换热器的选型和设计指南(全)

热交换器的选型和设计指南1 概述 (1)2 换热器的分类及结构特点。

(1)3 换热器的类型选择 (2)4 无相变物流换热器的选择 (11)5 冷凝器的选择 (13)6 蒸发器的选择 (14)7 换热器的合理压力降 (17)8 工艺条件中温度的选用 (18)9 管壳式换热器接管位置的选取 (19)10 结构参数的选取 (19)11 管壳式换热器的设计要点 (23)12 空冷器的设计要点 (32)13 空冷器设计基础数据 (35)1 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 2－1 换热器的结构分类3 换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-100°C以下到 1100°C高温。

此外，它还具有容量大、结构简单、造价低廉、清洗方便等优点，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围，可供参考。

表 3－1 特殊型式换热器的使用围3.3特殊型式的换热管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 3－4 换热器的类型及应用从上表中可以看出在换热器选型时，我们应同时考虑是否选用特殊型式的换热器和采用什么样的换热管为好。

当然，我们通常一般首先考虑选用管壳式换热器。

另外，认真研究技术规定中的设计要求也是很必要的，而后再选取能最好发挥其特点的合适的换热器。

3.5管壳式换热器封头和管程数的选取因管壳式换热器最为常用，下表3－5中给出了其封头选取的一般要求，表3－6，3－7中给出了换热器的管程数限制值。

表 3－5 TEMA 端部型式的选取污垢系数：m2.°C /W(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。

(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)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 3－6 各类换热器管程数限制表 3－7 最大管程数下表从不同的工艺条件出发给出了换热器的一般选型准则。

从换热器经济设计的角度考虑，对管、壳式换热器应首先着重考虑物流的安排问题，如果两流体温度交叉(即：高温流体的出口温度低于冷流体的出口温度)，应考虑选流动型式为逆流的换热器。

尽管对管壳式换热器可以选F型壳体，但因纵向隔板间会发生热量和流体泄漏，因此多数情况下不推荐使用此种型式的壳体。

表 3 – 8 工艺条件和物流的安排在许多工业过程中，产生的大量热量需要通过冷却系统来排出。

过去经常以水作为冷却剂。

随着工业的发展，冷却水需求量急剧增加，引起供水困难，因而发展了空气冷却。

对一个化工系统，一般包括有水冷系统和空冷系统，或者是这两者的组合系统。

当来自冷却器或冷凝器的工艺流体的出口温度较高时，应该考虑选择空气冷却器。

通常空冷器比其它类型的换热器经济，设备回收期短，当工艺流体的出口温度高于大气环境温度15°C 20°C或更高时，选择空冷器比较理想。

当然对空冷器需做包括结构价格、耗电等因素等在的综合费用分析。

而使用水冷系统时也应考虑包括供水、处理、循环使用及废水处理等费用。

根据技术经济比较，在气候适宜的地方，当工艺物料的最低温度大于65°C，选用空冷最为合适；而当工艺物料的最低温度小于50°C，则宜用水冷；在这两温度之间，则应作详细的经济分析，以确定用何种型式。

一般来说，当工艺流体温度较低时，使用空冷器和管壳式水冷器的混合系统比较合理，通常高于60°C的部分热量用空冷器取走，其余部分热量用水冷器取走。

3.7.1 选用空冷器的原则1) 冷却水供应困难，水冷的运行费用过高；2) 水冷引起结垢和腐蚀严重;3) 水冷引起环境污染，特别是化工厂，将热水排入环境的热污染也应注意。

3.7.2 符合下列条件时，选用空冷更为有利:1) 空气进口温度设计值 < 38°C2) 热流体出口温度与空气进口温度之差 > 15°C3) 有效对数平均温差≥ 40°C4) 热流体凝固温度 < 0°C5) 热流体出口温度的允许波动围≥± 3 ~ 5°C6) 管侧允许压力降 > 10kpa7) 管介质的传热膜系数 < 2300w/m2.K8) 冷却水污垢系数 > 0.0002m2.°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 3－8 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.m2.°C)a.热管换热器的总传热系数400(5kgf/cm2)4.3 对水－水系统(包括海水)首选板式换热器。

板式换热器在价格、重量、紧凑性方面都是最好的。

但要注意污垢系数应小于任何管壳式换热器，它的传热性能通常决定于厂商提供的板片形式。

4.4 当冷却器出口温度高于大气环境温度15°C 20°C或更高时，考虑用空冷器。

4.5 对管壳式换热器，经常使用低翅管来增强壳侧的传热。

一般壳侧传热系数会有两倍或三倍的提高。

特别当壳侧传热系数低于管侧一半时，采用低翅管特别有效。

当某一流体在管侧的传热系数过低时，则考虑变换管侧流动为壳侧流动，并选用低翅管。

当流体较脏时，会有很多未知因素造成换热器的严重结垢，因此不要使用低翅片换热管。

5 冷凝器的选择5.1 一个冷凝器的传热性能很大程度上取决于换热器的型式、流体的分布以及冷凝侧的工艺条件。

对冷凝器的选取应在考虑了3-8表中的通用选型规定外，并同时考虑下表中的工艺条件。

冷凝器选型指南器。

5.3 特殊类型的换热器有时也可用做冷凝器，下表中给出了几个常用的实例。

5.4 对可能会有冷冻发生的冷凝器，当物流在壳侧冷凝时，通常要考虑加大管间距，并需要注意考虑金属温度、冷凝液流动和不凝气的放空等问题。

也可使用专门的防冻剂冷凝器或刺刀式和带有冷凝液排出箱的冷凝器。

5.5 在冷凝器中为了强化传热，也常常使用强化传热管，如：低翅管、Thermonexcell-C(日立)和槽式管(垂直使用)。

低翅管较普遍地用于工艺装置中。

而其它两种则更多地用于空调生产中。

这些管可强化传热，提高传热系数两倍至五倍。

但应高度重视它们的结垢问题。

6 蒸发器的选择6.1蒸发器或再沸器可以分成(1)置式、(2)釜式、(3)卧式热虹吸式、(4)立式热虹吸式、(5)强制循环式。

在下表中列出了各种蒸发器的特点。

蒸发器的类型及特点6.2 对蒸发器或再沸器，传热性能可能会因设备型式的选择、沸腾侧的工艺条件而有很大变化。

因此，在选择一个合适的蒸发器或再沸器时，除了要考虑前面所说的通用规则外，还应考虑下表中所列的操作压力、设计温差、污垢系数及混合液沸腾围在的工艺条件。

蒸发器或再沸器选型指南危险的，除非小心设计，但在有些工况下可做其它更好的选择;R(risky)：由于数据不充分，冒险;P(poor):不好的操作；E:(operable)可行，但是增加了不必要的费用。

6.3 对卧式循环式的蒸发器或再沸器，为了避免在壳侧两相流动的流体气－液相分离，推荐使用G型壳体或H型壳体，而当使用E型壳体或J型壳体时，应选择横向流动，并尽量使管长与壳径之比等于5或小于5。

6.4 对立式热虹吸再沸器，有两种形式的出口接管。

(1)塔侧面与再沸器顶部相连型式，(2)塔和再沸器直接相连的型式。

对纯组份的沸腾，(1)、(2)两种接管型式均可。

而对混合物的沸腾，最好选用(1)形式的接管。

热虹吸再沸器的循环是靠入口和出口管道之间的水力静压差来维持的。

为了达到较高的循环率并且很好地控制它，应该减小管道中的压力降。

这就需要慎重地选择管道直径、材料、布置方式、阀门、弯头及其它管件。

6.5 当在立式或卧式热虹吸再沸器中，热介质为单相流时，逆流和平行流动都是可行的，应通过对温度差、循环率和传热性能的综合考虑来选择何种为最好。

6.6特殊型式的换热器用于蒸发器或再沸器的情况并不多，在下表中列出了几个应用实例。

于蒸发器中，一般可提高传热系数10到20倍。

当平均温差较小(Tm＜10°C)、沸腾传热系数低时，应考虑利用以上特殊型式的换热管。

7 换热器的合理压力降较高的压降值导致较高的流速，因此会导致较小的设备和较少的投资，但运行费用会增高，较低的允许压降值则与此相反。

所以，应该在投资和运行费用之间进行一个经济技术比较。

在下表中给出了常用的换热器的压降值，可供计算时参考。

管壳式换热器、空冷器和套管式换热器板翅式换热器对管壳式换热器也可按下表选取合理的压力降8 工艺条件中温度的选用8.1 冷却水的出口温度不宜高于60°C，以免结垢严重。