热交换器的设计和选型
换热器的设计与优化
换热器的设计与优化换热器是化工、能源、航空航天、冶金、制药等诸多行业中必不可少的关键设备。
其主要功能是将不同物质间的热量进行传递和交换，以达到升温或降温的目的。
对于大多数工业生产过程而言，换热器都是非常重要的组成部分。
因此，换热器的设计和优化对于提高工业生产效率、节约能源和保护环境都有着非常重要的作用。
一、换热器的设计原则1.1 设计目标在设计换热器之前，需要先明确设计目标。
具体来说，需要了解热量传递的要求、流体特性、温度、压力、换热面积、热损失、绝热要求、材料和成本等方面的要求。
只有充分了解这些要求，才能有针对性地进行换热器的设计和优化。
1.2 流体设计和选型换热器的流体设计和选型是非常重要的。
在进行流体设计时，需要充分考虑流体的特性，如流量、密度、粘度、热导率、比热等。
这些特性会直接影响换热器的热量传递效率和性能。
在选型时，需要根据实际需求，选取合适的换热器类型和材料。
1.3 换热面积和流量换热器的面积和流量也是非常重要的设计要素。
在面积方面，需要充分考虑热量传递需要的换热面积。
在流量方面，需要确保流量的稳定性和流速的合理性，以确保换热器的稳定性和效率。
1.4 取决于流体速度的因素在设计换热器时，需要充分考虑流体速度的因素。
比如，在换热管中，过高的流体速度会造成管壁磨损、振动和噪音等问题；而过低的流体速度则会减小换热器的热交换效率，从而增加能源消耗。
二、换热器的优化措施2.1 热扰动控制热扰动是换热过程中常见的问题。
热扰动会影响热量传递的稳定性和效率，从而影响工业生产过程的效率和质量。
为了控制热扰动，可以通过多种手段进行优化，比如增加热储备、改善换热器的结构和材料、调节输入流体温度和流量等。
2.2 流体优化流体优化也是换热器的关键工作之一。
具体来说，可以通过提高流体速度和流速、调节输入流体的物理特性、优化流体的进出口布局等措施进行优化，从而提高热量传递的效率和稳定性。
2.3 换热器结构优化换热器结构的优化也可以提高热量传递效率和稳定性。
最全面的板式换热器知识(原理、结构、设计、选型、安装、维修)
最全面的板式换热器知识（原理、结构、设计、选型、安装、维修）板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。
各种板片之间形成薄矩形通道，通过板片进行热量交换。
板式换热器是液—液、液—汽进行热交换的理想设备。
它具有换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占地面积小、安装清洗方便、应用广泛、使用寿命长等特点。
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板式换热器基本结构及运行原理板式换热器的型式主要有框架式（可拆卸式）和钎焊式两大类，板片形式主要有人字形波纹板、水平平直波纹板和瘤形板片三种。
钎焊换热器结构板式换热器主要结构⒈板式换热器板片和板式换热器密封垫片⒉固定压紧板⒊活动压紧板⒋夹紧螺栓⒌上导杆⒍下导杆⒎后立柱由一组板片叠放成具有通道型式的板片包。
两端分别配置带有接管的端底板。
整机由真空钎焊而成。
相邻的通道分别流动两种介质。
相邻通道之间的板片压制成波纹。
型式，以强化两种介质的热交换。
在制冷用钎焊式板式换热器中，水流道总是比制冷剂流道多一个。
图示为单边流，有些换热器做成对角流，即：Q1和Q3容纳一种介质，而Q2和Q4容纳另一种介质。
板式换热器所有备件都是螺杆和螺栓结构，便于现场拆卸和修复。
运行原理板式换热器是由带一定波纹形状的金属板片叠装而成的新型高效换热器,构造包括垫片、压紧板（活动端板、固定端板）和框架（上、下导杆，前支柱）组成，板片之间由密封垫片进行密封并导流,分隔出冷/热两个流体通道,冷/热换热介质分别在各自通道流过,与相隔的板片进行热量交换，以达到用户所需温度。
每块板片四角都有开孔，组装成板束后形成流体的分配管和汇集管，冷/热介质热量交换后，从各自的汇集管回流后循环利用。
换热原理：间壁式传热。
单流程结构：只有2块板片不传热－头尾板。
双流程结构：每一个流程有3块板片不传热。
板片和流道通常有二种波纹的板片(L 小角度和H 大角度)，这样就有三种不同的流道(L,M 和H)，如下所示：L：小角度由相邻小夹角的板片组成的通道。
换热器设计计算范例
换热器设计计算范例换热器是一种用于传递热量的设备，常用于工业生产中的加热、冷却或蒸发等工艺过程中。
在设计换热器时，我们需要考虑的主要参数包括换热面积、传热系数、温度差以及流体性质等。
下面就以一种换热器设计计算范例进行说明。
假设我们需要设计一个管壳式热交换器，用于加热水和空气的热交换。
设计要求如下：1.加热水的进口温度：70℃2.加热水的出口温度：90℃3.空气的进口温度：25℃4.空气的出口温度：50℃5.加热水的流量：10m3/h6.空气的流量：1000m3/h首先，我们需要确定换热面积的大小。
根据传热计算的公式：Q=U×A×ΔT其中，Q为换热量，U为传热系数，A为换热面积，ΔT为温度差。
假设我们的换热器传热系数U为400W/（m2·℃），温度差ΔT为（90-70）=20℃。
根据公式，换热量可以计算为：Q=400×A×20我们将换热量Q设置为加热水的传热量，可得：Q1=400×A×20为了方便计算，我们将流体的热容量乘以流量定义为A1（加热水）和A2（空气）。
可得：Q1=A1×ΔT1代入已知数值，可得：Q1=10×4.186×(90-70)×1000接下来，我们需根据另一组流体参数计算出Q2（空气）。
Q2=A2×ΔT2代入已知数值，可得：Q2=1.005×1000×(50-25)×1000根据Q1、Q2和总换热量的平衡关系：Q1+Q2=400×A×ΔT可得：10×4.186×(90-70)×1000+1.005×1000×(50-25)×1000=400×A×20解得：A=0.523m2根据已知的流量和管道尺寸，可计算出流速。
流速=流量/A代入数值：流速=10/0.523流速=19.1m/s接下来，我们要确定换热器的结构。
换热器的选型和设计指南
换热器的选型和设计指南
热交换器选型与设计指南
一、热换器的选型
1、热换器类型
根据热换器工作的原理和结构特征，热换器可以分为流体直接交换器（Direct-Fluid Exchangers）、保温热换器（Heat-Preserving Exchangers）、热管（Heat Pipes）和热泵（Heat Pump）。
（1）流体直接交换器
流体直接交换器是最普遍的热换器类型，它是由连接在同一个容器内两个不同流体进行直接交换的，可以分为板式热换器（Plate Heat Exchanger）、管式热换器（Tube Heat Exchanger）、管壳式热换器（Tube-shell Heat Exchanger）、换热器（Exchanger）、板管式换热器（Plate-Tube Exchanger）等几种。
（2）保温热换器
保温热换器是通过在热换器内部设置一层隔热材料，使得一个流体和另一个流体不能直接接触，而是通过隔热材料进行热量交换的热换器，它包括直管保温器（Straight-TubeHeatPreservingExchanger）、折管保温器（Folded-TubeHeatPreservingExchanger）以及缠绕管保温器（Coil-TubeHeatPreservingExchanger）等几种。
（3）热管
热管是一种将热能以流体的形式进行输送的装置，它是由一段密封的
金属管束和一段或多段的循环管组成，通常将其称为柔性热管
（ Flexible Heat Pipes），也可以称为硬性热管（Rigid Heat Pipes）。
（4）热泵。
热交换器的选型和设计指南三讲解
热交换器的选型和设计指南三2010-01-26 20:15:11 来源：热泵热水器技术网浏览：136次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=(WCpΔT)hot=(WCpΔT)coldW--流体质量流量Cp--流体的比热hot--热流体cold--冷流体ΔT--进出口温度差b.传热率方程Qact=(A)(ΔTm)(1/ΣR)ΣR=(1/hi)o+(1/ho)o+(Rf)o+(Rw)oΣR--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ΔTm--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Qact≥Qreqd.对压力降的限制条件(ΔPi)act≤(ΔPi)allow(ΔPo)act≤(ΔPo)allowΔP--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。
列管式换热器的选型和计算
列管式换热器的选型和计算选择和计算列管式换热器时，需要考虑以下几个重要因素：工艺要求、流体性质、传热面积、传热系数、压降和尺寸等。
1.工艺要求：首先需要了解工艺要求，确定换热器的工作条件，如需求的热交换量、流体进出口温度、换热器操作压力等。
2.流体性质：对于液体流体，需要知道其流量、密度、比热容和粘度等参数；对于气体流体，需要知道其流量、密度、比热容、粘度以及含湿量等参数。
此外，还需要了解流体的腐蚀性和脏污程度等因素。
3.传热面积：传热面积是换热器设计的关键，它决定了换热效果的好坏。
通常，换热面积越大，传热效率越高。
传热面积的计算需要根据需要传热的热流量、热交换的温差以及换热器的传热系数来确定。
4.传热系数：传热系数是描述换热器传热性能的重要参数，它是指单位时间内单位面积的传热量与温度差的比值。
传热系数受到流体流速、流体性质、传热表面形式和腐蚀程度等因素的影响。
一般来说，传热系数越大，传热效果越好。
5.压降：换热器的设计还要考虑流体在管内和管外的压降。
流体在管内的压降与流速、管道尺寸、流体性质和管道长度等因素有关。
流体在管外的压降主要受到流体通过管束时的速度和管束间距的影响。
合理控制压降，可以保证换热过程的均衡和稳定。
6.尺寸：选择合适的换热器尺寸，需要考虑到实际安装场地的限制。
一般来说，尺寸越小，安装成本越低，但传热面积较小，传热效果也相应较差。
因此，在满足工艺要求的前提下，尽量选择较大的换热器尺寸。
换热器选型时，可以参考换热器厂家提供的产品目录和工程经验，综合考虑上述因素，选择符合要求的型号。
选定后，可以使用传热计算软件进行详细的热力学计算，确定换热器的几何尺寸，进一步优化设计。
总之，换热器的选型和计算是一个比较复杂的过程，需要综合考虑各种因素，并利用适当的工具进行计算和分析。
只有选择合适的换热器，才能满足工艺要求，提高换热效率，并确保系统的可靠运行。
换热器设计
换热器设计：一：确定设计方案：1、选择换热器的类型两流体温度变化情况，热流体进口温度130°C，出口温度80°C；冷流体进口温度40°C，出口温度65°C。
该换热器用自来水冷却柴油，油品压力0.9MP，考虑到流体温差较大以及壳程压强0.9MP，初步确定为浮头式的列管式换热器。
2、流动空间及流速的确定由于冷却水容易结垢，为便于清洗，应使水走管程，柴油走壳程。
从热交换角度，柴油走壳程可以与空气进行热交换，增大传热强度。
选用Φ25×2.5 mm 的10号碳钢管。
二、确定物性数据定性温度:可取流体进口温度的平均值。
壳程柴油的定性温度为T1=130°C，T2=80°C，t1=40°C，t2=65°CT=(130+80)/2=105(°C)管程水的定性温度为t=(40+65)/2=52.5(°C)已知壳程和管程流体的有关物性数据柴油105°C下的有关物性数据如下:ρ=840 kg/m3密度定压比热容C o=2.15 kJ/（kg·k）导热系数λo=0.122 W/(m·k)粘度µo=6.7×10-4N·s/m2水52.5°C的有关物性数据如下：ρ=988 kg/m3密度iC=4.175 kJ/（kg·k）定压比热容iλ=0.65 W/(m·k)导热系数i粘度 µi =4.9×10-4 N·s/m 2三、计算总传热系数1.热流量m 0=95000(kg/h)Q 0= m 0C o Δt o =95000×2.15×(130-80)=10212500kJ/h=2836.8(kw) 2.平均传热温差m t '∆=(Δt 1-Δt 2 )/ln(Δt 1/Δt 2)=[(130-65)-(80-40)]/ln[(130-65)/(80-40)]=51.5(°C)其中Δt 1=T 1-t 2，Δt 2=T 2-t 1。
热交换器设计说明书终极
0.00303
79 80 81
Gs tw
Gs
M2 23.16 AS 0.0355
假定
652.4 57
200 .4 10 6
℃ kg/( m•s)
w1
查参考文献 2 附录 9
热交换器课程设计说明书
2
82
壳侧换 热系数
rw
(m2•
K)/W
查参考文献 1 附录 C 查参考文献 2
0.00034 0.00017
氨的污 垢热阻 管壁热 阻
(m2•
K)/W
忽略
K [
72.24
P
P
24
参数 P、 R
R
t1'' t 2' 40 25 ' ' 120 25 t1 t 2
0.16
t1' t1'' 120 90 R '' ' 40 25 t2 t2
—
℃
2 0.98 70.8 1000
25 26 27
温差修 正系数 有效平 均温差 初选传 热系数 估算传 热面积
50
度
120
ls (0.2 ~ 1)D s (0.2 ~ 1) 0.5
51
ls
m
0.1 ~ 0.5m
0.3
ls 0.3m ,ls ,i 0.39m，ls ,o 0.39m
热交换器课程设计说明书
52
折流板 数目 折流板 管孔数 折流板 上管孔 直径 通过折 流板上 管子数 折流板 缺口处 管数
Ds 2h D 2h ) sin[ar cos( s )] DL DL
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当
1 2
<
t1 t2
<2
时，可用算术平均值
t m
t1
t2 2
5. 传热系数 K
1 K
1
1
1
2
r1
r2
三.管壳式换热器的设计和选择
列管式换热器简介
（1）固定管板式 （2）浮头式 （3）填料函式 （4）U形管式
固定管 板式
传热面 m2/m3
40—164
结构可 靠性
○
U型管式 30—130 ○
=3.91kJ/kg. ℃
t2=t1+W1.Cp1(T1-T2)/(F2.Cpm) =30+10050×4.18 ×(140-90)/(9500 × 3.91) = 86.5℃
与假设基本符合，t2=86.5 ℃ 逆流平均推动力 tm=〔(140-86.5)+(90-30)〕/2=56.8 ℃ R=(T1-T2)/(t2-t1)=(140-90)/(86.5-30)=0.88 P=(t2-t1)/(T1-t1)=(86.5-30)/(140-30)=0.51 温差修正系数=0.825 tm=0.825 ×56.8=46.8 ℃
F1=10500kg/h X1=28%
T2
t1=30℃
F2=9500kg/h X2=8% t2
W1=10050kg/ h T1=140℃
解
1热负荷计算
设釜液终温T2=90℃，釜夜含甲醛0.2%，因此物性可用水代之。 Tm=(T1+T2)/2=(90+140)/2=115℃
在平均温度Tm下水的比热 Cp=4.24kJ/kg. ℃
热交换器的设计和选型
一. 简介
1. 分类： 间壁式换热器
（管壳式、紧凑式）
混合式换热器 蓄热式换热器
2.类 型
管壳式： 套管式换热器 蛇管式（盘管式）换热器：沉浸式、喷淋式 列管式：固定管板（刚性结构、带膨胀节）、浮头式
填料函、釜式、 U型管式
紧凑式： 螺旋板式换热器 板式换热器
板翅式 伞板式
二. 传热过程的基本方程式
浮头式 35—150 △
板式
250— 1500
△
螺旋板 100
○
板翅式 250—
△
4370
套管
20
○
沉浸盘
管
15
○
喷淋式 16
△
传热面 的调整
X X X ○ X X ○ X ○
热补偿
X ○ ○ ○ ○ ○ △ ○ ○
清洗方 便
△ △ ○ ○
X X △ △ ○
维修方 便
X X ○ ○ X X ○ ○ ○
1. 热负荷方程：
Q WCp (T2 T1 )
（无相变化）
Q WCp (T2 T1 ) WH （有相变化）
2.传热基本方程式：
在稳态下传热系数（K）随温度变化不大时
Q KAtm
3.传热面积：
A Q Ktm
4.有效平均温差：
tm
t1 t2 ln t1 t2
式中 t1, t2 —分别为换热器两端热、冷流体温差。
=2.244kJ/(m.h. ℃) 管层流动面积A=/4d2N/Np=0.785×0.0212 × 86/4=0.00744m2 Re=dG/ =0.021 ×9500 ×103/(0.00744 ×0.428 ×3600)=1.74 ×104 Pr=Cp. / =3.6 ×3.91 ×0.428/2.244=2.68 i=0.023 /d.Re0.8Pr0.4=2622W/(m2. ℃)
Q=W1Cp(T1-T2)=10050×4.24 ×(140-90) ×103/3600 =5.92 ×105W
2 平均推动力计算：
设原料F2终温为87 ℃ tm=(87+30)/2=58.5 ℃ 在tm温度下 甲醛Cp1=0.783KJ/kg. ℃, 水Cp2=4.18kJ/kg. ℃ Cpm=Cp1.x1+Cp2.x2=0.08 ×0.783+4.18 ×0.92
4.流速的选择
管壳式换热器内常用流速范围
流体种类
流速
一般流体
管程 工艺物料 0.5 ~3 水 1.5 ~2.5
易结垢液体 气体
>1 5 ~30
m/s 壳程
0.2 ~1.5
>0.5 3 ~15
5.加热剂和冷却剂的选用
（1）常用的加热剂：
饱和水蒸气 烟道气
（2）常用的冷却剂： 水 空气（冷风） 冷冻剂
用脆性 材料
X △ △ X △ X ○ ○ ○
2.换热器选型应考虑的因素
（1）加热或冷却介质物性。 （2）工艺所需温差、操作温度、压力。 （3）价格。 （4）要求达到交换的热负荷量。 （5）对清洗、维修的要求 （6）设备结构材料、尺寸和空间的限制。
3.流体流动通道的选择
（1）不洁净和易结垢的流体宜走管程。 （2）有腐蚀性的流体应走管程。 （3）压强高的流体应走管程。 （4）饱和蒸汽宜做壳程。 （5）被冷却的流体易走壳程。 （6）流量小粘度大的流体一般走壳程为宜。
3初选换热器
设K=700W/m2.K A=Q/K tm=5.92 ×105/(700 ×46.8)=18.1m2 初选G-400-20-25-4型换热器，管长3m，管径 25 ×2 ，管子数N=86，折流板间距150， 管层数Np=4
4校核传热系数
（1）原料流量较小走管层，核算管层给热系数 tm=(86.5+30)/2=58℃ F2的平均物性 Cp=3.91kJ/kg. ℃ =0.428cp
例 某精馏塔浓缩甲醛水溶液，操作压力0.4MPa（绝），第一股进料 F1=10500kg/h，甲醛浓度为28%，第二股进料F2=9500kg/h，甲醛浓度为 8.0wt%，塔顶流出液浓度为37wt%，釜液浓度为0.2wt%，釜液采出量W1为 10050kg/h，温度为140℃，为了回收釜液的热量，用釜液预热温度为30 ℃ ， 浓度为8%的原料液。试选用一适当型号的换热器。
（6） （7） （8）
热负荷 Q 的计算。 热平衡计算，求 G ，确定冷却剂或加热剂 的量。 确定 Tm ，（先设为单程） 假设传热系数 K ，求传热面积 A 。 选型（查手册）或设计，确定管径、管数、 管长、壳径、排管、折流板、板间距等和其 他结构。 核算 K ， A 。 流体力学计算 P 。 经济评价
6.确定设计方案的原则
1）满足工艺和操作要求。 2）保证生产安全。 3）考虑综合利用。 4）满足经济上的要求。
7管壳式换热器设计考虑的因素
（1）热总系数 （6）污垢系数 （7）结构标准
8.工艺设计计算过程
（1） （2）
（3） （4） （5）