辩析管壳式换热器的管程分层布管与热效率
摘要：本文通过对一台进口换热器的分层布管结构的分析，提出了一条改进换热器分层布管结 构设计的新思路，该方法简便、经济，能有效提高换热器的热效率。
1 前言
对于管壳式换热器设计来讲，除了满足工艺 指标、机械强度要求（安全性）外，一个更重要 的内容，就是如何更加经济合理的提高换热器换 热效率。近期我公司在为某化工厂进行设备改造 时，笔者见到了一台由德国设计、制造的6管程固 定管板换热器。该换热器结构紧凑，换热效率高， 其换热面积相当于按GB151规定结构设计的同规 格（直径、长度、换热管都相同）换热器的1.2倍。 在对该换热器进行解剖分析后，笔者认为该换热 器在换热管的布管理念上与国内换热器相比有了 新的思路。此种布管方式对改进和提高换热器换 热面上值得我们学习和借鉴。下面就该换热器的 布管结构与我国换热器的布管结构作一对比分析。
2 换热器的分层布管对热效率的影响
在进行换热器的结构设计时，为了提高换热 效率，一般的工艺途经是：一、延长两种热交换 介质的接触时间；二、增加两种热交换介质的接 触面积。我们知道在工艺设计中为延长和加大介 质之间的接触时间及面积，大概可采取以下几种 方法：一是增加壳程数量，即从结构上把换热器 设计为多壳程结构形式，这是一种有效的方法，但 是制造难度较大，一般不常采用；二是增加管程 数量，即从结构上把换热器设计为多管程结构形 式，此为既简单又常用的方法；三是同时增加管、 壳程数量等等。但在实际运用中大多首选增加管程数量来提高换热效率。
然而，就一台多管程换热器而言，按GB151 的规定结构进行设计，对管程进行分层时，会使 换热器的换热面积明显下降（如图1所示）。从图 中我们可以看出，对于同规格（直径、长度、换 热管都相同）的换热器来讲管程数分得越多，管 板上的布管数量就越少（因为分程隔板占用了管 板布管区的布管面积，使布管数量减少）[1]。图1a 是管程数为1层的换热器，其布管数为138根；图 1b是与图1a同规格的管板，只是管程数分为6层， 其布管数量为114根，比较两种情况，6管层换热 器比1管层换热器减少了24根管子，其换热面积 相应减少了近20%。
3 德国换热器的布管特点
笔者见到的德国换热器的布管特点，如图2所 示。从图中可以看出对同规格（直径、长度、换 热管都相同）的换热器来讲，管程分层数的多少 不会影响换热器的布管数量。比较“图2a”是管 程数为1层的换热器，其布管数为138根；“图2b” 是与“图2a”同规格的管板，但是管程数分为6层， 其布管数量仍为138根。两种换热器排管布局完全 一样，其换热面积没有因管程的分层数增加而减 少，原因是该换热器在用隔板分层时，隔板没有 占用布管区的面积（在管板上不加工分层隔板 槽）。为什么该换热器要采用此种结构呢？以下通 过对换热器法兰及隔板密封的定性分析，来说明此道理。
4 法兰、隔板间流体密封的定性分析
为了说明换热器中的分层隔板密封的实际情 况，我们可以借助于法兰连接密封的原理来给予 说明。依据《化工密封技术》[2]一书可知，界面泄 漏是法兰密封应主要考虑的失效形式，防止界面 泄漏可以归结为以下两个过程。第一，通过拧紧 法兰上的连接螺栓，使法兰对垫片产生压缩变形。 当螺栓力达到一定数值后，法兰密封面上的微观凹凸被压缩变形的垫片填满，从而阻止了界面泄 漏。第二，当设备在操作过程中，设备内的介质&n bsp;压力上升时，螺栓对法兰所产生的压力，被逐渐 抵消，直到介质压力达到某一定值时，螺栓与介 质对法兰所产生的合力达到一个新平衡点，此时， 该合力能使被压紧的垫片对流体所形成的阻力， 能阻止设备内的流体不从垫片与法兰密封面之间 的微缝隙中泄漏出（即此时的预紧密封比压仍然 大于工作密封比压，密封面与垫片之间仍然能保持足够大的流体阻力，此阻力能大于密封面两侧 介质压差所形成的泄漏推动力，以此阻止流体泄 漏），则法兰就能保持良好的密封状态。
换热器中分层隔板间的密封原理，实际上也 类似于上述法兰密封原理。它们的主要区别在于 其阻止流体泄漏方向上的不同和所需密封比压的 大小不同，如图3所示。法兰密封是阻止流体从设 备内向外漏；隔板密封则是阻止流体从隔板一侧 向另一侧漏。从密封的性质上讲，法兰密封属外漏，应严加防范；而隔板密封属内漏，要求相对 不严。从密封的原理上讲，法兰密封中被密封的 两侧介质压差（P 1 -P0＞P1-P2）相对较大，所形成 的流体泄漏的推动力也相应较大，因此，需要保 持的密封比压也相应较大；而在隔板密封中，被 密封两侧的介质压差（P 1 -P2小于P1-P0）相对较小， 所形成的流体泄漏的推动力相对较小，因而，需要保持的密封比压也相应较小。
通过以上分析我们不难看出在同一台换热器中隔板间的密封要比法兰间的密封更容易得到保 证。这就是为什么进口的德国换热器不专门为分 层隔板设置密封面（更不必在管板上开设隔板密 封槽），而只在其适当位置（如图4所示，利用相互连通的管桥端面）作为隔板密封面的理由。而 事实上，笔者所见到的德国换热器已在该化工厂 顺利运行了10多年，用户的反应效果相当好。
5 热效率及经济性比较
由于德国换热器在分层隔板时没有增加隔板 的密封面积（Sn=S），所以在分层结构上，单管程 与多管程的布管形式及数量都是完全相同的，当然，换热面积就不会因分层而改变；而用GB151 所设计的换热器在分层时增加了相当部分的分层 隔板密封面积（Sn＞S）[1]，故其分层越多，布管越少，分层降低了换热面积。并且这种分层对换 热面积的影响，会随着分层数及壳体直径的增加 而增加。如本例，在同等条件下以6管层换热器统 计，进口的德国换热器的换热面积要比按GB151 设计的换热器的换热面积多约20%，相当于只需 增加20%的换热管就可以获得1.2台同类型换热 器。不仅如此，由于不需要在管板上加工隔板槽， 使得对换热器管板的加工更加简便、经济,管板厚 度也相应得到减小，且管板受力因非布管区减小， 而更加合理；另外，不留隔板槽的密封面积还可 以克服因隔板槽占据的面积，在壳程中所形成的 空隙，给壳体内的流体造成短路而降低换热效率 等问题。由此可见，如果我们在换热器的结构设 计中，能在此方面给予改进，对提高我国换热器的热效率及降低制造成本等会大有帮助。
6 结束语
换热器的结构设计是否合理，直接影响着换 热器的换热效率及制造加工成本。特别是对于一 台大直径多管程的换热器来讲，其影响程度是相 当大的。本文通过对德国换热器分层结构的分析， 并结合该设备10多年的使用经验，从理论和实际 运用上都证明了，采用不增加分层隔板槽密封面 积的管板结构，是一种简便、可行的设计方法，它 能有效提高换热器热效率，使制造加工更加方便, 并能有效降低换热器的制造成本。
参考文献
[1]GB151-1999《管壳式换热器》[S].
[2]胡国祯《.化工密封技术》[M].化工出版社.1999.
