一种高效率节能管壳式换热器的应用
                                          刘江坚 
                 （邵阳纺织机械有限责任公司， 湖南邵阳 ４２２０００）
    摘要：换热器的结构型式不同，其换热效率差别很大.对管壳式换热器结构做出局部改动，可以提高换热效率.
    关键词： 管壳式换热器；



 结构；

 热效率；

 节能
    中图分类号： ＴＳ１９０．４１ 文献标识码： Ｂ 文章编号： １００５－ ９３５０（ ２００７） ０１－ ００４４－ ０１
     换热器是用来将一种流体的热量传给另一种充体的设备， 有混合式和间壁式之分.间壁式中又以管壳式换热器应用最为广泛， 因为它具有换热效率高，结构简单等特点.管壳式换热器的热量是由一种流体通过固体壁传给另一种流体， 以此达到冷、热流体热量交换的目的.在染整行业中， 用于染色工艺的液流染色机就是采用这种型式的换热器， 按染色工艺要求对循环染液进行升温、保温和降温过程.
     管壳式换热器已有比较成熟的设计经验，国家也有相应的设计、制造和检验标准，如ＧＢ１５１管壳式换热器.在具体设计中，按使用工况条件，确定始终温度、升温速率、传热量和传热系数，{zh1}计算换热面积.如果满足不了使用条件，则一般是通过增加换热面积来提高传热量. 经实践证明， 这种设计方法是可行的.
     换热器用于水、蒸汽的热交换过程中，一般是蒸汽通过壳程，水通过管程.管壳式换热器中的管程，是由列管组成，并且被壳程圆筒所包围.按ＧＢ１５１规定，计算换热面积都是以换热管（列管）外表面积为基准，而壳程圆筒内表面积由于没有与管壳内流体进行壁的热量传递，所以这部分传热面积实际上没有被利用，至使通过此面积的热量传入大气浪费掉了.鉴于这种情况，如果对结构做出局部改变， 设法让这部分面积与管壳相接触， 那么将会提高换热效率.
    １ 结构设计与换热计算
    １．１ 结构设计
     通常， 管壳式换热器的结构是在一个直径大的圆筒内按一定的排列方式排列很多直径小的管子， 这些小管子的外表面积即为传热面积.如果管程内走低温流体， 壳程内走高温流体， 那么高温液体的热量将通过小管子（称为换热管）壁传导给管程内的低温流体，与此同时， 壳程内高温流量的部分热量还要通过圆筒壁传导给外部大气， 这部分热量实际上没有被利用.
     为了能够利用这部分流失的热量， 我们在壳程圆筒的外周间隔一定距离再套了一个同心圆筒， 在二个圆筒之间形成一个流道， 并与管程相通， 让一部分低温流体从这里通过， 这样， 原来壳程与大气相传导的热量就会传给低温流体.
    １．２ 换热计算
     换热器的换热计算，一般采用的是传热基本方程式： ｑ＝Ｋ?Ａ△ｔｍ，式中的参数ｑ表示传热量，它表明换热器的传热能力.该值与换热器的形式、种类和结构密切相关，一般是根据具体工艺条件所需的热负荷来确定的.式中Ｋ表示传热系数，它的物理意义是冷、热流体之间的温差为１℃时，单位小时通过单位传热面积所传递的热量.在设计中，传热系数的选取范围很大，如何合理确定该值，是换热器计算中的一个重要问题.除用计算方法求得外，还可由实验测定和选取经验数据获得.参数△ｔｍ表示冷、热流体温度差的平均值.Ａ表示换热面积.
     从传热基本方程式中可以看出，改变等式右边任一个参数，都可以提高传热量.在具体的设计中，传热系数和平均温差受到的制约条件较多，而增加换热面积相对来说较为简单，同时也是一种强化传热过程的有效措施.
    通常的计算中，换热面积是以换热管的外表面积来计算.如换热管的外径为ｄ，有效长度为Ｌ，管子根数为ｎ，则换热面积为：Ａ１＝ｄ?π ?Ｌ?ｎ
     如果采用我们前面提到的结构， 那么应该还有一部分换热面积要参加换热.假设壳程圆筒的内径为Ｄ，长度与换热管有效长度相等（这里的管、壳程假设均为单程），则这一部分换热面积为：Ａ２＝Ｄ?π ?Ｌ，该种结构换热器的总换热面积为Ａ＝Ａ１＋Ａ２＝ｄ?π ?Ｌ?ｎ＋Ｄ?πＬ＝πＬ（ｄ?ｎ＋Ｄ）?
    显然比普通管壳式换热器的换热面积增大， 也意味着传热能力的提高.
    ２ 应用实例
    现有一台管壳式换热器用于液流染色机中， 作为循环染液的升温、保温和降温之用.换热管为φ２５×２ｍｍ不锈钢管， 有效长度１０００ ｍｍ， 数量为５９根， 壳程圆筒内径为φ３００ ｍｍ.管程通循环染液（水溶液）， 壳程通饱和水蒸汽.现按二种结构分别计算换热面积.
    （１）以换热管外表面为基准   Ａ＝ｄ?πＬ ｎ＝０．０２５×π×１×５９＝４．６３ ｍ２?
    （２）以换热管外表面和壳程圆筒内表面为基准
    换热管外表面与１）相同， Ａ１＝ｄ?π?Ｌ?ｎ＝４．６３ ｍ２
    壳程圆筒内表面： Ａ２＝Ｄ?π?Ｌ＝０．３×π×１＝０．９４ ｍ２
    总换热面积： Ａ＝Ａ１＋Ａ２＝４．６３＋０．９４＝５．５７ ｍ２
    由上述计算结果可知， 采用第二种结构， 换热面积增加了２０ ％， 提高了换热能力.
     ３ 与普通管壳式换热器的比较
     （１） 在相同的工艺条件下， 增加了换热面积， 提高换热效率， 并减少了能源浪费.
     （２） 由于壳程圆筒外侧与管程相通， 所以壳程与管程的膨胀差可以不计， 不需另设置膨胀节.
     （３） 与普通管壳式换热器具有相同换热面积的该种结构， 可以减少换热管数量， 降低管程中流体的压力降损失， 并节省一定的使用空间.
     ４ 参考文献
    〔１〕〔日〕尾花英朗著， 徐中权译．热交换器设计手册〔Ｍ〕．
    〔２〕ＧＢ１５１－ １９９９．管壳式换热器〔Ｓ〕