1、热交换器的选型和设计指南目 录1 概述 .12 换热器的分类及结构特点。 .13 换热器的类型选择 .24 无相变物流换热器的选择 .115 冷凝器的选择 .136 蒸发器的选择 .147 换热器的合理压力降 .178 工艺条件中温度的选用 .189 管壳式换热器接管位置的选取 .1910 结构参数的选取 .1911 管壳式换热器的设计要点 .2312 空冷器的设计要点 .3213 空冷器设计基础数据 .35热交换器的选型和设计指南 Page 1 of 381 概述本工作指南为工艺系统工程师提供换热器的选型原则和工艺参数的选取及计算方法。2 换热器的分类及结构特点。表 21 换热器的结构分类固
2、定管板式刚性结构：用于管壳温差较小的情况(一般50C)，管间不能清洗带膨胀节：有一定的温度补偿能力，壳程只能承受较低压力浮头式 管内外均能承受高压，可用于高温高压场合管壳式 U型管式 管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难填料函式外填料函：管间容易漏泄，不宜处理易挥发、易爆易燃及压力较高的介质管 内填料函：密封性能差，只能用于压差较小的场合式 釜式 壳体上都有个蒸发空间，用于蒸汽与液相分离套管式 双套管式结构比较复杂，主要用于高温高压场合，或固定床反应器中套管式 能逆流操作，用于传热面较小的冷却器、冷凝器或预热器螺旋 浸没式 用于管内流体的冷却、冷凝，或者管外流体的加热盘管式 喷淋式 只用于管
3、内流体的冷却或冷凝板式 拆洗方便，传热面能调整，主要用于粘性较大的液体间换热螺旋板 可进行严格的逆流操作，有自洁作用，可回收低温热能板式伞板式 伞形传热板结构紧凑，拆洗方便，通道较小，易堵，要求流体干净板壳式 板束类似于管束，可抽出清洗检修，压力不能太高扩展 板翅式 结构十分紧凑，传热效率高，流体阻力大表面式管翅式 适用于气体和液体之间传热，传热效率高，用于化工、动力、空调、制冷工业热交换器的选型和设计指南 Page 2 of 38回旋式 盘式 传热效率高，用于高温烟气冷却等蓄热 鼓式 用于空气预热器等式 固定格 紧凑式 适用于低温到高温的各种条件室式 非紧凑式可用于高温及腐蚀性气体场合3 换
4、热器的类型选择换热器的类型很多，每种型式都有特定的应用范围。在某一种场合下性能很好的换 热器，如果换到另一种场合可能传热效果和性能会有很大的改变。因此，针对具体情况正确地选择换热器的类型，是很重要的。换热器选型时需要考虑的因素是多方面的，主要有:1) 热负荷及流量大小2) 流体的性质3) 温度、压力及允许压降的范围4) 对清洗、维修的要求5) 设备结构、材料、尺寸、重量6) 价格、使用安全性和寿命在换热器选型中，除考虑上述因素外，还应对结构强度、材料来源、加工条件、密封性、安全性等方面加以考虑。所有这些又常常是相互制约、相互影响的，通过设计的优化加以解决。针对不同的工艺条件及操作工况，我们有时
5、使用特殊型式的换热器或特殊的换热管，以实现降低成本的目的。因此，应综合考虑工艺条件和机械设计的要求，正确选择合适的换热器型式来有效地减少工艺过程的能量消耗。对工程技术人员而言，在设计换热器时，对于型式的合理选择、经济运行和降低成本等方面应有足够的重视，必要时，还得通过计算来进行技术经济指标分析、投资和操作费用对比，从而使设计达到该具体条件下的最佳设计。 3.1 管壳式换热器管壳式换热器的应用范围很广，适应性很强，其允许压力可以从高真空到41.5MPa，温度可以从-100C以下到 1100C高温。此外，它还具有容量热交换器的选型和设计指南 Page 3 of 38大、结构简单、造价低廉、清洗方便
6、等优点，因此它在换热器中是最主要的型式。3.2 特殊型式的换热器特殊型式的换热器包括有:板式换热器、空冷器、多管式换热器、折流杆式换热器、板翅式换热器、螺旋板式换热器、蛇管式换热器和热管换热器等。它们的使用是受设计温度和设计压力限制的。在下图中给出了特殊型式的换热器的适用范围，可供参考。表 31 特殊型式换热器的使用范围3.3 特殊型式的换热管热交换器的选型和设计指南 Page 4 of 38特殊型式的换热管包括有低翅管、高通量管(UCC)、Thermoexcell-E、C(日立)及槽管等。3.4 常用换热器下表中概括地描述了常用换热器的型式及应用条件和特点。表 34 换热器的类型及应用类 型
7、Types换热面积Size(m2)温 度Temperaturet(C)压力(最大)Pressure(kgf/cm2)材 料Material特 点 和 应 用Features and Application1管 壳 式 换 热 器管壳式(标准型)S&T5000 -270t1650 600 无限制 这种类型的换热器被广泛地用在工艺装置中，安全、可靠。可以通过采用特殊类型的换热管来提高其传热性能。折流杆式rod baffle5000 -100t600 300 无限制 通过折流杆支承换热管来消除振动。由于壳侧流动是纵向的、和有规律的，因此压力损失较小，适用于允许压降小的气液或气体系统。多管式multi
8、tube50 -100t600 300 无限制 因流动为纯逆流，故具有较好的传热推动力, 当换热面积相对比较小并且两流体温度交叉时，可考虑采用此型式。另外，若壳侧传热不好，可使用翅片管来强化传热。蛇管式coiled tube2000 -260t600 200 铜铝不锈钢碳钢在低温系统中，因不宜采用铝材板翅式换热器，而经常使用蛇管式换热器。 纯逆流流动，传热可在两股以上流体间进行高弹性的结构可以克服热应力热交换器的选型和设计指南 Page 5 of 38在高温的气 气换热时，可采用不锈钢材料。2单 管 式 换 热 器套管式double tube10 -100t600 300 铜铝不锈钢碳钢当传热
9、面积比较小(10m 220m2 )时，一般选用套管式换热器。流动为纯逆流，制造成本低，维修容易，但是紧凑性较差。长号式Trombone100 -50t300 300 铜铝不锈钢碳钢也称作冲洗式，水被从管侧上处喷下，加热或冷却管内流体经常用在利用海水作介质的液化石油气加热器中。结构简单并易于维修，但是设备占地面积较大。蛇管式coil10 0t300 300 铜、铝不锈钢碳钢蛇管式换热管经常被插在罐中用以加热或冷却罐内的液体。类 型Types换热面积Size(m2)温 度Temperaturet(C)压力(最大)Pressure(kgf/cm2)材 料Material特 点 和 应 用Featur
10、es and Application板式plate (gasket)2000 -40t200 25 钛不锈钢等结构紧凑，易维修。 在液液换热设备中传热系数较高，实际应用范围广泛。也可于气体冷却、冷凝或沸腾传热。螺旋板式spiral200 -90t400 20 碳钢不锈钢钛等主要有逆流和错流两种形式。当温度存在交叉时，最好选用逆流形式,而当气体冷却或冷凝时,由于错流流动压力损失小，故常采用此形式。另外,要慎重选择流体的流路尽量避免由于两股流体流率不平衡而造成的设备传热性能的降低。4翅 片 式 换 热 器热交换器的选型和设计指南 Page 6 of 38空冷器air_cooled2000 500(
11、air temp.:-60 + 50)500 碳钢不锈钢翅片：铝、碳钢空冷器和管壳式换热器相比，安装面积大，对空冷器需作包括结构价格、耗电等因素在内的综合费用分析。通常当物流出口温度高于环境温度15C20C或更高时，使用空冷器较为经济。板翅式plate fin10000 260t100(铝)70 铝不锈钢铜板翅式换热器通常用于低温过程。其传热性能好、重量轻、结构紧凑，适应性广，可用于单相流动、冷凝器和蒸发器中对高温体系中的气 气换热，目前正逐渐使用材质为不锈钢的板翅式换热器。对铝合金制造的板翅式换热器，可利用其低温延展性和抗拉性好的特点，特别适用低温或超低温场合。热管heat pipe0.00
12、035 所有 U型管 M(4) A 可抽式 C A S或T(5) M A S或T(5)0.00035 0.00035固定式 C A L见附图一(1)C：化学清洗；M：机械清洗，包括高压水力喷射清洗。(2)A：当管侧或壳侧腐蚀裕度为3.0mm时，首选封头型式。(3)B：常用的、较为经济的封头型式。(4)只用于管内侧可用高压水喷射清洗的冷却水系统。(5)一般使用S形型头，除非有特殊要求时选T型封头。热交换器的选型和设计指南 Page 9 of 38(6)当壳侧污垢系数0.00035时,可以使用不可拆端盖。(7)当壳侧污垢系数0.00035并且管侧可用高压水喷射清洗时，T型封头可使用不可拆端盖。(8
13、)B或C：常用型式，比A型经济。(9)M或N：常用型式，比L型经济。(10)L：当管侧腐蚀裕度为3.0mm时，首选封头型式。表 36 各类换热器管程数限制换 热 器 类 型 管程数限制U型管式 任意偶数；分程隔板只装在换热器前端固定管板式 任意数；前、后两端均有分程隔板拔出浮头式 任意偶数；对于单管程，必须在浮头端加装密封节；一般不用于单管程换热器。带外密封套环的浮头式 单管程或双管程；因为尾部没有分程隔板带双开卡环的浮头式 任意偶数；单管程时浮头端要加装密封节带填料函的浮头式 任意数表 37 最 大 管 程 数壳 内 径 最 大 管 程 数15 C3) 有效对数平均温差 40C 4) 热流体
14、凝固温度 10kpa7) 管内介质的传热膜系数 0.0002m 2.C/W4 无相变物流换热器的选择4.1 无相变流动的换热器应遵循表 38 中的通用规则。4.2 在大多数情况下，单相流动可以选用特殊型式的换热器，这些换热器可以达到节省设备结构造价和降低能耗的目的。在设备选型时可参考下表中不同类型换热器的传热系数值。常用换热器的总传热系数Kcal/(h.m 2.C)流 股 A 流 股 B 管壳式 板式 螺旋板 其 它 型 式水 冷却水 700 4000 1500 选板式换热器较理想烃类(2230kg/m2.s, 腐蚀性液体 2740 kg/m2.s，且进入的物流为气体和饱和水蒸汽或者为气液混和
15、物时，这些物流将对入口处的管子进行冲击，引起振动和腐蚀。为了保护这部分管子应设置缓冲挡板。11 管壳式换热器的设计要点换热器的设计过程包括计算换热面积和选型两个方面。有关换热器的选型问题，前面已经讲过了，下面主要介绍管壳式换热器的设计要点及如何分析计算结果、调整计算，而设计出满足工艺需要的、传热效率高的换热器。11.1设计计算的基本模型及换热器的性能参数换热器的性能主要是通过下列公式来描述的。a.冷、热两流体间热量平衡Qreq=(WCpT)hot=(WCpT)coldW-流体质量流量Cp-流体的比热hot-热流体cold-冷流体T-进出口温度差b.传热率方程Qact=(A)(Tm)(1/R)R
16、=(1/hi)o+(1/ho)o+(Rf)o+(Rw)oR-总热阻A-传热面hi、ho-分别为两流体的传热膜系数Rf-两流体的污垢热阻Rw-金属壁面热阻Tm-平均温度差O-通常换热计算以换热管外表面为基准c. 传热率的估算QactQreq热交换器的选型和设计指南 Page 24 of 38d. 对压力降的限制条件(Pi)act(Pi)allow(Po)act(Po)allowP-压力降下标i表示管内下标o表示管外11.2 换热器的计算类型换热器的计算类型常分为设计计算和校核计算两大类。换热器计算一般需要三大类数据：结构数据、工艺数据和物性数据，其中结构数据的选择在换热器中最为重要。在管壳式换热
17、器的设计中包含有一系列的选择问题，如壳体型式、管程数、管子类型、管长、管子排列、折流板型式、冷热流体流动通道方式等方面的选择。工艺数据包括冷、热流体的流量、进出口温度、进口压力、允许压降及污垢系数等。物性数据包括冷、热流体在进出口温度下的密度、比热容、粘度、导热系数、表面张力。a.设计计算 Design设计计算就是通过给定的工艺条件，来确定一台未知换热器的结构参数，并使其结构最优、尺寸最小。对设计计算应先确定下列基本的几何参数：管长管间距流向角换热管外径及管壁厚b.校核计算 Rating校核计算就是评估一台已知换热器的传热性能，即通过校核设备的几何尺寸来看其 是否能满足传热要求。校核计算应已知
18、下列基本的几何参数：管程数壳内径/管数 折流板间距/折流板数管长/管间距流向角管内径/管壁厚热交换器的选型和设计指南 Page 25 of 3811.2.1设计元素的选取设计计算时应考虑下列的几个基本设计元素：壳体型式：TEMAE，F，G，J，K，X。壳内径：通常最大为2米。换热管几何尺寸：光管、翅片管管径(19mm,25.4mm等)管长系列(3m,5m,6m,7.2m等)管子排列角：30，60 ，45，90管间距：1.25 1.50倍的管子外径折流板型式：单圆缺、双圆缺、管窗内不排管及为防止管子振动而加的支承板。11.3 最终计算结果的分析目前，换热器计算常用的计算软件为美国的HTRI和英国
19、的HTFS，这两大软件均为在国际上享有盛誉的传热设备专用计算软件。当设计计算结束后，如何根据实际的工况，来判断计算结果是否满足要求，出现问题后如何解决，这对设计者来说都是很重要的,在评价最终设计计算时应考虑并校核以下各项。11.3.1 总体设计尺寸细长型的换热器比短粗型要经济，通常情况下管长和壳径之比为5 10，但有时根据实际需要，长、径之比可增到15或20，但不常见。对立式热虹吸再沸器，要控制其长、径比在3 10之内。11.3.2 热阻大小首先根据流体的物系及实际经验来推断一下传热系数值是否合理，应特别注意管内雷诺数的大小。在层流流动(管侧Re0.6(湍流，Re300)0.4(层流，Re30
20、0)B流路对传热有利，其值应尽量大。CF旁流 0.1 C，F值最好不超过 0.1,为满足这一条件，可使用密封装置。对浮头式或小壳径壳体的换热器，如果C值较大，应使用密封装置。对U型管或管程数较多的换热器，通常F值会较大，应考虑在管程分程隔板处使用密封装置(如密封垫或密封杆)或改变管子排列方式和折流板圆缺位置。A 泄漏流 0.15 应尽量减少泄漏，但当污垢系数超过0.0008m2hC/kcal时，由于污垢可能会将管子和折流板管孔之间的间隙堵塞，因此，A值较大也无妨，但此时对壳侧压力损失应留有余量，最好计算一下。一但间隙被堵塞，壳侧压降为多大。E 泄漏流 0.05 E值会造成温度剖面的变形，如果E值大于0.15,可使用双圆缺折流板。最大限度地加大Bstream(错流)，减少泄漏流，而事实上漏流不可能也不必要被全 部阻止，因为安装换热器时总需要有间隙。11.3.7对折流板的设计分析
