大管孔导流板管壳式换热器及其计算

刘炳福（湖南化工医药设计院，湖南长沙 410007）

大管孔导流板管壳式换热器及其计算

刘炳福
（湖南化工医药设计院，湖南长沙 410007）

管壳式换热器的折流板有圆缺形、碟环形等，使气体折流横过换热管流动，有其缺点。大管孔导流板是将这种板制作成一块整版，板上的管孔开大，叫大管孔导流板，即管孔直径比换热管直径大10%以上，让管隙流体全部导流从换热管外壁与大管孔的环隙间流过，使流体更趋向于紧贴换热管壁内外逆流传热。实践证明传热效果很好。还介绍了这种换热器传热系数和压力降的计算公式，很有实用价值。

大管孔导流板；换热器；传热系数；压力降

1　管壳式换热器现状

目前，流体换热大多使用管壳式换热器，在硫酸工业中是必不可少的并且需要计算的重要设备。管壳式换热器中热流体走管内（或管隙），冷流体走管隙（或管内），通过管壁进行换热。为了提高传热效率，传统的换热器在管隙设置折流板，使管隙的流体改变方向，横过换热管流动，提高流速，增加传热系数。

典型的以贝尔式理论设计的管壳式换热器折流板为圆缺形，缺口处不布置或少布置换热管，以减少缺口处流体压力降，从而可整体提高管隙流体流速，增加传热系数。

但在贝尔式计算公式中，有些问题值得关注。

一是管隙给热系数，计算公式为：

式中Fg为漏流系数，计算公式为：

其中Stb为管孔与管子之间的漏流，Ssb为换热器管壳与折流板之间的漏流，Fg均小于 1。可见，管孔与管子之间的漏流，在折流板换热器中是作为降低换热系数来对待的，出发点基于管孔与管子之间的漏流减少了横过换热管流动的流体流量。实际上，应该使管孔与管子之间流体流动时的换热会更好。

另外，流体横过换热管流动时，迎风面换热较好，但背风面有气体死角，因而影响换热效果。

二是管隙压力降，计算公式为：

其中，Δpb为两块折流板间垂直管束流动的压力降，其计算式为：

其中Nc即为两块折流板上的管排数，而且，压力降基本与该管排数成正比。这就限制了这种换热器的大型化，当要求较大的换热器时，必须加大管间距，加大外壳直径，从而减少压力降。为此，也有设计蝶环形折流板的，使流体减少流过两块折流板上的管排数，但中心筒也要占用不少空间，而不能减少外壳直径。

为解决这些问题，就有采用其它折流板的，如空心环管、多孔板等，有使流体顺换热管逆流换热的趋向，但都不是增加流体通过管孔与换热管环隙的流量，不能更趋向于使流体紧贴换热管逆流换热。

2　大管孔导流板换热器

大管孔导流板换热器就是将这种板制作成一块整版，板上的管孔开大，叫大管孔导流板，即管孔直径比换热管外径大10%以上，让管隙流体全部导流从换热管外壁与大管孔的环隙间流过，使流体更趋向于紧贴换热管壁的内外而逆流传热。流体在流过环隙时，速度明显加快，流过环隙后，速度重新放慢，流体始终围绕在换热管隙激烈湍流流动，没有死角，提高传热效率。当压力降相当时，可减少换热器面积，换热器面积可比常规换热器减少30%～40%，因而节省换热器材料，减少投资；或换热面积相当时，可减小压力降，压力降可比常规换热器减小约30%～40%，因而节省主风机电耗。大管孔导流板换热器明显地克服了流体横过换热管流动的一些缺点，没有背风面的气体死角；而且是逆流传热；流体不是横过管束流动，压力降几乎不受管排数的影响。

大管孔导流板换热器换热管内外的气流都是顺着管子逆流纵向流动，不是横向流动，不会引起换热管抖动。这是因为换热管并不是特别长，且换热管两端焊牢在管板上拉紧，管内外流体速度不高，换热管不需支撑。大量实践证明，大管孔导流板没有换热管抖动碰撞磨损的现象。

大管孔的大小根据计算而得，既要有较高的传热系数，节省换热面积；又要有较低的压力降，达到节能的目的；还要有一定的压力降，以便管隙副线阀的调节。

3　大管孔导流板换热器传热系数的计算

在工艺计算得出换热器的管内外流体成分、流量、压力、温度、换热量、平均分子量、平均重度，并进行初步排布管后，进行大管孔导流板换热器传热系数的计算。

3.1管内给热系数

管内给热系数的计算，首先计算雷诺准数，公式为：

式中，GI——管内流速，kg/m2.s；

DI——换热管内径，m；

UI——平均分子量粘度。

当雷诺准数Re1＞10 000时，管内给热系数采用下式计算（单位W/m2.K）：

式中，γ——系数，缩放管换热管0.040 1；钢光管换热管0.026 7

CI——平均分子量热容量，kJ/（kg·k）

λI——导热系数，计算式为：

式中，TI——流体平均温度，℃

S3、S2、O2、N2——流体成分，kmol %

D0——换热管外径，m；

当雷诺准数ReI＜10 000时，管内给热系数采用下式计算（单位 W/m2.K）：

式中，γ——系数，缩放管换热管 0.202；钢光管换热管0.135；

L——换热管长度，m。

3.2管隙给热系数

管隙给热系数采用精确流路分析法进行计算，分筒体给热系数和大管孔导流板处给热系数。

3.2.1筒体给热系数

筒体给热系数，首先计算雷诺准数。当雷诺准数Re3＞10 000时，按下式计算（单位W/m2.K）：

式中，D2——流体流经筒体的当量直径，m

式中，N0——换热管数；

（L1/5）^0.8——管隙流体进出口端校正系数；

式中，L1——单台换热器的换热管在筒体内的长度，L1为换热管长L减去上下管板厚度、再减去0.01，m。

当雷诺准数Re2＜10 000时，按下式计算（单位W/m2.K）：

3.2.1大管孔导流板处给热系数

大管孔导流板处给热系数，当雷诺准数Re3＞10000时，按下式计算（单位W/m2.K）：

式中，D3——流体流经大管孔导流板处的当量直径，m；

式中，DK——大孔直径，m；

Ds——外壳内径，m；

BB——大管孔导流板块数

（1－FY/FB）^0.5——大管孔导流板圆周与壳内壁的漏流系数；

式中，FY——大管孔导流板圆周与壳内壁的漏流面积，m2；

FB——大管孔导流板处总流道面积，m2

当雷诺准数Re3＜10 000时，按下式计算（单位W/m2.K）：

3.2.3管隙给热系数

管隙给热系数为：

3.3传热系数

传热系数：

式中，Z——污垢系数，0.005～0.015

4　大管孔导流板换热器压力降的计算

在工艺计算得出换热器的管内外流体成分、流量、压力、温度、换热量、平均分子量、平均重度，并进行大管孔导流板换热器计算后，进行压力降的计算。

4.1管内压力降

管内压力降的计算采用下式（单位 Pa）：

式中，OI——管内流体平均重度，kg/m3

4.2管隙压力降

4.2.1筒体压力降（单位Pa）

式中，O0——管隙流体平均重度，kg/m3

4.2.2大管孔导流板处压力降（单位Pa）

4.2.3进出管口处压力降（单位Pa）

4.2.4管隙压力降

4.3总压力降

总压力降为管内压力降和管隙压力降之和：

［1］ 南京化学工业（集团）公司设计院编写.硫酸工艺设计手册［M］.物化数据篇.化工部硫酸工业信息站出版，1990.

［2］ 南京化学工业（集团）公司设计院编写.硫酸工艺设计手册［M］.工艺计算篇.化工部硫酸工业信息站出版，1994.

收稿日期：2016-04-20

作者简介： 刘炳福（1944—），男，湖南桃园人，高级工程师，副总工程师，主要从事化工设计工作。

Big Hole Baffle Tube and Shell Heat Exchanger Calculation

Liu Bing-fu

shell and tube heat exchanger baffles have a moon-shaped，annular plate，so that the gas flow deflector across the heat exchange tubes，has its drawbacks.Big hole baffle plate is to make this into a full-page，open a large hole board，called the big hole deflector that pore diameter than the diameter of the heat transfer tubes more than 10% larger，so that tube gap all heat exchange fluid diversion from the outer ring with the big hole interstitial flow through the fluid tend to close the inner and outer countercurrent heat exchange tube has proved very good heat transfer effect.This also describes the formula coefficient of heat transfer and pressure drop，very practical value.

big hole baffles；heat exchanger；heat transfer coefficient；pressure drop

TQ053.6

A

1003-6490（2016）05-0098-02

2016-04-28

常亚娜（1979—），女，山东济宁人，工程师，主要从事化工设计工作。