板式冷却器因此对 于工程设计人员来说

　　_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 Chemical Engineering & Equipment 101 管壳式换热器热工选型计算 陈亮 （兰州兰石重型装股份有限技术研发中心，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广泛的间壁式传热型换热 器，其既可是一种单元设，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺设的组成 部分，如氨合成塔内的换热器，板式冷却器适用范围从线MPa），管式换热器从低温到高温 （超过 1100℃），其作为化工生产中重要的单元设，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，管式换热器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、板式冷却器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，管式换热器折流板的切 割方式等基本信息，选择运行 Rating mode 模式和 Simulation mode 模式，板式冷却器在 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 容易出现的区段 （1）管束中两块折流板间距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； 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
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