浅谈U形管式换热器设计

摘 要：管壳式换热器具有可靠性高、适应性广等特点，在各工业领域中得到最为广泛的应用。近年来尽管受到了其他新型换热器的挑战，单反过来也促进的其自身的发展。在换热器向高参数大型化发展的今天，管壳式换热器仍占主导地位。根据管壳式换热器结构特点，可分为固定管板式、浮头式、U形管式、填料函式和釜式重沸器等，本文主要介绍U形管式换热器的设计优缺点和设计中需要注意的问题。

关键词：换热器；管壳式换热器；U形管式换热器

引言

U形管式换热器的典型结构如图所示。这种换热器的结构特点是，只有一块管板，管束由多根U形管组成，换热管的两端固定在同一块管板上，管子可以自由伸缩，当壳体与U形换热管有温差时，不会产生热应力。

但由于受弯管曲率半径的限制，其换热管排布较少，管束最内层管间距较大，管板的利用率较低；壳层流体易容易形成短路，对传热不利，当管子泄漏或损坏时，只有管束处的U形管才便于更换，内层换热管坏了不易更换，最直接的办法就是堵死，这就相当于坏一根U形管相当于坏两根直管；如若更换，在工作量上就相当巨大，就不如直接更换管束部件。

U形管式换热器的最大特点就是结构简单、价格便宜，承压能力强，适用于管、壳壁温差较大或壳程介质结垢需要去清洗，又不适于采用浮头式和固定管板的场合。特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性强的物料。

一、设计中常见问题

1、材料方面

换热器千变万化，其使用材料也是各种各样，材料不同，其使用功能也有一定的差异，影响着换热器的换热效果，所以材料的选择在换热器的设计中非常重要。另一方面，在材料的选择上，需要考虑的因素比较多，比如客户的喜好、换热器运行的环境、使用人员的不同、工艺的要求、体型的差异等等。但是在实际设计的时候，仍然会出现各种的干扰因素，影响对换热器材料的选择。比如用户要求降低厚度，那么设计人员又要重新根据这一要求进行再次的计算，检验，然后重新做出设计方案；当然，也有客户认为壁厚不够要求增加的，这时候设计人员就应该对用材进行重新选择，既可以满足客户要求，又能达到受力及耐腐蚀条件，还可以节约成本。

2、管板方面

管板是管壳式换热器最重要的零件之一，用来排布换热管，将管程和壳程的流体分隔开来，避免冷、热流体混合，并同时受管程、壳程压力和温度的作用。

材料上，在选择材料时，除力学性能外，还应考虑管程和壳程流体的腐蚀性，以及管板和换热管之间的电位差对腐蚀的影响。当流体无腐蚀或轻微腐蚀时，管板一般采用压力容器常用的碳素钢和低合金钢板或锻件制造；当流体腐蚀性较强时，管板应采用不锈钢、铜、钛等耐腐蚀性材料，或者计算厚度较大时，采用复合管板以降低管板厚度。

结构上，当换热器承受高温、高压时，高温和高压对管板的要求是矛盾的。增大厚度可以提高承压能力，两侧流体温差加大时，降低厚度却又能降低管板的热应力，但承压能力随之降低。因此在满足强度的前提下应尽量降低管板厚度。

另外由于U形管受弯管曲率半径的影响，多数管板中间隔板处基本不排管，因此在设计过程中可以在满足最小弯曲半径的前提下，中间可考虑斜布管以增加排管数量（如图1），另外由于多管程排管过程中，中间不排管，应在设计过程中增加类似旁路挡板的拉杆或假管（如图2），以防止物料在壳程中发生短路，如下图

3、换热管方面

换热管的形式除了光管外，还可以采用各种各样的强化传热管，如翅片管，螺旋槽管，螺纹管等。换热管的尺寸主要有14，19，25，38等，采用小直径管，可使单位体积的传热面积增大，结构紧凑，金属耗量减少传热系数提高。经计算，将同筒径的换热器的换热管由25改为19，其传热面积可增加40%左右，节约金属20%以上。但小管径流体阻力大，不便于清洗，易结垢堵塞。所以一般大直径管子用于黏性较大或污浊的流体，小直径的管子用于较清洁的流体。因此如何选择较合理的筒径和换热管的尺寸，从而做到既经济又合理，是设计者的主要任务。

二、换热器的优化设计

很多时候设计者再换热器的设计中出于麻烦的考虑，往往在筒径和换热管尺寸方面只按照自身习惯考虑，往往忽略了对换热器尺寸的综合考虑，比如压降大时对折流板的选择形式和缺口方向，以及布管角度不闻不问，这是设计者对产品缺少漏失，很大程度上是对材料的一种浪费。

只有对换热器进行科学设计，综合全面的考虑各种可能出现的情况，才能最大限度的保证换热器的质量，保障其安全生产，其设计质量的好坏，直接决定着其在生产过程中能够发挥的价值，对于工业来说非常重要。因此，相关设计人员在进行换热器的O计的时候，一定要考虑全面，尤其是对于容易出现漏洞的地方，要经过反复的核查、检验，只有这样才能确提升换热器的性能，在国内工业生产中，发挥出其应有的价值。

参考文献：

[1]GB151-2014《热交换器》

[2]周新房.浅谈化工压力容器设计选材问题[J].科技视界.2014（26）

[3]《换热器设计手册》钱颂文2002.8