类、程数问题
受我国国内配件实际配套能力较低的影响，现阶段存在的对于工艺性能的结构要求远远不能满足工艺要求。在进行管壳换热器压力腔管理过程中，没有严格按照每个压力腔各自的类别而分别提出设计要求和制造技术要求，在进行压力腔类别划定时，没有严格按照压力腔的设计压力以及压力腔的几何容积进行取值，使得管壳换热器在划类、管程分程方面存在很大的问题。
3.3 热处理问题
首先，在管壳换热器的浮头盖以及管箱的热处理方面存在问题，没有对低合金钢或者碳钢制的焊有分程隔板的浮头盖、管箱和管箱的侧向开孔超过1/3圆筒内径的管箱进行热处理工作。其次，冷轧的强化换热管缺少必要的热处理工作，因此不能提高钢管的耐应力腐蚀。最后，黄铜等有色金属冷轧的强化换热管同样缺少必要的热处理工作。
3.4 标准未明确的几个问题
管壳换热器设计中尚存很多标准未明确的问题。首先，现阶段存在的垫片设计标准中给出的常用的垫片性能，只是简单的提供了几种新材料的垫片系数以及比压力数值以供参考，不能完全满足实际的垫片设计要求。其次，现存的A型和B 型两种钩圈各自存在优缺点，没有严格的使用设计标准。最后，就是在设计压力较高的情况下，标准中要求的换热器中的浮头法兰和钩圈外径已经不能满足螺柱直径的不断增大的需求。
4 管壳换热器的设计原理与方法研究
4.1 Kern法
在Colburn2Donohue法的基础上，Kern 同时将传热温度分布、壳程2管程流动、 污垢及结构等问题作为一个设计整体来处理，这种设计对于管壳式换热器研发很有价值，也被称之为Kern法。
4.2 Bell2Delaware法
在Colburn 等完成的 Delaware 研究计划成果的基础上，1963 年Bell 利用大量实验数据对传热、流动与结构综合效应进行了考虑，提出 Bell2Delaware 法。但这种改进管壳式换热器壳程的工艺设计适用范围存在一定限制。
4.3 流路分析法
由于Bell2Delaware 法存在一定的局限性，美国传热研究公司提出了具有独创性的流路分析法。并在1984年被Wills和Johnson简化，这是一种依赖各种流路阻力系数的经验公式，使用非常方便。
4.4 基于计算流体动力学的设计法
随着计算机科学技术的快速发展，研究者通过建立换热器的计算机辅助设计系统，使得管壳式换热器设计过程更为简单，并在此基础上进行了换热器的三维流动和传热行为数值模拟工作，从根本上解决管壳式换热器的设计和放大问题。
参考文献：
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[2]翟向辉，李楠.浅析管壳式换热器的工艺设计.水能经济，2016(5).
[3]卜忠伟.浅论管壳式换热器工艺设计.化学工程与装备，2010(11).
[4]井宝丰.浅谈管壳式换热器工艺设计中的几个问题.科技与企业，?2015(22).
论文作者:杨家伟
论文发表刊物:《科技中国》2017年3期
论文发表时间:2017/5/31
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