陈平1，倪永良2
（1.常州市赛福化工成套设备安装有限公司， 江苏 常州 213126）（2.江苏省化工设备制造安装有限公司， 江苏 常州 213002）
[摘 要] 根据U形管式换热器中换热管采用正三角形与正方形两种布管方式分别适用于不同工况的情况，分析了换热管不同的排列形式对换热器制造成本及换热效率的影响，指出当换热管采用正三角形布管时，选择30°正三角形排列形式的结构，能够减少换热器的制造成本，并且可以提高换热效率，而当换热管采用正方形布管时，为了提高换热效率，应选择45°转角正方形排列形式的结构。 [关键词] U形管式换热器；换热管排列形式；正三角形排列；正方形排列
作者简介：陈平（1979－），男，江苏常州人，本科学历，工
程师。主要从事压力容器设计和制造工作。
正三角形排列 (30°) 转角正三角形排列 (60°)
图1 换热管采用正三角形布管的排列形式
换热器又称热交换器，是工业生产尤其是化工生产中的重要单元操作设备，主要用于不同介质之间的热量交换、物料气化或冷凝、余热回收等操作过程。
换热器的结构型式有多种，目前常用的结构是管壳式换热器，包括固定管板式换热器、浮头式换热器、U 形管式换热器、填料函式换热器、釜式重沸器[1]。
U 形管式换热器是管壳式换热器中的一种重要结构，因为U 形管式换热器的换热管在受热或受冷时可以自由伸缩，与壳程圆筒之间不存在温差应力，而且结构简单、造价低，管束可以抽出进行机械清洗，所以应用比较广泛，另外，U 形管式换热器还适合于在高温、高压下工作[2]。1 换热器中换热管
布管的排列形式
在换热器中，换热管的布管方式主要有正三角形和正方形两种，当换热器直径及换热管中心距一定时，正三角形布管比正方形布管可以布置更多根数的换热管，所以通常情况下，换热器中都是采用正三角形布管的。但是，当壳程介质容易结垢或者堵塞而需要定期进行机械清洗时，应选用可以抽出管束的U 形管式或浮头式换热器，且采用正方形布管，因为正方形布管的管束，抽出后管间容易清洗[3]。
根据壳程介质横向流过换热管管间空隙的流向不同，换热管采用正三角形布管时，换热管的排列形式又分为正三角形排列（30°）和转角正三角形排列（60°）两种[4]，见图1。
同样，换热管采用正方形布管时，换热管的排列形式又分为正方形排列（90°）和转角正方形排列（45°）两种，见图2。
正方形排列 (90°) 转角正方形排列 (45°)
图2 换热管采用正方形布管的排列形式
换热管为30°正三角形排列或45°转角正方形排列时，流体在垂直流向折流板缺口时正对换热管，冲刷换热管外表面，提高换热效果。同时，这两种换热管排列形式，流体的通道截面积小，有利于提高流
速，提高换热效率[5]。
2 U 形管式换热器换热管不同排列形式的经济性分析
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石油和化工设备2017年第20卷
图4 换热管60°转角正三角形排列布管图
图3 换热管30°正三角形排列布管图
对于固定管板式换热器，由于管束不能抽出进行机械清洗，所以换热管不需要采用正方形布管，一般都是采用正三角形布管。而对于浮头式或U 形管式换热器，因为管束抽出，如需进行机械清洗，应采用正方形布管，若不需要清洗，为了增加换热管的布管数量，则应采用正三角形布管。
在固定管板式换热器及浮头式换热器中，当换热管的布管方式确定后，如换热管采用正三角形布管，
而换热管相对于壳程介质的流向是30°正三角形排列形式还是60°转角正三角形排列形式，只是管板上正三角形的方向与壳程折流板缺口的方向之间的位置关系不同，不影响管板上换热管的布管数量，即使是多管程换热器，管板上换热管的布管需要按照管箱隔板的位置而定，但基本上也不会影响管板上换热管的布管数量。2.1 30°正三角形及60°转角正三角形排列形成对U 形管式换热器的影响
在U 形管式换热器中，如果换热管采用正三角形布管，而换热管相对于介质流向是30°正三角形排列形式或60°转角正三角形排列形式时，则U 形换热管的规格及每种规格的数量是不同的。下面以一台直径为φ1000mm 的两管程U 形管式换热器为例进行分析，换热管外径为φ25mm ，换热管中心距为S=32mm 。
当换热管为30°正三角形排列形式时，管板上的布管见图3。
图3中管板上的管孔数为732个，可以装配366根U 形管（未扣除拉杆的数量），其中U 形管弯曲
半径R 的规格有16种。
当换热管为60°转角正三角形排列形式时，管板上的布管见图4。
图4中管板上的管孔数为716个，可以装配358根U 形管（未扣除拉杆的数量），其中U 形管弯曲半径R 的规格有27种。
由图3和图4可以看出，换热管分别为30°正三角形排列形式及60°转角正三角形排列形式时，管板上的管孔数略有不同，但U 形管弯曲半径R 的规格，前者为16种，后者为27种，所以U 形管弯曲半径R 的规格数相差很大。
在一台U 形管式换热器中，如果U 形管的根数基本相同，而U 形管弯曲半径R 的规格数不同，虽然对换热器的换热面积没有多大影响，但对换热器的制造成本是有影响的。因为U 形管弯曲半径R 的规格数多，弯制U 形管的模具就多，模具费支出就多。另外，弯制U 形管时，装拆弯管模的次数就多，弯制U 形管的人工工时要增加，人工费支出就多。还有，由于U 形管的弯曲半径R 不同，每根U 形管的展开长度L 就不同，如果U 形管弯曲半径R 的规格数多，则给换热管采购带来不便，因为为了减少切割余料浪费，U 形管式换热器的换热管订货时，要根据每根换热管的展开长度L 适当分档，按照不同长度订货，而U 形管弯曲半径R 的规格数增加后，将给换热管分档订货增加麻烦。因此，从经济性方面分析，U 形管式换热器如采用正三角形布管，换热管选择30°正三角形排列形式，与选择60°转角正三角形排列形式相比，可以减少制造成本。而且，选择30°正三角形排列形式，还可以提高换热效率。
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第6期 陈平等 U形管式换热器换热管排列形式选择
图5 换热管90°正方形排列布管图
图6 换热管45°转角正方形排列布管图
2.2 90°正方形及45°转角正方形排列形成对U 形管式换热器的影响
在U 形管式换热器中，如果换热管采用正方形布管，而换热管相对于介质流向是90°正方形排列形式或45°转角正方形排列形式时，则U 形换热管的规格及每种规格的数量也是不同的。同样以一台直径为φ1000mm 的两管程U 形管式换热器为例进行分析，换热管外径为φ25mm ，换热管中心距为S=32mm 。
当换热管为90°正方形排列形式时，管板上的布管见图5。
图5中管板上的管孔数位640个，可以装配320根U 形管（未扣除拉杆的数量），其中U 形管弯曲半径R 的规格有14种。
当换热管为45°转角正方形排列形式时，管板上的布管见图6。
图6中管板上的管孔数位620个，可以装配310根U 形管（未扣除拉杆的数量），其中U 形管弯曲半径R 的规格有19种。
从经济性方面分析，U 形管式换热器如采用正方形布管，换热管选择90°正方形排列形式，与选择45°
转角正方形排列形式相比，可以减少U 形管弯管模数量，减少模具费用及弯制U 形管的人工工时成本。
但是，换热管为90°正方形排列形式时，介质对大多数换热管起不到冲刷作用，仅与换热管的侧面接触，换热效果没有45°转角正方形排列形式好，同时，90°正方形排列形式的流体通道截面积也大于45°转角正方形排列形式，流速较低，换热效率也低于45°转角正方形排列形式，如果要达到与45°转角正方形排列相同的换热效率，就要增加换热面积，这样反而要增加换热器的成本。反之，换热管为45°转角正方形排列时，流体在垂直流向折流板缺口时正对换热管，冲刷换热管外表面，提高换热效果，而且流体的通道截面积小，有利于提高流速，提高换热效率，况且换热管为45°转角正方形排列时，与换热管为90°正方形排列相比，U 形管弯曲半径R 的规格数增加并不多，对制造成本影响不大。所以，当U 形管式换热器中换热管采用正方形布管时，应选择45°转角正方形排列形式。3 结语
U 形管式换热器因具有换热管与壳程圆筒之间不存在温差应力、结构简单、造价低等优点，所以应用比较广泛。
如果U 形管束不需要抽出进行机械清洗，应采用正三角形布管，并选择换热管相对于介质流向为30°正三角形排列形式的结构，可以减少换热器的制造成本，提高换热效率。
如果U 形管束需要定期抽出进行机械清洗，应采用正方形布管，并选择换热管相对于介质流向为45°转
角正方形排列形式的结构，在换热面积不变的情况下，可以达到较高的换热效率。
◆参考文献
[1] 郑津洋，董其伍，桑芝富主编. 过程设备设计[M].北京：化学工业出版社，2012.
[2] 李云花，骆晓玲. 基于U 形管式换热器的优化设计研究[J].液压与气动，2006，(6)：69-70.
（下转11页）
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第6期
图5 间接电加热器的监控主界面
5 结束语
本文介绍了一种基于S7-300的间接电加热器控制系统的设计方案。该系统投运以来，设备运行安全平稳、可靠，完全满足生产实际需要。
[3] 张延年等主编. GB/T 151-2014《热交换器》标准释义及算例[M].北京：新华出版社，2015.[4] GB/T 151-2014，热交换器[S].
[5] 秦叔经，叶文邦等编. 化工设备设计全书 换热器[M].北京：化学工业出版社，2003.
收稿日期：2017-02-10；修回日期：2017-04-13
（上接7页）
◆参考文献
[1]海洋石油工程设计指南编委会.海洋石油工程设计概念与工艺设计[J].北京：石油工业出版社，2008.
[2]SIMA TICS7-300可编程序控制器.西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团，2003.
u形管收稿日期：2017-03-06；修回日期：2017-04-26
刘志芳等 海洋平台间接电加热器控制系统设计
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