管壳式换热器的工艺设计.pdf

2009年第3期甘肃石油和化工2009年9月

管壳式换热器的工艺设计

董宝春
（兰州航天石化工程有限责任公司，甘肃兰州730050）

摘要：管壳式换热器是理论研究水平最高、设计技术最完善、标准化和规范化历史最悠久以
及计算机程序软件开发最早的换热设备，在石油、化工生产中应用十分广泛。通过实例简单
地介绍了利用HTRI程序进行管壳式换热器工艺设计的过程和方法。
关键词：管壳式换热器；工艺设计；HTRI

管壳式换热器又称列管式换热器，它适用于冷却、冷凝、加热、蒸发及废热回收等方面，是理论
研究水平最高、设计技术最完善、标准化和规范化历史最悠久以及计算机程序软件开发最早的换
热设备，在石油、化工生产中应用十分广泛。它的工艺设计一般是指传热设计和压降（或流动）设
计，传热尤为复杂。
己发表的大量的传热计算关联式，都是基于有限的实验数据得出的，广泛使用的关联式为幂
函数形式：
Nu=AReaPrbGrc
在使用上式时，一般情况下所有的物性参数都取流体定性温度下的值。定性温度介于进口温度和
出口温度之间。然而，在换热器中，流体温度是沿换热面不断变化的，流体物性又是温度的函数，
因此，对流给热系数α沿换热面是变化的，按定性温度下的物性数据计算出的α与实际情况有相
当大的误差。由于问题本身的复杂性，要在最普遍的形式下来分析解决这一问题是很困难的。解
决问题的一个可行方法就是在换热器设计中采用分段计算法进行计算，但逐段进行手工计算势必
非常烦琐且容易出错，计算机模拟基于强大的物性数据库和精细的数学模型，依赖于计算机的运
算速度和存储能力，因此它的计算结果应该是更准确更接近实际情况的。
目前比较常用的有HTRI、HTFS等设计软件包，这些计算程序和软件已成为换热器工艺设计
的主要手段，在国内也得到了广泛应用，利用这些软件设计出的换热器更符合实际工况，本文主要
叙述利用HTRI程序进行一台换热器设计的过程。
1具体设计前应该确立的条件

1．1需要确定的主要工艺参数
（1）在换热器的设计和选型中，工艺流体（被处理物料）的用量和进、出口温度是由工艺要求
所规定的，另一种流体即加热剂或冷却剂的进口温度，一般由来源而定，但它的用量或出口温度则
由设计者选定。用量的大小，将直接影响加热剂或冷却剂的出口温度以及换热器传热面积的大小，
因此需慎重选择。
（2）用HTRI程序设计换热器时，要求确定物料中的气相分率，纯液相输入为0，纯气相为1，
这一参数在计算中用于确定有无相变，对计算结果影响很大，不可忽视。

收稿日期：2009-04-30
作者简介：董宝春（1975-），男，甘肃兰州人，工程师，主要从事化工工艺系统和工艺管道设计工作。
34
22009009年第3期董宝春：管壳式换热器的工艺设计实用技术

（3）两侧流体的准确的入口压力，对气体尤为重要，对液体则不重要，因为液体的性质随压力
变化不大。
（4）两侧流体允许的压降是换热器设计非常重要的一个参数。允许压降是依据综合因素人为
给定的参数，应该尽可能加以利用，但是如果在设计中允许压降得到了充分利用，而再增加一点压
降会增加很大的经济性，则应再行设计并考虑增加允许压降的可能性。
（5）污垢系数对传热系数的影响很大，必须提供，如果没有给定两侧流体的污垢系数，设计者
应该参照TEMA标准，或参照以往的经验数据。
（6）两侧流体的进出温度范围内的黏度、导热系数、密度和比热等物性参数，一般可用PRO/II
等工艺流程模拟软件计算后自动导入，也可直接用HTRI自带数据库的数据计算，如果其中某种
流体是混合物，还需计算其组成分率。
（7）换热器型式确定，如果没有特别要求，设计者可根据TEMA标准里各种不同结构的换热
器的特性根据需要选择换热器的类型。
1．2确定冷热流体流程的原则
（1）不洁净或易于分解结垢的物料应流经易清洗的一侧。对于直管管束，上述物料一般应走
管内，当管束能拆出清洗时，也可走管外。
（2）需要提高流速以增大对流传热系数的流体应当走管内，因为管内截面积通常比管间的小，
而且易于采取多程以增大流速。
（3）具有腐蚀性的物料应走管内，这样可以用普通材料制造壳体，仅仅管子、管板和管箱采用
耐蚀材料。
（4）压力高的物料走管内，外壳可以不承受高压，以降低设计压力和造价。
（5）温度很高（或很低）的物料走管内，以减少热量（或冷量）的散失。如果为了更好地散热，则
应让高温物料走壳程。
（6）蒸汽一般通入壳程，便于排出冷凝掖，而且蒸汽较清洁，其对流传热系数又与流速关系较小。
（7）黏度大的流体［μ>（1.5～2.5）×10-3Pa·s］一般走壳程，因为在设有挡板的壳程中流动时，
流道截面和流向都在不断改变，在低Re数（Re>100）下即可达到湍流，有利于提高管外流体的对
流传热系数。
2分析与设计

下