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摘要：管壳式换热器作为传统换热器，在石油化工、能源等领域中得到广泛应用。不过随着工业化进程的加快，生产规模的扩大，管壳式换热器的性能要求也有所提高。本文就将对管壳式换热器的工艺设计及原理进行分析，希望对管壳式换热器的升级有所帮助。
关键词：管壳式换热器；工艺设计；升级
近几年，计算机技术逐渐应用到管壳式换热器的设计研究中，但受到传统理念影响，很多作业人员对计算机操作的重视度不高，在设计及构图中，经常出现失误或偏差的情况，影响了管壳式换热器的最终成果。为此，有必要加大研究力度，解决设计中的现存问题，促进设备性能的充分发挥，适应现今的工业生产需求。
1管壳式换热器
管壳式换热器又被称之为列管式换热器，利用封闭管科作为导热结构，实现热能上的转换，由壳体、管板、传热灌输、折流板、管箱等部分构成，是石油化工、能源等产业中使用最为广泛的设备。管壳式换热器的优势在于结构简单，操作方便、安全性高、高温适应性强。
2管壳式换热器的种类
2.1蛇管式换热器
蛇管式换热器共分为两种，即喷淋式蛇管换热器和沉浸式蛇管换热器。前者由喷淋结构和水管两部分组成，后者是将金属弯管沉浸在换热器实现其功效的。两种换热器在使用中，要根据实际情况科学配置，改善工业生产效率。
2.2套管式换热器
套管换热器使用的材料为标准管和回弯管。先利用标准管形成通信圈，再将回弯管套在同心圈上，达到热能传递和转换的效果。
2.3列管式换热器
列管式换热器是目前工业生产中使用最广泛的设备。列管换热器具有结构和操作简单、材料获取容易、换热面积大、传热效果好、灵活性高等特征。按照补偿方式，可将列管换热器划分为三类：
一是U型管换热器。该换热器需要将管弯成U型，将其全部固定在同一管板上，并保证管子之间、管子与壳体之间的独立性。
二是固定管板换热器。固定管板换热器是由管板和壳体两部分构成的，其结构简单，成本低廉。但清洗起来较为复杂，一旦细节处理不到位，存在的杂质会混合到下次使用中，随着杂质的增多，设备性能受到影响，增加检修难度。另外，该类型设备还存在温差变化较大的情况，需要利用热补偿平衡温度变化。
三是浮头式换热器。浮头换热器中，将一处管板固定在外壳上，固定端由直接与法兰连接，使管束可直接从壳体抽出，简单方便，既能维护换热器性能，也可降低清洗难度，且热补偿效率高，不会因温度变化影响生产质量。不过该设备造价成本高、结构复杂、对金属材料消耗量较大。
3管壳式换热器的选用
在管壳式换热器选择中，要从设备结构、工艺参数、工艺流程等多方面展开综合分析，让换热器的选用与工业生产相符合，减少故障和损失的生成。
3.1工艺条件
换热器设计中，工艺流体的用量和温度应结合特定条件展开科学设置。对于冷热流体的用量和温度，要求设计人员根据具体情况科学设定；换热器的压力降参数需符合工作环境的标准规范，禁止出现超出的情况。如超出标准压力，换热器腐蚀和振动概率增加，寿命缩减，流速不断加快，不利于对不清洁液体的处理。另外，在设计中，当压力增加时，为削弱腐蚀作用，应将有毒不清洁液体与粘度较大液体分开处理，有毒的不清洁流体应该走管程。对于粘度大的流体应该走壳程。
3.2结构参数
1）管子结构参数
管径确定可通过流速测试来实现，在规定流速要求下，加快流速，观察流通效果，确定管径。通常情况下，国内换热器的管径以φ19毫米和φ25毫米为主；管的长度确定上，要从经济性和清洗便利性出发，通常长度控制在4-6米，长径比控制在4-6之间；选择管子的排列时，应根据各种排列方式特点来确定合适的管子排列，一般有等边三角形、正方形直列和正方形错列；管心距一般选用范围为1.25-1.5d。
2）管程数与壳程结构
管程数与管内流量和传热系数成正比。不过不是越多越好，要根据管内流速要求实行科学设置。管程数有1-12程，常用的有1、2管程或4管程。当温度差校正系数低于0.8时，可以采用多壳程，但由于壳程隔板在制造、安装和检修等方面有困难，因此一般将几个换热器串联使用，来代替壳程多程。
3）壳程折流板
折流板有三种类型，圆缺型、环盘型、孔式型。根据工艺流程要求，科学选择折流板类型，以加强传热效果。折流板间距设置决定流速和流向，关乎传热效果。一般情况下，将折流板间距控制在壳径的30%-60%之间。
4）设计标准
管壳式换热器在我国应用时间长，范围广，设计内容已趋于成熟，只需按照工业生产要求及现有规范展开科学处理即可。
4工艺计算软件
目前，市场上出现的换热器计算软件种类较多，不过最常用的还是以HTRI系列软件和B-JAC系列软件为主。本文重点对HTRI系列软件实行详细说明。HTRI系列软件是由美国企业研发设计的换热器计算软件，在管壳式换热器、板式换热器、加热炉、空冷器、螺旋板换热器中等均有应用，可加强计算结果准确性。
HTRI系列软件被应用在传热、机械、成本预估、图纸设计等模块内。在传热模块内，重点进行传热设计计算和机械数据计算，其中传热设计计算包括无相变、冷凝、蒸发三类；机械数据包括换热器的型号、材质、壳体直径、折流板类型、间距、切割率、防冲板的设置、换热管的直径、长度、程数、放置的方式、管间距、管数、管壁厚、管子类型、接管尺寸等。计算模式以设计、核算、模拟模式为主。计算所得结果会按照分类要求划定在不同模块下，便于用户随时调取和应用。
5工艺设计程序
5.1设计方案
在管壳式换热器工艺设计中，要先对热冷流体的腐蚀性予以了解，以确定换热器的结构材料，之后通过性能、压强、温度变化、负荷、安装及清洗等工作，确定换热器的结构形式，按照结构形式确定最终工艺设计流程。并对经济成本加以控制。
5.2工艺和物性数据
冷热流体的工艺和物性数据在换热器工艺设计中起到重要作用。人员要确保其计算准确性，避免偏差的产生。工艺数据包括冷热流体的流量，进出换热器冷热流体的温度、压力、管程和壳程的允许压力降及冷热流体的污垢系数；物性数据包括冷热流体在操作温度下的密度、比热容、粘度、热导率、表面张力。
5.3结构数据
结构数据是换热器设计基准，结构数据中包含壳体形式、管程数、管子类型、管子基础数据及折流板的形式和间距，任何一项出现问题，都会降低结构数据的精准性，影响传热性能。
6实际应用案例
利用HTRI系列软件开展管壳式换热器设计。首先，在软件内将已知参数输入其中，确定管壳式换热器的结构。计算管程、壳程及冷热流体参数，并将这些数据输入到软件内，调整换热器结构。其次，录入结构参数。将管间距、管壁厚度及长度参数等输入软件系统内，再将确定后的物性参数输入其中，点击运行，模拟传热器运行流程，观看具体情况并记录。最后，对记录数据实行分析、核算，确定最终参数，完成设计任务。
7结语
综上所述，管壳式换热器工艺设计需考虑内容较多，设计人员应做好综合性的研究，保证数据参数、结构形式的合理性，优化换热器性能，扩充其使用范围，最终增大工业生产的效益。
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