换热器的选型和设计指南.doc
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热交换器的选型和设计指南
目录
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
热交换器的选型和设计指南Page38of38
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
固定管
板式
刚性结构：
用于管壳温差较小的情况（一般≤50°C），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
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-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范围，可供参考。
表3－1特殊型式换热器的使用范围
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
类型
Types
换热面积
Size
（m2）
温度
Temperature
t（°C）
压力（最大）
Pressure
（kgf/cm2）
材料
Material
特点和应用
FeaturesandApplication
1．管壳式换热器
管壳式
（标准型）
S&T
≤5000
-270≤t≤1650
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
rodbaffle
≤5000
-100≤t≤600
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
multitube
≤50
-100≤t≤600
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
coiledtube
≤2000
-260≤t≤600
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
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
doubletube
≤10
-100≤t≤600
300
铜
铝
不锈钢
碳钢
当传热面积比较小（10m2~20
m2）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
Trombone
≤100
-50≤t≤300
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
coil
≤10
0≤t≤300
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
Temperature
t（°C）
压力（最大）
Pressure
（kgf/cm2）
材料
Material
特点和应用
FeaturesandApplication
板式
plate（gasket）
≤2000
-40≤t≤200
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
spiral
≤200
-90≤t≤400
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
空冷器
air_cooled
≤2000
≤500
（airtemp.:
-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15°C
~20°C或更高时，使用空冷器
较为经济。
板翅式
platefin
≤10000
－260≤t
≤100（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
heatpipe
<2000
-40≤t≤350
10
碳钢
不锈钢
铜
流动阻力小、体积小、结构紧
凑。
由于热管可在热流体和冷
流体两侧通过增加翅片来扩展
受热面，因而大大提高了气~
气换热器的 传热量，用在气~
气换热器中最为有效。
类型
Types
换热面积
Size
（m2）
温度
Temperature
t（°C）
压力（最大）
Pressure
（kgf/cm2）
材料
Material
特点和应用
FeaturesandApplication
5．特殊材料的换热器
石墨
carbon
≤700
≤160
7
不渗透
性石墨
结构有：
管壳式换热器、块状
换热器等。
聚四氟乙烯
teflon
≤80
≤150
5
聚四氟
乙烯
管壳式和浸泡式换热器，重量
轻、结构紧凑。
机械性能较差，只适用于低压工况。
玻璃
glass
≤25
≤280
9
耐热玻
璃
玻璃换热器有盘管式、喷淋式
管壳式、套管式等型式。
常用
在空气预热器或节能装置中，
回收露点以下的排放气热量。
6．特殊换热管
低翅管
lowfintube
――
――
――
碳钢
不锈钢
铜合金
管子表面的翅片可增大换热面
积2~3倍。
与普通管子有着相
同管外径的低翅管经常用作管
壳式换热器的传热管。
当壳侧
传热系数低于管侧时，使用低
翅管较为理想。
低翅管也同样
可用在冷凝和沸腾传热中。
沸腾用传热强
化管
enhancedtube
forboiling
――
――
――
碳钢
不锈钢
铜合金
典型的强化传热管即：
高热通
量管（UCC）、Thermoexcell-E
（日立）等。
在沸腾传热系数低、温差小（10°C）的蒸发
器中，经常使用强化传热管。
上述管子均可提高传热系数10
~20倍。
冷凝用传热强
化管
enhancedtube
for
conde
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