化工管式换热器参数详解及其对性能的影响

摘要： 本文聚焦化工管式换热器，深入剖析其关键参数，包括结构参数（如管径、管长、管数、管程与壳程布置等）、传热参数（传热系数、对数平均温差）以及操作参数（流量、压力、温度）。阐述各参数的确定方法、相互关系及对换热器性能的影响，并结合实际案例说明参数优化在提升换热效率、降低成本方面的重要性，为化工管式换热器的设计、选型和运行提供参考。

关键词：化工管式换热器；参数；传热性能；优化设计

一、引言

在化工生产中，管式换热器是一种广泛应用的重要设备，用于实现不同温度流体之间的热量交换，以满足工艺过程中的加热、冷却、冷凝、蒸发等需求。其性能的优劣直接影响到化工生产的效率、能耗和产品质量。而换热器的各项参数则是决定其性能的关键因素，深入了解这些参数对于合理设计、选型和优化运行换热器具有重要意义。

二、化工管式换热器的结构参数

2.1 管径

管径是管式换热器的基本参数之一，通常用公称直径表示。常见的管径范围为 10 - 57mm。管径的大小对换热器的性能有多方面影响。较小的管径可以增加单位体积内的换热面积，从而提高传热效率，但同时会导致流体流动阻力增大，压力降增加，需要更高的泵送功率。较大的管径则相反，流体流动阻力小，但换热面积相对减少。在实际设计中，需要根据流体的性质（如粘度、腐蚀性）、传热要求和压力降限制等因素综合考虑选择合适的管径。

2.2 管长

管长也是影响换热器性能的重要参数。一般来说，管长增加可以增加换热面积，提高传热量，但也会使换热器的体积增大，成本增加。同时，过长的管子可能会导致流体在管内的流速分布不均匀，影响传热效果。常见的管长有 1.5m、2.0m、3.0m、4.5m、6.0m 等，在设计时应根据具体的工艺要求和场地条件进行合理选择。

2.3 管数

管数是指换热器中管子的数量，它与管径和管长共同决定了换热器的总换热面积。管数的确定需要考虑换热器的传热负荷、流体的流量和流速等因素。在一定的传热负荷下，增加管数可以减小管内的流速，降低压力降，但同时会增加换热器的制造成本。因此，需要通过热力计算和流体阻力计算来确定合适的管数。

2.4 管程与壳程布置

• 管程布置：管程是指流体在管内流动的通道。根据工艺要求，可以将换热器设计成单管程、双管程或多管程。多管程可以增加流体在管内的流速，提高传热系数，但同时会增加流体的流动阻力。管程数的选择应根据流体的性质、传热要求和压力降限制等因素综合考虑。

• 壳程布置：壳程是指流体在壳体内管束外流动的通道。常见的壳程布置方式有单壳程、双壳程等。为了提高壳程的传热效果，通常会在壳体内设置折流板。折流板的形状有弓形、圆盘 - 圆环形等，其作用是改变流体的流动方向，增加流体的湍流程度，提高传热系数。折流板的间距和排列方式也会影响壳程的传热和流体阻力性能。

三、化工管式换热器的传热参数

3.1 传热系数

传热系数是衡量换热器传热性能的重要指标，它表示单位面积、单位温差下的传热量，单位为 W/（m²·K）。传热系数的大小取决于多种因素，包括流体的物性（如导热系数、比热容、粘度等）、流体的流速、换热面的形状和材质等。在化工管式换热器中，传热系数可以通过以下公式计算：

其中，${\alpha }^1$ 和 ${\alpha }^2$ 分别是管程和壳程流体的对流传热系数，$\delta$ 是管壁厚度，$\lambda$ 是管壁材料的导热系数。提高传热系数的关键在于提高流体的对流传热系数，可以通过增加流体的流速、采用强化传热技术（如螺纹管、翅片管等）来实现。

3.2 对数平均温差

对数平均温差（LMTD）是反映换热器内两种流体温度变化程度的参数，它是计算换热器传热量的重要依据。对于逆流和并流流动的换热器，对数平均温差的计算公式分别为：

• 逆流：

• 并流：

其中，$\Delta T^1$ 和 $\Delta T^2$ 分别是换热器两端两种流体的温差。对数平均温差越大，说明两种流体之间的温度差利用越充分，换热器的传热效果越好。在实际设计中，可以通过合理选择流体的流动方式（逆流、并流或错流）来提高对数平均温差。

四、化工管式换热器的操作参数

4.1 流量

流量是指单位时间内通过换热器的流体体积或质量。流量的变化会直接影响换热器的传热效果和流体阻力。增加流量可以提高流体的流速，增强流体的湍流程度，从而提高传热系数，但同时也会增加流体的流动阻力，导致压力降增大。在实际操作中，需要根据工艺要求和设备的能力合理控制流量，以达到最佳的传热效果和经济效益。

4.2 压力

压力是换热器操作中的重要参数之一。管程和壳程的压力需要分别进行控制和监测。过高的压力可能会导致换热器泄漏、损坏等安全问题，而过低的压力则可能影响流体的流动和传热效果。在设计换热器时，需要根据流体的性质和工艺要求确定合适的操作压力，并选择合适的材料和结构来保证换热器在操作压力下的安全性和可靠性。

4.3 温度

温度是影响换热器传热过程的关键因素。两种流体的进出口温度决定了换热器的传热温差和对数平均温差。在实际操作中，需要严格控制流体的温度，以确保换热器能够满足工艺过程的温度要求。同时，温度的变化还会影响流体的物性，如导热系数、粘度等，从而影响传热系数和流体阻力。

五、参数优化案例分析

5.1 案例背景

某化工企业的一套生产装置中，原有的管式换热器传热效率低下，无法满足生产需求，需要进行改造优化。该换热器用于冷却一种高温化工流体，冷却介质为循环水。

5.2 参数分析与优化

• 结构参数优化：通过分析发现，原换热器的管径较小，导致流体流动阻力大，压力降过高。同时，管数较少，换热面积不足。经过计算和模拟，将管径适当增大，并增加了管数，同时优化了折流板的间距和排列方式，提高了壳程的传热效果。

• 传热参数优化：通过调整流体的流量和流动方式，提高了对数平均温差和传热系数。采用逆流流动方式，充分利用了两种流体的温度差，提高了传热效率。

• 操作参数优化：根据优化后的结构参数和传热参数，重新确定了流体的操作流量和压力，确保换热器在安全、稳定的条件下运行。

5.3 优化效果

经过参数优化后，换热器的传热效率显著提高，能够满足生产装置的冷却需求。同时，压力降降低，减少了泵送功率，降低了能耗。此外，换热器的制造成本也得到了有效控制，取得了良好的经济效益。

六、结论

化工管式换热器的参数对其性能有着至关重要的影响。结构参数决定了换热器的基本构型和换热面积，传热参数反映了换热器的传热能力，操作参数则直接影响换热器的实际运行效果。在实际设计、选型和运行过程中，需要综合考虑各种参数之间的相互关系，通过合理的参数优化来提高换热器的传热效率、降低能耗和成本。随着化工技术的不断发展，对换热器的性能要求也越来越高，未来还需要进一步深入研究换热器参数的优化方法和技术，以满足化工生产的需求。