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摘要：文章探讨了管壳式换热器设计过程中管箱、壳体、管束、折流板和防冲板等参数的选择，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提供参考。
关键词：管壳式换热器，管箱，壳体，管束，折流板，防冲板，设计
Parameters Determine in Shell-Tube Heat Exchanger Designing
Zhou Hai-ge*, SUN Ai-jun
(China Textile Industry Engineering Institute, Beijing 100037)
Abstract: Parameters determine of tube box, shell, bundle, baffle and impingement in shell-tube heat exchanger designing is discussed in this article. Propose the solution to ordinary question in designing. It is can be the reference for this type exchanger designing.
Keywords: shell-tube heat exchanger, tube box, shell, bundle, baffle, impingement, design
引 言
管壳式换热器是石化行业中应用最广泛的间壁式传热型换热器，适用范围从真空到超高压（超过100MPa），从低温到高温（超过1100℃），约占市场多于65%的份额[1]，因此对于工程设计人员来说，管壳式换热器的设计十分重要。
管壳式换热器的主要组合部件包括壳体、前端管箱和后端结构（含管束）三部分。管箱、壳体、管束、折流板、防冲板等设计参数决定了换热器的类型、规格及性能特点。
1. 管箱
1.1 前端管箱的选择原则
GB151中分别列出了A、B、C、N、D五种前端管箱型式[2]。这五种前端管箱都是固定的。从其结构上看，B型管箱维护时，需要移去整个前端管箱，比较麻烦，但其造价便宜，适合清洁介质；A、C、N型管箱都可以通过拆除前端管箱的法兰盖进行维护；C型管箱的管板与管箱是集成一体的；N型管箱除管板管箱集成外，还将管板和壳体之间直接焊接，以减少泄漏；D型管箱为特殊高压管箱。
根据前端管箱的结构特点，选择前端管箱时主要考虑的是维护需要、管壳程流体混合的危害以及管程压力等。
1.2 后端管箱的选择原则
GB151中分别列出了L、M、N、P、S、T、U、W八种后端管箱形式。根据它们的结构特点大致可以分为四类[3]，即：
表1 后端管箱形式及特点
根据后端管箱的特点，选择后端管箱时主要考虑热应力、管壳程流体混合的危害、介质泄漏对环境的影响、介质特性、管程压力以及维护要求和成本等。
2. 壳体
GB151中列出了E、Q、F、G、H、I、J、K、O九种壳体型式，比TEMA标准中多了Q、I型和O型。TEMA标准中还有一种X型壳体，共有七种壳体型式。
E型换热器为单壳程换热器；Q型换热器是单进单出的冷凝器壳体，是相对于J型壳体的，适用于小流量蒸汽冷凝的工况；J型壳体为无隔板分流的冷凝器壳体，壳体有两个入口，一个出口或者两个出口，一个入口两种型式，适用于大流量蒸汽冷凝的工况，壳体压降较小；F型为双壳程型壳体，这种壳体型式在实际中很少使用，因为容易引起漏流，且制作和维护困难；G型和H型壳体常用于水平热虹吸管再沸器、冷凝器以及其他有相变的情况，壳侧压降较低，但是换热效果稍差；I型为U型管式换热器壳体；K型壳体常用在壳程大量沸腾的再沸器设计中；O 型为外导流型壳体，适用于壳程进出口接管较大的情况，可以起到导流和防冲挡板的作用；X型为交叉流换热器壳体，壳侧压降最低，常用于真空冷凝的情况。
上述壳体型式中，E型壳体具有最好的传热效率，制造简单，成本低廉，因而是应用最普遍的壳体型式。在选择壳体型式时应优先选用。另外，应综合考虑管壳式换热器的壳体介质状态、壳侧压降和换热器功能、成本等因素选择合适的壳体型式。
在HTRI的输入界面中，需要输入TEMA型壳体构造。TEMA和GB151对相同代号的换热器，其壳体结构形式是一致的，可以根据以上原则选用。
3. 管束
3.1 换热管的选择原则
GB151中给出了不同材质的常用管换热规格和偏差。经过计算，同样的金属材料和壁厚，小管径的换热管可以提供更大的换热面积，管子排布更紧凑，造价更加便宜。以外径分别为25mm和19mm，壁厚为2mm的换热管为例计算，每立方米钢材可以提供的换热面积依次是0.379m2/m3和0.559m2/m3，后者比前者的换热面积增加47.5%。因此在做换热器设计时，应优先选择小外径的换热管。但是当外径小于19mm时，进行机械清理十分困难，只能用化学方法清理。所以易结垢结块的物料不宜采用小外径的换热管，应尽量采用外径25mm及以上的管子。对于有汽液两相流的物流，例如再沸器、锅炉等，多采用32mm的外径。
换热管的壁厚在GB151中给出了一定的范围，对于一般换热器的设计是足够的。换热管的外径也已经相对标准化，国内市场上常用的换热管规格有Ф19×2，Ф25×2，Ф25×2.5mm等。
换热管的长度尽量选用GB151中推荐的1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0、12m长度设计。
3.2 布管形式
GB151中介绍了四种标准的换热管布管方式，即30°、45°、60°和90°四种方式，可统一分为三角形布置和正方形布置。
三角形布管比较紧凑，相对来讲，换热效率较高，压降较大，但是不能用机械的方法清洗，只能用于壳侧介质不易结垢或结垢后采用化学清洗即可的情况。相反，正方形布管可以采用机械方式清洗，能用于壳侧介质易结构的场合，但相邻两管间的净距不宜小于6mm。另外，90°由于是顺排布管，提供了顺畅的通道，对于壳侧介质沸腾型的换热器设计，这种布管方式更加可取。而当壳侧介质比较清洁，对壳侧压降要求不高的情况下，三角形布管方式更加经济。 3.3 换热管的中心距
换热管的中心距，一般的选用范围是1.25～1.5倍管子外径。中心距较小，换热管布置紧凑，换热器造价便宜。但当中心距小于1.25倍外径时，相邻管孔之间的连接带很脆弱，易导致连接点泄漏。中心距较小时，壳程流速较大，壳程的压降也相应的增大。因此需综合考虑，选择合适的换热管中心距。
推荐的不同换热管外径对应的换热管中心距见下表：
表2 换热管与管中心距选择表
3.4 管程分程
管程数由管程流速和压降决定。多管程的实质是把数目较少的长管子和短壳程组合，从而得到管程高流速、高传热的换热器。当管程流速较低，压降要求不高时可以通过增加管程数来提高流速，强化传热。
管程数一般有1、2、4、6、8、10、12七种，奇数程数由于机械制造和热应力的原因不推荐使用，在设计中常采用1、2和4程。对于易堵流体，建议采用较少管程数，一般不超过4程。
4. 折流板
折流板是管壳式换热器设计的一个重要部件。它一方面起到对管束支撑的作用，另一方面可以改变壳程流体的流动方向，使其与管束垂直，改善壳程的传热效果。
常用的折流板形式有弓形和盘环型两种。
弓形折流板也被称为圆缺型折流板。有单弓形、双弓形和三弓形三种，其中单弓形和双弓形是最经常采用的。单弓形和双弓形折流板可以强化壳程的传热，但是压降相对较高。三弓形折流板的压降较小，传热较差。
弓形折流板的缺口高度范围为0.1～0.5倍的圆筒内直径。最常用的值是0.20～0.25。壳程流体在缺口区和错流区应保持相当的流速，在较大的折流板间距情况下，折流板缺口也应较大，有时甚至可取到40%～50%。
GB151中指出，对于单相清洁流体，折流板缺口应水平上下布置；若气体中含有少量液体时，则应在折流板的最低处开通液口（图1）；若液体中含有少量气体，则应在缺口向下的折流板最高处开通气口（图2）；壳程介质为汽液共存的冷凝器、重沸器或者壳程介质为含有固体的液体物料，折流板缺口应左右布置，并在折流板的最低处开通液口（图3）。需要指出的是，在HTRI的界面输入中，折流板的缺口方向选择项垂直或平行，是相对于其与壳程入口的物流方向而言，所以对于卧式换热器，折流板缺口的水平和垂直的定义和GB151中是相反的（图4）。
折流板的间距影响壳程物流的流向和流速，从而影响传热。小的折流板间距易形成多的泄漏量和大的压降。折流板的最小间距必须大于壳体直径的1/5和50mm两者之间的较大值。折流板间距过大，容易引起振动，换热效率也降低。折流板的最大间距不能使相邻的两个管道支撑点的间距大于换热管最大无支持跨距的80%，最大无支撑跨距的值可以参考GB151中的规定。折流板间距最好为壳体直径的30～60%。
HTRI软件的输入界面中，折流板形式选项下有一种NTIW型折流板，实际上它仍然是属于单弓形折流板，只是在折流板的窗口区域不布管。在GB151的防振措施中也提到了这种布管方式。这种布管方式使得所有换热管都受到了折流板的支撑，从而改变了换热管的固有频率，有利于消除管束振动。另外，采用这种布管方式，壳侧流体的阻力降也比普通的单弓形折流板小。但是NTIW型折流板由于窗口区域不布管，直接影响换热器的换热面积。如果操作条件苛刻，设备材质要求较高的情况时会大大增加设备投资。环盘型折流板适用于壳程流量大，且压降小的场合，但是传热效果比弓形折流板差。
5. 防冲板
为了防止在壳体入口处，物流对管束冲击从而引起振动和腐蚀，有时需要设置防冲板。防冲板设置的依据是壳程进口管处流体的动能ρν2(kg/(m·s2))值，当ρν2值满足以下几个条件之一时，即需要设置防冲板。
(1) 非腐蚀、磨蚀性液体，ρν2 > 2230；
(2) 腐蚀、磨蚀性液体及沸点下液体，ρν2 > 740；
(3) 气体、水蒸汽或汽液混合物。
设计防冲板时，如选择板式防冲板，需考虑防冲板与换热器壳体的间隙，保证流体在在间隙处的流速不会过高导致防冲板边缘处管束震动，如果不能消除边缘处管束震动，则应选择rods形式防冲杆以降低管束震动的可能。
6. 其他
由于壳程流路的复杂性，Tiner提出了流路模型，即在换热器的壳体中存在着以下几种流型：
图5 壳侧流体的分布
图中A流为换热管和折流板管孔之间的漏流；B流为横过管束的错流；C流为管束与壳体内壁之间的旁路流；E流为折流板外缘与管壳内壁之间的漏流；F流为由分程隔板引起的旁路流。
在HTRI的计算报告中，列出了几种流型在壳程中所占的比例，反应出壳程的整体流动状况。其中，B流为对换热有效的流型，其值应该尽量大，当B值小于0.4时，HTRI会给出警告信息；C流和F流为旁路流，其值最好不超过0.1，可以通过增加密封装置、改变管子排布方式和折流板圆缺位置等方式减小旁路流；GB151中给出了不同管道材质和外径的换热管折流板管孔直径的大小，A值即体现了折流板管孔和换热管之间的漏流，它是由折流板两侧的压差造成的，是一种对换热有效的流动；GB151中给出了不同公称直径换热器的折流板及支持板的外直径，E值即体现了折流板外缘与壳程内壁之间的漏流，E值较大时会造成温度剖面不再均匀，当E值超出15%时，考虑用双弓形折流板来代替单弓形折流板。
在HTRI软件输入界面中，clearance选项下，Diametral Clearance的输入项即体现了上述间隙，其值可以由软件根据TEMA标准默认间距大小，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。
总结
本文结合工业实际应用，对管壳式换热器重要组件设计参数的选择进行了归纳，总结了管壳式换热器设计中主要结构参数选用的一些原则，并阐述了参数选择过程中应注意的问题。可为管壳式换热器的工程设计时，对管箱、壳体、管束、折流板和防冲板等参数的设定提供参考。但在做具体的换热器设计时，仍需综合评估材料、介质、温压、造价、维护、安全性等多种因素，设计出经济合理、安全可靠的换热器。
参考文献
[1] 沙拉（Ramesh K. Shah）， 塞库利克（Du?an P. Sekulc）著，程林译. 机械工业出版社，《换热器设计技术》，2010年.
[2] GB151-1999，《管壳式换热器》.
[3] 中国石化集团上海工程有限公司编. 化学工业出版社，《化工工艺设计手册》第三版上册，2003年.
关键词：管壳式换热器，管箱，壳体，管束，折流板，防冲板，设计
Parameters Determine in Shell-Tube Heat Exchanger Designing
Zhou Hai-ge*, SUN Ai-jun
(China Textile Industry Engineering Institute, Beijing 100037)
Abstract: Parameters determine of tube box, shell, bundle, baffle and impingement in shell-tube heat exchanger designing is discussed in this article. Propose the solution to ordinary question in designing. It is can be the reference for this type exchanger designing.
Keywords: shell-tube heat exchanger, tube box, shell, bundle, baffle, impingement, design
引 言
管壳式换热器是石化行业中应用最广泛的间壁式传热型换热器，适用范围从真空到超高压（超过100MPa），从低温到高温（超过1100℃），约占市场多于65%的份额[1]，因此对于工程设计人员来说，管壳式换热器的设计十分重要。
管壳式换热器的主要组合部件包括壳体、前端管箱和后端结构（含管束）三部分。管箱、壳体、管束、折流板、防冲板等设计参数决定了换热器的类型、规格及性能特点。
1. 管箱
1.1 前端管箱的选择原则
GB151中分别列出了A、B、C、N、D五种前端管箱型式[2]。这五种前端管箱都是固定的。从其结构上看，B型管箱维护时，需要移去整个前端管箱，比较麻烦，但其造价便宜，适合清洁介质；A、C、N型管箱都可以通过拆除前端管箱的法兰盖进行维护；C型管箱的管板与管箱是集成一体的；N型管箱除管板管箱集成外，还将管板和壳体之间直接焊接，以减少泄漏；D型管箱为特殊高压管箱。
根据前端管箱的结构特点，选择前端管箱时主要考虑的是维护需要、管壳程流体混合的危害以及管程压力等。
1.2 后端管箱的选择原则
GB151中分别列出了L、M、N、P、S、T、U、W八种后端管箱形式。根据它们的结构特点大致可以分为四类[3]，即：
表1 后端管箱形式及特点
根据后端管箱的特点，选择后端管箱时主要考虑热应力、管壳程流体混合的危害、介质泄漏对环境的影响、介质特性、管程压力以及维护要求和成本等。
2. 壳体
GB151中列出了E、Q、F、G、H、I、J、K、O九种壳体型式，比TEMA标准中多了Q、I型和O型。TEMA标准中还有一种X型壳体，共有七种壳体型式。
E型换热器为单壳程换热器；Q型换热器是单进单出的冷凝器壳体，是相对于J型壳体的，适用于小流量蒸汽冷凝的工况；J型壳体为无隔板分流的冷凝器壳体，壳体有两个入口，一个出口或者两个出口，一个入口两种型式，适用于大流量蒸汽冷凝的工况，壳体压降较小；F型为双壳程型壳体，这种壳体型式在实际中很少使用，因为容易引起漏流，且制作和维护困难；G型和H型壳体常用于水平热虹吸管再沸器、冷凝器以及其他有相变的情况，壳侧压降较低，但是换热效果稍差；I型为U型管式换热器壳体；K型壳体常用在壳程大量沸腾的再沸器设计中；O 型为外导流型壳体，适用于壳程进出口接管较大的情况，可以起到导流和防冲挡板的作用；X型为交叉流换热器壳体，壳侧压降最低，常用于真空冷凝的情况。
上述壳体型式中，E型壳体具有最好的传热效率，制造简单，成本低廉，因而是应用最普遍的壳体型式。在选择壳体型式时应优先选用。另外，应综合考虑管壳式换热器的壳体介质状态、壳侧压降和换热器功能、成本等因素选择合适的壳体型式。
在HTRI的输入界面中，需要输入TEMA型壳体构造。TEMA和GB151对相同代号的换热器，其壳体结构形式是一致的，可以根据以上原则选用。
3. 管束
3.1 换热管的选择原则
GB151中给出了不同材质的常用管换热规格和偏差。经过计算，同样的金属材料和壁厚，小管径的换热管可以提供更大的换热面积，管子排布更紧凑，造价更加便宜。以外径分别为25mm和19mm，壁厚为2mm的换热管为例计算，每立方米钢材可以提供的换热面积依次是0.379m2/m3和0.559m2/m3，后者比前者的换热面积增加47.5%。因此在做换热器设计时，应优先选择小外径的换热管。但是当外径小于19mm时，进行机械清理十分困难，只能用化学方法清理。所以易结垢结块的物料不宜采用小外径的换热管，应尽量采用外径25mm及以上的管子。对于有汽液两相流的物流，例如再沸器、锅炉等，多采用32mm的外径。
换热管的壁厚在GB151中给出了一定的范围，对于一般换热器的设计是足够的。换热管的外径也已经相对标准化，国内市场上常用的换热管规格有Ф19×2，Ф25×2，Ф25×2.5mm等。
换热管的长度尽量选用GB151中推荐的1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0、12m长度设计。
3.2 布管形式
GB151中介绍了四种标准的换热管布管方式，即30°、45°、60°和90°四种方式，可统一分为三角形布置和正方形布置。
三角形布管比较紧凑，相对来讲，换热效率较高，压降较大，但是不能用机械的方法清洗，只能用于壳侧介质不易结垢或结垢后采用化学清洗即可的情况。相反，正方形布管可以采用机械方式清洗，能用于壳侧介质易结构的场合，但相邻两管间的净距不宜小于6mm。另外，90°由于是顺排布管，提供了顺畅的通道，对于壳侧介质沸腾型的换热器设计，这种布管方式更加可取。而当壳侧介质比较清洁，对壳侧压降要求不高的情况下，三角形布管方式更加经济。 3.3 换热管的中心距
换热管的中心距，一般的选用范围是1.25～1.5倍管子外径。中心距较小，换热管布置紧凑，换热器造价便宜。但当中心距小于1.25倍外径时，相邻管孔之间的连接带很脆弱，易导致连接点泄漏。中心距较小时，壳程流速较大，壳程的压降也相应的增大。因此需综合考虑，选择合适的换热管中心距。
推荐的不同换热管外径对应的换热管中心距见下表：
表2 换热管与管中心距选择表
3.4 管程分程
管程数由管程流速和压降决定。多管程的实质是把数目较少的长管子和短壳程组合，从而得到管程高流速、高传热的换热器。当管程流速较低，压降要求不高时可以通过增加管程数来提高流速，强化传热。
管程数一般有1、2、4、6、8、10、12七种，奇数程数由于机械制造和热应力的原因不推荐使用，在设计中常采用1、2和4程。对于易堵流体，建议采用较少管程数，一般不超过4程。
4. 折流板
折流板是管壳式换热器设计的一个重要部件。它一方面起到对管束支撑的作用，另一方面可以改变壳程流体的流动方向，使其与管束垂直，改善壳程的传热效果。
常用的折流板形式有弓形和盘环型两种。
弓形折流板也被称为圆缺型折流板。有单弓形、双弓形和三弓形三种，其中单弓形和双弓形是最经常采用的。单弓形和双弓形折流板可以强化壳程的传热，但是压降相对较高。三弓形折流板的压降较小，传热较差。
弓形折流板的缺口高度范围为0.1～0.5倍的圆筒内直径。最常用的值是0.20～0.25。壳程流体在缺口区和错流区应保持相当的流速，在较大的折流板间距情况下，折流板缺口也应较大，有时甚至可取到40%～50%。
GB151中指出，对于单相清洁流体，折流板缺口应水平上下布置；若气体中含有少量液体时，则应在折流板的最低处开通液口（图1）；若液体中含有少量气体，则应在缺口向下的折流板最高处开通气口（图2）；壳程介质为汽液共存的冷凝器、重沸器或者壳程介质为含有固体的液体物料，折流板缺口应左右布置，并在折流板的最低处开通液口（图3）。需要指出的是，在HTRI的界面输入中，折流板的缺口方向选择项垂直或平行，是相对于其与壳程入口的物流方向而言，所以对于卧式换热器，折流板缺口的水平和垂直的定义和GB151中是相反的（图4）。
折流板的间距影响壳程物流的流向和流速，从而影响传热。小的折流板间距易形成多的泄漏量和大的压降。折流板的最小间距必须大于壳体直径的1/5和50mm两者之间的较大值。折流板间距过大，容易引起振动，换热效率也降低。折流板的最大间距不能使相邻的两个管道支撑点的间距大于换热管最大无支持跨距的80%，最大无支撑跨距的值可以参考GB151中的规定。折流板间距最好为壳体直径的30～60%。
HTRI软件的输入界面中，折流板形式选项下有一种NTIW型折流板，实际上它仍然是属于单弓形折流板，只是在折流板的窗口区域不布管。在GB151的防振措施中也提到了这种布管方式。这种布管方式使得所有换热管都受到了折流板的支撑，从而改变了换热管的固有频率，有利于消除管束振动。另外，采用这种布管方式，壳侧流体的阻力降也比普通的单弓形折流板小。但是NTIW型折流板由于窗口区域不布管，直接影响换热器的换热面积。如果操作条件苛刻，设备材质要求较高的情况时会大大增加设备投资。环盘型折流板适用于壳程流量大，且压降小的场合，但是传热效果比弓形折流板差。
5. 防冲板
为了防止在壳体入口处，物流对管束冲击从而引起振动和腐蚀，有时需要设置防冲板。防冲板设置的依据是壳程进口管处流体的动能ρν2(kg/(m·s2))值，当ρν2值满足以下几个条件之一时，即需要设置防冲板。
(1) 非腐蚀、磨蚀性液体，ρν2 > 2230；
(2) 腐蚀、磨蚀性液体及沸点下液体，ρν2 > 740；
(3) 气体、水蒸汽或汽液混合物。
设计防冲板时，如选择板式防冲板，需考虑防冲板与换热器壳体的间隙，保证流体在在间隙处的流速不会过高导致防冲板边缘处管束震动，如果不能消除边缘处管束震动，则应选择rods形式防冲杆以降低管束震动的可能。
6. 其他
由于壳程流路的复杂性，Tiner提出了流路模型，即在换热器的壳体中存在着以下几种流型：
图5 壳侧流体的分布
图中A流为换热管和折流板管孔之间的漏流；B流为横过管束的错流；C流为管束与壳体内壁之间的旁路流；E流为折流板外缘与管壳内壁之间的漏流；F流为由分程隔板引起的旁路流。
在HTRI的计算报告中，列出了几种流型在壳程中所占的比例，反应出壳程的整体流动状况。其中，B流为对换热有效的流型，其值应该尽量大，当B值小于0.4时，HTRI会给出警告信息；C流和F流为旁路流，其值最好不超过0.1，可以通过增加密封装置、改变管子排布方式和折流板圆缺位置等方式减小旁路流；GB151中给出了不同管道材质和外径的换热管折流板管孔直径的大小，A值即体现了折流板管孔和换热管之间的漏流，它是由折流板两侧的压差造成的，是一种对换热有效的流动；GB151中给出了不同公称直径换热器的折流板及支持板的外直径，E值即体现了折流板外缘与壳程内壁之间的漏流，E值较大时会造成温度剖面不再均匀，当E值超出15%时，考虑用双弓形折流板来代替单弓形折流板。
在HTRI软件输入界面中，clearance选项下，Diametral Clearance的输入项即体现了上述间隙，其值可以由软件根据TEMA标准默认间距大小，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。
总结
本文结合工业实际应用，对管壳式换热器重要组件设计参数的选择进行了归纳，总结了管壳式换热器设计中主要结构参数选用的一些原则，并阐述了参数选择过程中应注意的问题。可为管壳式换热器的工程设计时，对管箱、壳体、管束、折流板和防冲板等参数的设定提供参考。但在做具体的换热器设计时，仍需综合评估材料、介质、温压、造价、维护、安全性等多种因素，设计出经济合理、安全可靠的换热器。
参考文献
[1] 沙拉（Ramesh K. Shah）， 塞库利克（Du?an P. Sekulc）著，程林译. 机械工业出版社，《换热器设计技术》，2010年.
[2] GB151-1999，《管壳式换热器》.
[3] 中国石化集团上海工程有限公司编. 化学工业出版社，《化工工艺设计手册》第三版上册，2003年.