管壳式换热器你真的了解么？

前言：这是作者第2次投稿了，第1篇文章作者从制造者的角度分析了GB/T 150-2024实施后对制造产生的若干影响，引发了广泛的热议。这篇文章是关于流体工艺的，说实话这个专业跨度有点大，我深深的理解呆在制造厂的小伙伴们，为了生计，十八般武艺得样样精通。作者自学HTRI，利用星期天休息的时间在家里写下此文，对专业的热爱令人佩服。
GB/T 150-2024实施后对制造产生的若干影响
犹记得武汉疫情那年，新加坡一家换热器公司要在武汉成立办事处，想招聘一名设计工程师，招聘邮件写着要会SW6、PV Eliete、HTRI、Solidworks等软件。由于我之前在专门的换热器制造厂待过几年，又会ASME和EN 13445设计，老板当时非常看重我。但是在看到招聘邮件要求后，我果断的给老板回复了一封拒绝的邮件。邮件是这么回复的，既要会设备设计，又要会流体工艺，工艺和设备是两个跨度很大的专业，人的精力是有限的，这样的人才没有百万年薪怕是找不到吧。我不会HTRI，所以不适合贵司。老板看到邮件后不但没有放弃，反而隔天就从新加坡飞回来和我面谈，当时已经谈妥了，待遇方面都为我开了很多特例。但和媳妇商量后她坚持要留在南京，不想回老家发展，这件事就此作罢。不过随后武汉就爆发了严重的疫情，现在庆幸当初的选择吧。作者的这篇投稿让我突然想到之前发生的这件事情。言归正传了。

流程路分析法
流路分析法是研究管壳式换热器壳程流动特性的重要方法，其核心思想是将壳程复杂的流体运动分解为多个特征性流路，通过量化分析各流路的流量分配及其传热贡献，为换热器设计与优化提供理论依据。在管壳式换热器中，由于折流板、管束间隙等结构的存在，壳程流体呈现显著的非均匀流动特征，形成主流、旁流、泄漏流等多种流路。

一、流路图与流路定义
管壳式换热器由壳体、管束、折流板、管板等核心部件构成。壳程流体沿折流板形成的曲折路径横向冲刷管束，管程流体在管内轴向流动，二者通过管壁进行热量交换。在使用折流板的换热器中，壳程流体流动的情况相当复杂。采用流路分析法，假定壳程流体均是沿着某些独立的流道从一个折流板空间流向下一个折流板空间，假定这些流道是具有模拟摩擦因子的管道，利用经典的管网分析技术可以获得壳程流体在各个流道的流态分布”。按照Tinker模型，壳程流体分为五股流路，如下图所示。

左图：各流路示意图                  右图：F和C流路示意图
1.1主要流路分类
A流路------折流板管孔与管子之间弧形间隙的泄漏流路，流体流向平行于管束的轴线。
B流路------垂直于管束的横向流(错流)流路，流动方向垂直于管束的轴线。
C流路------管束外围与壳体内壁之间的旁流流路，该流路占据了两个相邻折流板缺口之间所确定的螺旋形通道。在可拆卸管束的换热器，特别是浮头式换热器中，此流路的流通面积可能很大。
E流路------折流板外缘与壳体内壁之间的泄漏流路，流体流向平行于管束的轴线。
F流路------管程分程隔板处因为不布管，在壳程中形成的穿流流路(单程换热器中不存在此流路)，该流路位于与B流路平行的平面内。

二、各流路对传热的影响及推荐值
2.1 各流路对传热的影响
在这些流路中，B流路是管束热传递的有效流路，C、F流路的存在不利于传热。A流接近于B流，这是因为它也有效的与管子接触。C流和F流仅仅部分的与管子接触，而E流则完全不与管子接触，因此它们对换热过程的影响度的排列顺序为:B>A>C、F>E。
2.2 壳程流路推荐值
在利用软件模拟或校核换热器设计时，输出报告中B值越大越好，C、E、F值越小越好。
一般要求B>0.6，E<0.15，A最好小于0.1，但最大不超过0.2。
如果B流型小于0.6，那是因为折流板间距太小，需要增加其值;C流型一般要小于0.1，可增加密封条来降低其值或试着调试折流板数数值;F=0或接近0，若F值过大，可调整管程中管子的排列方式，使F流体改变流动型式以满足要求。
各流路推荐值如下表所示。

三、影响流路的因素及设计制造注意事项
1.对于A流路主要影响因素为折流板管孔与管子之间弧形间隙，折流板上的管孔必须略大于管外径以保证管子容易插入，其造成的间隙即折流板管孔与管壁之间的间隙，该间隙应该力求最小才能减少流动诱发振动，并使泄漏流A流路最少。
根据TEMA标准中的RCB-4.2，对于未受支承的管子的最大长度为36in.(914.4mm)或更小，或者对于外径大于1.25in.(31.8mm)的管子，该孔隙为1/32in.(0.80mm);对于未受支承的长度超过36in.，外径为1.25in.或更小的管子，该孔隙为1/62in.(0.40mm)。国内请自行查看相应标准。

2.对于B流路主要影响因素为折流板间距，折流板间距影响到壳程流体的流动方向和流速，从而影响到传热效率。
最小的折流板间距为壳体内径的1/5，不应该小于50mm。折流板间距太小会引起较大压力降，导致过量泄漏和旁路流动，并使管外的机械清洁比较困难”。
最大的板间距为壳径，折流板间距与壳体内径的最佳比值将可以实现压力降到热传递的最大转化，这个值通常在0.3~0.6范围内”。有文献指出，对于单相流体，适宜的折流板间距为壳体内径的1/3左右。
3.对于C流路主要影响因素为管束外围与壳体内壁之间的间隙，这个间隙源于边缘未布管的区域。由于管束并未填满整个壳体，壳体与管束之间存在间隙，这就使得旁路流C流路流过管束。
采用密封条可以堵住这个空隙从而使这个旁路流转向横掠管束。密封条也称旁路挡板、防冲板，如下图所示，它主要是为了防止流体由壳内和管束之间旁流。
密封条沿着壳体嵌人入到已铣好凹槽的折流板内，它一般成对设置，一般只设置一对，数量推荐如下表所示

密封条位置图

密封条（旁路挡板）数量推荐
结语
通过以上介绍，相信大家已经对换热器的结构及各部分对换热的影响有了一定了解，在以后的工作中无论是从事设计还是制造都希望对大家有所帮助，笔者能力水平有限，如有错误或不同意见欢迎指正或相互交流学习。
来源丨压力容器设计圈