箱型管壳式换热器的结构创新与应用

赵宏伟，于海燕，张承虎

(1.山东北辰机电设备股份有限公司，山东 济南 250000;2.济南市质量技术监督局，山东 济南 250000; 3.哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨 150001)

1 多流程纯逆流管壳式换热器的应用

多流程纯逆流管壳式换热器主要应用于低温差换热，管侧流体较脏，需要较长的纯逆流流程的换热场合。例如:

(1)应用于水源热泵系统的换热设备，它主要通过各类水源介质(水质较差)与热泵的中介水(水质较好)间换热提取热量达到制冷和供热的目的，其特点是:平均传热温差一般只有2～3℃，温升一般有5～10℃，满足换热要求的管壳式换热器一般需要约25～40 m左右的纯逆流换热长度。

(2)用于隔压供热站的水/水换热设备，一次高温水(一般为锅炉水或由首站加热的高温水)与二次高温水间换热，其特点是平均传热温差一般只有10℃左右，温升一般也只有30℃左右，需要约30 m左右的纯逆流换热长度。

上述这类换热器如果采用板式换热器，由于水质差经常发生阻塞而使其应用受到限制。因此管壳式换热器是更好地选择。采用管壳式换热器，为了实现较长的纯逆流换热长度，有两种解决办法:

(1)采用传统管壳式换热器，多台串联的结构形式来满足要求。该种方式简单可行，但是存在设备数量多、占地空间大、换热效果较差、流体阻力大、壳侧进口处布管需留出足够的流通面积防止流速过高冲坏管束，设备成本高等诸多不足。

(2)采用单台多流程、纯逆流的管壳式结构设计。实现管程与壳程的流程数均可达到6流程或以上，同时实现管程与壳程流体的纯逆流换热。

目前，传统管壳式换热器的结构形式很难进行多流程、纯逆流结构设计。特别是管侧的多流程设计需要解决流量均匀分配难题;壳侧的多流程设计需要解决制造、安装等方面的难题，以及控制加工生产的成本。为此用单台传统的固定管板的管壳式换热器满足低温差无相变液体间的换热一直没有合适的换热设备。

2 传统管式与板式换热器的结构特性及换热效果分析

现有的换热设备主要分两大类:一类是管壳式换热器，另一类是板式换热器。

板式换热器的结构体积虽小，但因板间空隙较小，对水的清洁度要求较高，否则，水中杂质极易堵塞板片，发生堵塞后不易疏通，并且板式换热器的耐温耐压性能较差，制造工艺复杂;而且板式换热器的运行阻力也较大，使用寿命也较短。因此，对于水质差的板式换热器目前应用范围较小。从常规意义上讲，板式的传热效果要优于管式的传热效果，但也不可一概而论。关键在于结构设计以及适应性是否合理合适，只有适合的才是最好的。如果板式采用宽流道其流通截面与管式相当其换热效果与管式的也相差不多。

管壳式换热器因其结构复杂导致体积庞大，需要占用较大空间，并且使用材料较多，使制造成本相对较高。

同样是水/水换热，管壳式换热器与板式换热器中影响换热的主要因素是水在换热管或换热板间的紊流换热效果。换热管与换热板相比，在相同材料的前提下，影响换热效果的因素主要是材料的厚度，特别是流道的形状，以及形状引起的湍流效果。一般而言，金属材料的导热热阻可以忽略，及材料厚度的影响可以忽略。因此，只要换热管具有好的湍流效果同样可以具有或优于板式的换热效果。

目前应用于低温差水/水换热的板式换热器，如图1所示，为细高形状，使介质尽可能的具有较长流程的板型以满足低温差换热的要求。正如前面所说，如果水质好，采用普通窄流道波形换热板片的换热器换热效果肯定优于管壳式换热器，是适合的。但由于目前无论是热泵系统的中间换热器所采用的水源，还是热网系统的循环水的水质都较差，所以采用板式换热器就受到极大的限制。原因就是水中杂质极易堵塞板片，发生堵塞后疏通非常不便。并且板式换热器的耐温耐压性能较差，在需要耐温承压场合就不太合适，例如隔压站系统的热网循环水侧的压力对于板式换热器而言就过高。

图1 可拆板式换热器

目前应用于低温差水/水换热的传统管壳式换热器主要为固定管板式换热器，如图2所示，结构形式为:采用两端管板、换热管为直管，换热管两端分别与两端的管板焊接加胀接连接，多台重叠式串联组成。由于温差小，运行时一般无需考虑热膨胀差应力。

3 箱型管壳式换热器的结构创新

为了克服现有的管壳式换热器不容易实现多流程的不足，本文介绍了一种新型的箱型管壳式换热器，该管壳式换热器不仅可以实现多流程纯逆流的设计，而且能提高低温差无相变液体间的换热效果。它综合了管式和板式换热器的特点，具有高效的换热效果和广泛适用性，能够最大限度的满足热网加热器的安全与高效使用。

该种箱型管壳式换热器，见图3和图4，其主要结构部件与传统管壳式换热器相一致，仍然由管箱、管板、换热管、壳体等组成。较脏的水走管程的换热管内，以便于清洗维护，洁净的水走壳程。只不过在结构形式上进行了较大的改进，具体如下:

(1)采用矩形的管板形状;

(2)采用正方形的布管形式;

(3)采用矩形的壳体与矩形管板的焊接的管箱;

(4)采用折流杆的管束支撑形式;

(5)壳侧采用扩口式的异形进出口结构和多孔板式的防冲形式。

多流程纯逆流管壳式换热器的结构如图3所示。各部件结构形式改进的原理和效果如下:

(1)采用矩形的管板形状和正方形的布管形式，使单位体积上的布管数最大化，设备的结构更加简洁;壳程的分程均匀，布管均匀，流量分配均匀，无死水滞留区;简单地实现了多流程的纯逆流设计，具有换热效果好，可实现低温差换热。

(2)采用了矩形管板的箱形结构和正方形的布管方式，使单位面积上的布管数最大化，设备的结构更加简洁，壳程的分程均匀、占地面积最小化。

(3)壳侧采用折流杆式的管束支撑结构，一方面对管束进行了均匀的支撑，另一方面真正实现了壳侧流体与管侧流体的纵向纯逆流换热，并强化了管束的扰流换热效果，换热效果好，流体无滞流区，而且流体阻力小。

(4)壳侧截面为矩形，使折流杆的布置更加简单，管间均匀无直流现象发生。

(5)壳侧采用扩口式的半球形进出口结构，增大了进口的流通面积，大大降低了壳侧进出口流速;以及多孔板式的防冲结构，避免了流体在进出口处对管束的直接冲击。

图2 传统固定管板式热网加热器结构图

图3 多流程纯逆流管壳式换热器结构图1－前端管箱;2－管侧分程隔板;3－矩形管板;4－缓冲板;5－壳侧分程隔板;6－箱型壳体;7－后端管箱;8－换热管束

4 箱型管壳式换热器的设计方法与应用

4.1 箱型管壳式换热器的设计要点

(1)根据工质的物性特征，确定换热管、管板、及壳体的材质，及换热管形式并确定那一流体走管侧(洁净的流体走壳侧)。

(2)根据工况参数，两侧流体的流量、进出口温度等，初步确定换热管直径流速(可采用高效换热管强化换热)，计算换热器的传热系数、沿程阻力系数等。

(3)计算换热器的换热面积、换热管总长度、根数、流程数等。

(4)通过调整布管的数量和间距的大小，可以控制管间的流体流速，确定换热管管间距、单管长度、排数与列数等，进而优化确定换热器的结构参数。

图4 换热管束管壳侧纯逆流示意图1－4:折流杆;5:换热管

(5)选择有效的管束支撑形式一般为折流杆的形式，计算确定进出水集箱的尺寸，换热器的接管尺寸、长宽高等结构参数。

(6)对换热器进行强度计算，并优化矩形壳体的尺寸和厚度。

4.2 换热器的设计过程

下面以污水与清水换热为例介绍箱型管壳式换热器的设计过程。

第一步，确定换热器设计的已知条件及限制条件，一般而言如下:

已知条件:换热量Q;污水进出口温度T1、T2;污水流量G;清水流量W，清水进出口温度t1、t2;换热管材料规格(也可设计优选)。

限制条件:两侧流体的阻力小于某一固定值要求，外形尺寸长度或高度小于某一固定值要求。

第二步，箱型管壳式换热器的热工设计:

纵掠换热管束的换热效果好、阻力小，这一点已经得到了大量的实践验证。但传热系数与阻力的具体计算方法研究较少。笔者认为:管间流体的流通形式可以按其流通截面积将其视为一个当量的圆管，再引入一个系数进行修正，这样就可以方便地依照管内的计算方法计算出管间的传热系数与阻力。由于换热管束外纵掠，再加上折流杆的流向干扰作用，可以说管外纵掠的流动截面不规则，紊流掺混更强烈，因此在具有相同流速下管束外的换热效果要优于管内，这些是被广泛认知的。一般管束间具有0.6～0.8倍管内光管流速的情况下，管外将具有与管内相当的换热系数和阻力。

(1)确定换热管的内外直径、排列管间距等基本结构参数。

例如:换热管内径:di;换热管外径:d0;换热管正方形布管管间距:S。

(2)根据平均温度确定两侧流体的热物性参数。

例如:介质导热系数:λ;介质普朗特数:Pr;介质运动粘度:ν;密度:ρ。

(3)依据经济流速和经验，设定换热管内及管束间合适的流速。

(4)根据流速确定单流程的换热管根数。

换热管内介质流速

换热管外介质流速

式中 N——单管程换热管数量/根;

G——管程介质流量/m3·h－1;

W——壳程介质流量/m3·h－1。

(5)计算管束间的当量直径和两侧的对流换热系数。

管间流通截面的当量直径

管内介质雷诺数

管内介质努谢尔特数

管内介质给热系数

管外对流换热系数

(6)考虑管内介质污垢热阻Rt与管外介质污垢热阻Rs，一般可查手册进行估算。(7)计算换热器的总传热系数k。

(8)计算平均传热温差。

式中 T1——污水进口温度/℃;

t1——清水进口温度/℃;

T2——污水出口温度/℃;

t2——清水出口温度/℃。

(9)计算换热面积以及换热管的单流程长度。换热面积

换热管流程长度

(10)分别计算两侧沿程阻力系数。

摩擦系数(紊流时)

(11)计算两侧的阻力损失。

流体直管段压降

流体管间直管段压降

流体回弯处压降

管程总阻力

(12)依据关于流体阻力的大小限制条件，确定第(3)中的流速设定是否合适:如果阻力过大，则调小流速，若阻力过小，则调高流速，并重新计算，满足阻力的限制条件即可。

第三步，确定结构参数:

(1)依据外形限制条件，以及运输安装等条件确定换热管长度l、流程数n(选定)。

(2)依据单程换热管数量N确定单程换热管的排数和列数，其中列数要求壳侧垂直于管束的进水流速宜小于1.5 m/s。

列数m与进口流速ui、管间距S、入口长度L0和流量W存在如下关系

(3)管板的宽度X。

管板的宽度X与列数α、换热管外径d0、管间距S存在如下关系

(4)管板的长度Y。

管板的长度Y与单程换热管排数a、换热管外径d0、管间距S、流程数n存在如下关系

(5)如流程数、排数和列数的确定与尺寸的限定条件有比较大的差距，可以重新调整换热管的排数和列数再进行核算直至满意为止。

(6)对于低温差换热的箱形换热器，因为是纯逆流换热温差较小最大也就10℃左右，换热管与管板采用焊接连接完全可以不必考虑温差应力。

4.3 优化设计的调节措施

希望设备的长度尽量短时，可采取多流程或较小换热管直径以及降低换热管流速的方式。

提高换热效果的方法，可采用高效换热管、纯逆流的换热方式、减小换热管壁厚、采用较小换热管直径、提高换热管内外流体的流速使两侧的给热系数接近。

下图为具体工程的应用设备

图5 某实际工程的水箱形管壳式换热器

5 结论

通过对传统形式的换热器的结构进行创新改进，而发展出来的箱型管壳式换热器，具有如下优点:(1)换热效果好;(2)结构紧凑占地空间小;(3)设备运行阻力小;(4)运行安全可靠使用寿命长; (5)经济性好;(6)便于维护。箱型管壳式换热器满足了低温差无相变流体的多流程纯逆流换热要求。

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