固定管板式换热器金属壁温取值探析_固定管板式换热器计算

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固定管板式换热器金属壁温取值探析

摘 要 固定式管板换热器金属壁温的选取对管板强度计算非常重要，由于工程实际中介质成份往往很复杂，计算中许多参数难以精确确定。为使计算过程变得简单易行且安全合理，本文根据多年来大量工作实践，对GB151中附录F计算过程进行简化。

关键词 固定管板；换热器；金属壁温

中图分类号：TQ051 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2015）04-0201-02

固定管板式换热器计算中，管壳程金属壁温值对换热器壳体轴向应力σc、换热管轴向应力σt及换热管与管板之间的拉脱应力q等影响较大。设计此类换热器时，需慎重选择金属壁温。通常情况，工艺专业可通过相关软件计算出金属壁温，我们也可以根据GB151中附录F进行计算得出。实际工程中由于化工物料繁多，且不以单独介质存在，介质参数并不能很好确定。因此，有必要对附录F中的计算过程进一步简化，最大程度保证换热器设计的安全。金属壁温与管板应力的关系。

固定管板式换热器计算过程中，金属壁温是通过换热管与壳程圆筒热膨胀变形差γ=αt（tt-to）-αs（ts-to）对应力加以影响的，单独的管程或壳程自由变形并不产生任何影响。计温差应力情况下各种危险应力均通过有效压力组合Pa=∑sPs-∑tPt+γβEt导出。根据弹性变形原理，应力与应变成线性关系，可认为换热器中各类危险应力与变形差的关系近似为一次线性关系，即σmax∝γ。

GB151中关于温差应力对换热器的影响分两类情况进行计算，第一类仅考虑了管壳程危险压力组合，没有考虑温差应力；第二类不仅考虑了管壳程危险压力组合，还增加了温差应力的影响。当我们选取了一个热膨胀变形差|γmax|，通过计算换热器合格，即γ=0或者γ=|γmax|时，换热器都合格。根据σmax∝γ可以推出，换热器实际操作中，变形差0≤γ≤γmax（当γmax≥0）或γmax≤γ≤0（当γmax≤0）都应该满足要求。流体的平均温度

GB151附录F中流体的平均温度并不是完全选取介质进出口温度的平均值，根据介质流动状态分两种情况（所有符号按附录F）。

液体的平均温度（过渡流及湍流阶段）

Tm=0.4Ti+0.6To（F6）

tm=0.4to+0.6ti（F7）

液体（层流阶段）和气体的平均温度

Tm=0.5Ti+0.5To（F8）

tm=0.5to+0.5ti（F9）

液体的流动状态可以根据雷诺系数（d为定性尺寸，管程取换热管内径，壳程取换热管外径）确定。当Re

实际操作中，由于各类参数的缺失，对换热器介质的流动状态并不能确定。此类情况下，出于安全考虑，我们应当选取能体现最大正膨胀变形差或者最大负膨胀变形差的相关公式。根据γ数值大小与管壳程材料有关，下面分两种情况进行说明。一是管壳程材料相同时，即材料线性膨胀系数相同，则γ=αt（ts-tt）=αs（ts-tt）。无论温差多少，换热器只会存在单一的正膨胀或者单一的负膨胀，则可选取体现温差最大者，即热流体平均温度按公式F8，冷流体平均温度按公式F7。二是管壳程材料不同（例如：换热管为不锈钢，壳程为碳钢或低合金钢），因奥氏体钢线膨胀系数较碳钢或低合金钢大很多，当金属温度偏高者（一般为热流体侧）为碳钢而另外一侧为不锈钢时，则应该考虑两种情况：①冷热流体温差最大的情况，即热流体侧平均温度按公式F8，冷流体侧平均温度按公式F7；②冷热流体温度差最小的情况，即热流体侧平均温度按公式F6，冷流体侧平均按公式F9。对流给热系数

换热器金属温度的计算难点在于对流给热系数的确定。《化工原理》中列出了几种情况的计算方法（本文略），主要分无相变流体和有相变流体两种。换热器管壳程介质有时候并不是单一流体，而混合溶液的物性参数却无从查询。对流传热过程是指由于密度差或者外力的作用产生流动，从而与壁面进行热量传递。根据这一机理，混合溶液的对流传热系数应该为各组分对流传热系数与质量分数的乘积之和，即：。

在实际操作中，由于物性参数的缺失，导致对流给热系数无法计算，下表列出了几种对流传热条件下，对流传热系数的大致范围，以作参考。

传热方式 对流传热系数 W/（?O?℃）

空气自然对流 5 ～ 25

气体强制对流 20 ～ 100

水的自然对流 200 ～1000

水的强制对流 1000 ～ 15000

油类的强制对流 50 ～ 1500

水蒸气的冷凝 5000 ～ 15000

有机蒸汽的冷凝 500 ～ 2000

水的沸腾 2500 ～ 25000壁温计算

4.1 换热管壁温的计算

根据GB151附录F，壁温计算公式为：

当介质参数缺失时，需要对各类参数进行估算，以保证设备设计的安全。

当管壳程材料相同时，或材料不同但金属温度偏高者为不锈钢时，取管壳程温差最大值即能保证设计安全。当管程为热流体时，则、选小值，、选大值；当管程为冷流体时，则、尽量选大值，、尽量选小值。

当金属温度偏高者（一般为热流体侧）为碳钢而另一侧为不锈钢，设备计算结果有可能存在正膨胀变形差或者负膨胀变形差两种情况，因此需按下表取相关参数进行计算。

管程为热流体 管程为冷流体

温差最大时 温差最小时 温差最大时 温差最小时、小值 大值 大值 小值、大值 小值 小值 大值

4.2 壳程壁温的计算

圆筒外部有良好的保温，或壳程流体温度接近环境温度，或传热条件使得圆筒壁温接近介质温时，壳体壁温取壳程流体的平均温度。

其它情况下，壳程壁温计算方法与管程相同，只不过壳程两侧的介质改为壳程介质和做自然对流的空气。工程实际中估算及误差

工程实际应用中遇到的绝大多数固定管板换热器为冷凝器和再沸器（主要为塔设备釜液分离用），现举例如下（由于篇幅所限本文略去金属壁温实值计算过程）：

例1 有一固定管板换热器（管壳程保温良好），壳程进、出口温度Ti=80℃，To=65℃介质为热水；管程进、出口温度ti=40.88℃，to=40.91℃介质为丁二烯，壳体材料Q245R，换热管材料20。金属壁温估算取值为：壳程Th=（80+65）/2=72.5℃，管程tc=（40.88+40.91）/2=40.9℃。根据工艺数据计算实值：壳程Th=71℃，管程tc=56℃。显然估算值是安全的。经SW6软件计算，金属壁温估算值与实值对应应力结果相差

很小。

例2 有一固定管板再沸器（管壳程保温良好），壳程进、出口温度Ti=170℃，To=170℃介质为过热蒸汽；管程进、出口温度ti=95℃，to=105℃介质为有机水溶液，壳体材料Q245R，换热管材料S30408。金属壁温估算取值为：壳程Th=170℃，管程tc=（95+105）/2=100℃。根据工艺数据计算实值：壳程Th=170℃，管程tc=130℃。因管壳程材料不同，经SW6软件计算，壁温估算值与实值对应应力结果相差很大。前者壳程不加膨胀节能设计出合格管板，而后者换热管轴向应力失稳，需加膨胀节才能设计出合格管板，显然估算值是不安全的。

例3 有一固定管板冷凝器（管壳程保温良好），壳程进、出口温度ti=32℃，to=40.31℃介质为循环水；管程进、出口温度Ti=130℃，To=80℃介质为废水，壳体材料Q245R，换热管材料S30408。金属壁温估算取值为：壳程tc=（32+40.31）/2=36.155℃，管程tc=（130+80）/2=105℃。根据工艺数据计算实值：壳程tc=36.17℃，管程Th=45.42℃。因管壳程材料不同，经SW6软件计算，壁温估算值与实值对应应力结果相差很大。前者换热管轴向应力失稳，需加膨胀节才能设计出合格管板，而后者不加膨胀节能设计出合格管板，显然估算值偏安全造成浪费。结论

在设计固定管板换热器时，无论冷热流体位于管内或管外侧，当管壳程材料相同时，金属壁温可采取进出口流体温度简单算术平均值进行估算，结果是安全可靠的。当管壳程材料不同时，金属壁温采取进出口流体温度简单算术平均值进行估算，其结果有可能不安全或造成浪费，需根据本文第4条估算换热管壁温。