换热器设计手册

(2) 沉浸式蛇管换热器
◎ 结构：将金属管子绕成各种形状，沉浸在液体中。 ◎ 优点：结构简单，便于防腐，能承受高压。 ◎ 缺点：管外流体的湍流程度低，表面传热系数较小。管 内易除垢。 ◎强化传热方法：可安装搅拌器。
蛇 管 的 形 状
(3) 喷淋式换热器
直管
水槽
喷淋式冷却器
◎ 结构：将换热管成排地固定于支架上，热流体在管内流动， 冷却水由管上方的喷淋。 ◎ 优点：湍流程度高，传热效果好；冷却水在喷林中气化，携 带热量，降低冷却水温度；便于检修和清洗。 ◎ 缺点：喷淋不易均匀，杂质易进入冷却水。 ◎应用范围：多用于冷却管内的热流体。
管程 管程 管程 壳程
壳程 壳程
(b) 流速的选择 流速↓，表面传热系数↓，污垢热阻↑，流体阻力↓；
◆
◆ 流速↑，表面传热系数↑，污垢热阻↓，流体阻力↑。
管程和壳程都需要选择适宜的流速 管程 一般流体 易结垢液体 气体 0.5~3 >1 5~30 壳程 0.2~1.5 >0.5 3~15
对于液体，一般粘度越大，要求流速越大
(c) 流动方式的选择
◆对于同样的进、出口条件，传热量相同，
◆管程
A逆<A并；
或壳程↑，表面传热系数↑，但同时流动阻力↑，
△tm ↓，应权衡确定。
单管程——逆流
200 160
多管程
100
60 110 200 160 160 60 100
60 200
110
100
(d) 换热管规格和排列的选择 换热管规格越小 单位体积传热面积越大 容易结垢、赌塞， 阻力大， 25 2.5，19 2， 25 2， 38 2.5等 制造、检修不便
壳程不易机械清洗；
适用： * 壳程流体不易结垢或容易化学清洗； * 壳体与传热管壁温度之差小于50C，否则加膨胀节。
带膨胀节的固定管板换热器
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ）浮头式换热器 一端可以沿轴向自由浮动
特点：消除了温差应力、便于清洗和检修； 结构复杂、成本高； 适用：应用广泛。
c）U形管式换热器
结构:
特点：具有温度补偿作用；
单程： 多程： ◆ 多管程：封头内设置分程隔板
单管程→多管程。
◆ 多壳程： 相当于单壳程串联，传热面积↑。
双管程固定管板换热器
传热面积：
A双 A单 d o Ln
S单
流通截面积：

4
di n
2
1 S 双 S单 2
说明：管程数↑，流通截面积↓，管内流速↑，hi ↑，强化传热。
折流挡板 作用：提高壳程流体湍动程度(Re>100 湍流)，ho，强化传热。 冲刷沉积物，减小污垢热阻；
A 选择匹配物流： B 选择流程
C 算出平均传热温差 D 根据经验估计总传热系数K估 计算传热面积A估 E 选取管程适宜管径、流速，根据A估， 确定管数、管长及管程数。
F 确定管子排列方式，选取管心距，计算壳体内径
正三角形排列
正方形排列
壳径的圆整
G 选取折流板
以400为基数，100或者50为进级档
4.7.1 间壁式换热器的类型
(1) 夹套式换热器
搅拌器
◎ 结构：在容器外壁安装夹 套制成。 ◎ 优点：结构简单。 ◎ 缺点：传热面受容器壁面 限制，传热系数小。
◎应用范围：主要用于反应 过程的加热或冷却。 ◎强化传热方法：
物料
釜
加热蒸汽
釜内安 装搅拌器，
加螺旋隔板， 在釜内安装蛇管。
物料
冷凝水
夹套式换热器
圆缺通常取25% 确定折流板间距，计算折流板数 H 选取进出口接管直径
I 计算管、壳程阻力 计算管、壳程流速和阻力，判断是否合理。
●J 核算热流量
求出总传系数K计，并与估算时所取用的传热系数K估进行比较。 如果相差较多，应重新估算。
一般应使裕度为20%左右。 裕度的计算式为：
AP Ao H 100% Ao
说明：
1 3 po ( ) B
（3）管壳式换热器的设计和选用的计算步骤 任务： 已知某物流流量、初始温度加热（或者冷却）至某一温度，
需要：确定加热（或者冷却）物流和换热设备 A 选择匹配物流： 根据工艺物流的初始温度、目标温度和热负荷
优先选择工艺物流 尽量选择低品位的公用工程 热量恒算方程 算出热负荷、匹配物流的目标温度或者流量
对壳体起支撑作用。
代价：壳体阻力↑，系统动力消耗↑。 安装：上下安装，常用； 左右安装，排液不畅时采用。 常用形式：弓形，圆盘形。
弓形
圆盘形
a）固定管板式换热器 固定管板式
浮头式
U形管式 优点：* 结构简单，成本低； 局限：
管、壳温度不同，产生热应力，当Δt＞50℃时，管弯
曲、断裂或管板变形。
（4）套管式换热器
外 管 内 管
套管式换热器
◎ 结构：将两种直径大小不同的直管装成同心套管，并可用U 形肘管把管段串联起来，每一段直管称作一程。 ◎ 优点：表面传热系数大；逆流流动，平均温差最大；结构简 单；能承受高压。 ◎ 缺点：占地面极大；耗材量大；易泄漏。 ◎应用范围：流量不大，粘度较大，传热面积不多，压强较高
管程不易清洗。 适用：可用于高温高压，适用于管程为洁净而不易结垢的流体。
4.7.2 列管式换热器的设计和选用
（1）列管式换热器设计和选用应考虑的问题 (a)选择流程:哪一个物流走管程，哪一个物流走壳程
一 般 经 验 原 则
流体有结垢 腐蚀性 压力高的高低 饱和蒸汽 ，需要冷却的流体
流量小而粘度大的流体 表面传热系数大的流体
换热管规格：
管长选取：有利于清洗和选材
1.5m、2m、3m、4.5m、6m、9m
L 一般情况下： 4~6 D
管子在管板上的排列：
正三角形排列
正方形排列
正方形排列
正三角形排列、正方形排列两种 正三角形排列优点：结构紧凑 管外湍流程度高，表面传热系数大
正方角形排列优点： 易于检修、清洗
(e) 折流挡板 可大幅度提高管外表面传热系数 考察折流板的参数：形式、缺口大小、折流板间距
4.7.5 换热器网络综合
要确定具有最小的设备投资费用和操作费用的换热网络，
并满足把每一过程物流由初始温度达到指定的目标温度。
换热网络综合方法： 夹点技术 —— Linnhoff 调优方法 —— Motard
数学规划法 —— Grossmann
●④ 计算传热面积并求裕度
计算示例
4.7.3 换热器的传热强化途径
Φ KAt m
强化方法：提高K、A或Δ tm
目的：传热面积↓ ，使设备费用降低。 （1）提高K值
do b do 1 1 do 1 Rdi Rdo K o hi d i di d m ho
① 降低污垢热阻；
非工艺物流：流量↑ 流速↑ 工艺物流：流通截面积↓ 管程：单管程→双(多)管程 b）制造人工粗造表面 促进边界层分离，减薄层流底层，强化传热。 c）加设扰流元件 管内装入麻花铁、螺旋圈或金属丝片； 壳程：折流挡板数目↑
增强湍动，破坏层流底层。
◆ 有相变传热 冷凝 ：1）采用滴状冷凝， 2）及时排放不冷凝气体，
如采用：
不同异形管 ； 开槽及加翅片 ；
折流形式；
多孔、高效传热面。
波纹管式传热管
纵向翅片管
横向翅片管
螺旋槽纹管
缩放管
翅片管的截面
管壳式换热器的缺点 流通截面积相同的情况下，圆形通道表面积最小， 即相同流速下，圆管表面积最小 圆管之间不能紧密排列，单位体积换热器的传 热面小，材料消耗大。
4.7.4 其他类型换热器
圆缺形折流挡板的缺口大小的选择
圆缺形折流挡板的间距的选择 间距太大，表面传热系数下降， 间距太小，阻力增大，不便制造、检修 挡板间距：一般取壳体内径的0.2~1.0倍 我国系列标准： 固定管板：100、150、200、300、450、600、700 浮头式：100、150、200、250、300、350、450、600
（2）流体通过换热器时阻力的计算 ① 管程阻力
管程总阻力：pt (pi pr ) F t Ns N p
l u 2 每程直管阻力： pi d 2
Ft 结构校正系数，
每程回弯阻力： pr 3
u 2
2
25 2.5 Ft 1.4 19 2 Ft 1.5
缺点： 允许操作压力、操作温度比较低
处理量不大
易渗漏
② 螺旋板式换热器
④ 板壳式换热器
与列管式换热器的区别：板束→管束
板壳式换热器结构示意图
优点：传热系数大、结构紧凑、坚固，能承受很高的温度和压力。
缺点：制造工艺复杂、焊接要求高。
（2）空气冷却器
空 气
物料入口
翅片
物料出口
空 气
卧 式 空 冷 器
② 提高表面传热系数
* 若hi<<ho，提高h小(hi)的一侧；
* 两侧h相近，应同时提高两侧流体的h。
提高表面传热系数h的方法
◆ 无相变传热
a）提高管内流速
hi Cu 0.8di 0.2
hi u 0.8，
hi di 0.2
如果hi ho，则K hi u 0.8
优点：总传热系数↑，传热面积↓，设备投资费↓ 代价：流动阻力↑，动力消耗↑，操作费用↑。 经济优化：选择适宜流速，使总费用最低。
4.7 换热器
分类: ① 按用途---加热器、冷却器、冷凝器、再沸器、蒸发器等。
②
按冷热流体热量交换的原理和方式
直接接触式：冷、热直接混合。 蓄热式：
冷流体 热流体
th 热 Φ 流 体 th, tc,
w
Φ