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管殼式冷卻器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
1提高傳熱效率
管殼式冷卻器是問壁傳熱式冷卻器，冷熱流體通過冷卻器板片傳熱，流體與板片直接接觸，傳熱方式為熱傳導(dǎo)和對(duì)流傳熱。提高管殼式冷卻器傳熱效率的關(guān)鍵是提高傳熱系數(shù)和對(duì)數(shù)平均溫差。
① 提高冷卻器傳熱系數(shù)只有同時(shí)提高板片冷熱兩側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，減小污垢層熱阻，選用熱導(dǎo)率高的板片，減小板片的厚度，才能有效提高冷卻器的傳熱系數(shù)。
a．提高板片的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)
由于管殼式冷卻器的波紋能使流體在較小的流速下產(chǎn)生湍流 (雷諾數(shù)一 150時(shí) )，因此能獲得較高的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與板片波紋的幾何結(jié)構(gòu)以及介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。板片的波形包括人字形、平直形、球形等。經(jīng)過多年的研究和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，波紋斷面形狀為三角形 (正弦形表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)最大，壓力降較小，受壓時(shí)應(yīng)力分布均勻，但加工困難？ )的人字形板片具有較高的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，且波紋的夾角越大，板間流道內(nèi)介質(zhì)流速越高，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)越大。
b．減小污垢層熱阻
減小冷卻器的污垢層熱阻的關(guān)鍵是防止板片結(jié)垢。板片結(jié)垢厚度為 1 mm時(shí)，傳熱系數(shù)降低約 10%。因此，必須注意監(jiān)測(cè)冷卻器冷熱兩側(cè)的水質(zhì)，防止板片結(jié)垢，并防止水中雜物附著在板片上。有些供熱單位為防止盜水及鋼件腐蝕，在供熱介質(zhì)中添加藥劑，因此必須注意水質(zhì)和黏 *劑引起雜物沾污冷卻器板片。如果水中有黏性雜物，應(yīng)采用專用過濾器進(jìn)行處理。選用藥劑時(shí)，宜選擇無黏性的藥劑。
c．選用熱導(dǎo)率高的板片
板片材質(zhì)可選擇奧氏體不銹鋼、鈦合金、銅合金等。不銹鋼的導(dǎo)熱性能好，熱導(dǎo)率約14．4 W/(m?K) ，強(qiáng)度高，沖壓性能好，不易被氧化，價(jià)格比鈦合金和銅合金低，供熱工程中使用最多，但其耐氯離子腐蝕的能力差。

d．減小板片厚度
板片的設(shè)計(jì)厚度與其耐腐蝕性能無關(guān)，與冷卻器的承壓能力有關(guān)。板片加厚，能提高冷卻器的承壓能力。采用人字形板片組合時(shí)，相鄰板片互相倒置，波紋相互接觸，形成了密度大、分布均勻的支點(diǎn)，板片角孑 L及邊緣密封結(jié)構(gòu)已逐步完善，使冷卻器具有很好的承壓能力。國產(chǎn)可拆式管殼式冷卻器最大承壓能力已達(dá)到了 2.5 MPa。板片厚度對(duì)傳熱系數(shù)影響很大，厚度減小 0.1mm，對(duì)稱型管殼式冷卻器的總傳熱系數(shù)約增加 600W/(m ?K)，非對(duì)稱型約增加 500 W/(m ?K) 。在滿足冷卻器承壓能力的前提下，應(yīng)盡量選用較小的板片厚度。
② 提高對(duì)數(shù)平均溫差
管殼式冷卻器流型有逆流、順流和混合流型 (既有逆流又有順流 )。在相同工況下，逆流時(shí)對(duì)數(shù)平均溫差最大，順流時(shí)最小，混合流型介于二者之問。提高冷卻器對(duì)數(shù)平均溫差的方法為盡可能采用逆流或接近逆流的混合流型，盡可能提高熱側(cè)流體的溫度，降低冷側(cè)流體的溫度。
③ 進(jìn)出口管位置的確定
對(duì)于單流程布置的管殼式冷卻器，為檢修方便，流體進(jìn)出口管應(yīng)盡可能布置在冷卻器固定端板一側(cè)。介質(zhì)的溫差越大，流體的自然對(duì)流越強(qiáng)，形成的滯留帶的影響越明顯，因此介質(zhì)進(jìn)出口位置應(yīng)按熱流體上進(jìn)下出，冷流體下進(jìn)上出布置，以減小滯留帶的影響，提高傳熱效率。
2.2降低冷卻器阻力的方法
提高板問流道內(nèi)介質(zhì)的平均流速，可提高傳熱系數(shù)，減小冷卻器面積。但提高流速，將加大冷卻器的阻力，提高循環(huán)泵的耗電量和設(shè)備造價(jià)。循環(huán)泵的功耗與介質(zhì)流速的 3次方成正比，通過提高流速獲得稍高的傳熱系數(shù)不經(jīng)濟(jì)。當(dāng)冷熱介質(zhì)流量比較大時(shí)，可采用以下方法降低冷卻器的阻力，并保證有較高的傳熱系數(shù)。
① 采用熱混合板
熱混合板的板片兩面波紋幾何結(jié)構(gòu)相同，板片按人字形波紋的夾角分為硬板 (H)和軟板 (L)，夾角 (一般為 120。左右 )大于 90。為硬板，夾角 (一般為 70。左右 )小于 90。為軟板。熱混合板硬板的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)高，流體阻力大，軟板則相反。硬板和軟板進(jìn)行組合，可組成高 (HH)、中 (HL)、低 (LL)3種特性的流道，滿足不同工況的需求。
冷熱介質(zhì)流量比較大時(shí)，采用熱混合板比采用對(duì)稱型單流程的冷卻器可減少板片面積。熱混合板冷熱兩側(cè)的角孔直徑通常相等，冷熱介質(zhì)流量比過大時(shí)，冷介質(zhì)一側(cè)的角孑 L壓力損失很大。另外，熱混合板設(shè)計(jì)技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)精確匹配，往往導(dǎo)致節(jié)省板片面積有限。因此，冷熱介質(zhì)流量比過大時(shí)不宜采用熱混合板。
② 采用非對(duì)稱型管殼式冷卻器
對(duì)稱型管殼式冷卻器由板片兩面波紋幾何結(jié)構(gòu)相同的板片組成，形成冷熱流道流通截面積相等的管殼式冷卻器。非對(duì)稱型 (不等截面積型 )管殼式冷卻器根據(jù)冷熱流體的傳熱特性和壓力降要求，改變板片兩面波形幾何結(jié)構(gòu)，形成冷熱流道流通截面積不等的管殼式冷卻器，寬流道一側(cè)的角孑 L直徑較大。非對(duì)稱型管殼式冷卻器的傳熱系數(shù)下降微小，且壓力降大幅減小。冷熱介質(zhì)流量比較大時(shí)，采用非對(duì)稱型單流程比采用對(duì)稱型單流程的冷卻器可減少板片面積 15% 一 3O% 。
③ 采用多流程組合
當(dāng)冷熱介質(zhì)流量較大時(shí)，可以采用多流程組合布置，小流量一側(cè)采用較多的流程，以提高流速，獲得較高的傳熱系數(shù)。大流量一側(cè)采用較少的流程，以降低冷卻器阻力。多流程組合出現(xiàn)混合流型，平均傳熱溫差稍低。采用多流程組合的管殼式冷卻器的固定端板和活動(dòng)端板均有接管，檢修時(shí)工作量大。
④ 設(shè)冷卻器旁通管
當(dāng)冷熱介質(zhì)流量比較大時(shí)，可在大流量一側(cè)冷卻器進(jìn)出口之問設(shè)旁通管，減少進(jìn)入冷卻器流量，降低阻力。為便于調(diào)節(jié)，在旁通管上應(yīng)安裝調(diào)節(jié)閥。該方式應(yīng)采用逆流布置，使冷介質(zhì)出冷卻器的溫度較高，保證冷卻器出口合流后的冷介質(zhì)溫度能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。設(shè)冷卻器旁通管可保證冷卻器有較高的傳熱系數(shù)，降低冷卻器阻力，但調(diào)節(jié)略繁。
⑤ 管殼式冷卻器形式的選擇
冷卻器板間流道內(nèi)介質(zhì)平均流速以 0．3～ 0．6m／ s為宜，阻力以不大于100 kPa為宜。根據(jù)不同冷熱介質(zhì)流量比，可參照表 1選用不同形式的管殼式冷卻器，表中非對(duì)稱型管殼式冷卻器流道截面積比為 2。采用對(duì)稱型或非對(duì)稱型、單流程或多流程管殼式冷卻器，均可設(shè)置冷卻器旁通管，但應(yīng)經(jīng)詳細(xì)的熱力計(jì)算。

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