1、熱交換器的選型和設計指南1概述 12換熱器的分類及結構特點。 13換熱器的類型選擇 24無相變物流換熱器的選擇 115冷凝器的選擇 136蒸發器的選擇147換熱器的合理壓力降 178工藝條件中溫度的選用 189管殼式換熱器接管位置的選取 1910結構參數的選取 1911管殼式換熱器的設計要點 2312空冷器的設計要點 3213空冷器設計基礎數據 35熱交換器的選型和設計指南page 42 of 381概述本工作指南為工藝系統工程師提供換熱器的選型原則和工藝參數的選取及 計算方法。2換熱器的分類及結構特點。表2-1換熱器的結構分類管式管殼式固定管板式剛性結構：用于管殼溫差較小的情況（一般 50
2、c）,管間不能清洗帶膨脹節：有一定的溫度補償能力，殼程只能承受較低壓力浮頭式管內外均能承受局壓，可用十局溫局壓場合u型管式管內外均能承受高壓，管內清洗及檢修困難填料函式外填料函：管間容易漏泄，不宜處理易揮發、易爆易燃及壓力較高的介質內填料函：密封性能差，只能用于壓差較小的場合釜式殼體上都有個蒸發空間，用于蒸汽與液相分離套管式雙套管式結構比較復雜，主要用于高溫高壓場合，或固定床反應器中套管式能逆流操作，用于傳熱面較小的冷卻器、冷凝器或預熱器螺旋浸沒式用于管內流體的冷卻、冷凝，或者管外流體的加熱噴淋式只用于管內流體的冷卻或冷凝板式板式拆洗方便，傳熱面能調整，主要用于粘性較大的液體間換熱螺旋板可進行
3、嚴格的逆流操作，有自潔作用，可回收低溫熱能傘板式傘形傳熱板結構緊湊，拆洗方便，通道較小，易堵，要求流體干凈板冗式板束類似于管束，可抽出清洗檢修，壓力不能太高擴展 表向式板翅式結構十分緊湊，傳熱效率高，流體阻力大管翅式適用于氣體和液體之間傳熱，傳熱效率高，用于化工、動力、空調、制冷工業回旋式盤式傳熱效率高，用于高溫煙氣冷卻等鼓式用于空氣預熱器等式固定格緊湊式適用于低溫到高溫的各種條件至式非緊湊可用于局溫及腐蝕性氣體場合式3換熱器的類型選擇換熱器的類型很多，每種型式都有特定的應用范圍。在某一種場合下性 能很好的換熱器，如果換到另一種場合可能傳熱效果和性能會有很大的改 變。因此，針對具體情況正確地選
4、擇換熱器的類型，是很重要的。換熱器選 型時需要考慮的因素是多方面的，主要有：1）熱負荷及流量大小2）流體的性質3）溫度、壓力及允許壓降的范圍4）對清洗、維修的要求5）設備結構、材料、尺寸、重量6）價格、使用安全性和壽命在換熱器選型中，除考慮上述因素外，還應對結構強度、材料來源、加 工條件、密封性、安全性等方面加以考慮。所有這些又常常是相互制約、相 互影響的，通過設計的優化加以解決。針對不同的工藝條件及操作工況，我 們有時使用特殊型式的換熱器或特殊的換熱管，以實現降低成本的目的。因 此，應綜合考慮工藝條件和機械設計的要求，正確選擇合適的換熱器型式來 有效地減少工藝過程的能量消耗。對工程技術人員而
5、言，在設計換熱器時， 對于型式的合理選擇、經濟運行和降低成本等方面應有足夠的重視，必要 時，還得通過計算來進行技術經濟指標分析、投資和操作費用對比，從而使 設計達到該具體條件下的*佳設計。3.1 管殼式換熱器管殼式換熱器的應用范圍很廣，適應性很強，其允許壓力可以從高真空 到41.5mpa,溫度可以從-100 °c以下到1100 °c高溫。止匕外，它還具有容量大、結構簡單、造價低廉、清洗方便等優點，因此它在換熱器中是*主要的 型式。3.2 特殊型式的換熱器特殊型式的換熱器包括有：板式換熱器、空冷器、多管式換熱器、折流桿 式換熱器、板翅式換熱器、螺旋板式換熱器、蛇管式換熱器和熱
6、管換熱器 等。它們的使用是受設計溫度和設計壓力限制的。在下圖中給出了特殊型式 的換熱器的適用范圍，可供參考700板式換鞋器500-乂旋極式排熱需 根用式換熟#（al>板翔式接熱scsus-熱管式換款器400rn300i￡00- -卡 |孽直事靠：1100 嗎1瓶鮑式襄需鼻（a。世日色力（kgf/匚對）平 kgf/cm?->1020 3d1r _-100表3-1特殊型式換熱器的使用范圍3.3 特殊型式的換熱管特殊型式的換熱管包括有低翅管、高通量管（ucc）、thermoexcell-e、c（日立）及槽管等。3.4 常用換熱器下表中概括地描述了常用換熱器的型式及應
7、用條件和特點。表3-4換熱器的類型及應用類型types換熱面積size（m2）溫度temperaturet( c)壓力(*大)pressure(kgf/cm2)材料material特點和應用features and application1.管殼式換熱器管殼式（標準型）s&t<5000-270 wt w 165()600無限制這種類型的換熱器被廣泛地 用在工2裝置中，安全、可 靠。可以通過采用特殊類型 的換熱管來提高具傳熱性 能。折流桿式rod baffle<5000-100 wt w無限制通過折流桿支承換熱管來消除 振動。由于殼側流動是縱向 的、和有規律的，因
8、此壓力損 失較小，適用于允許壓降小的 氣液或氣體系統。多管式multitube<50-100 9、le tube<10-100 wt w銅鋁不銹鋼碳鋼當傳熱面積比較小(10m20 m2)時，一般選用套管式換熱 器。流動為純逆流，制造成本 低，維修容易，但是緊湊性較 差。長號式trombone<100-50 w t w 銅鋁不銹鋼碳鋼也稱作沖洗式，水被從管側上 處噴卜，加熱或冷卻管內流體 經常用在利用海水作介質的液 化石油氣加熱器中。結構簡單 并易于維修，但是設備占地面 積較大。蛇管式coil<100 < t < 銅、鋁不銹鋼 碳鋼蛇管式換熱管經常被插在罐中 用以加熱或冷卻罐內的液體。類型types換熱面積size(m2)溫度 10、temperature t()壓力(*大)pressure(kgf/cm2)材料material特點和應用features and application板式plate(gasket)<2000-40 w t w 鈦不銹鋼等結構緊湊，易維修。 在液門 換熱設備中傳熱系數較高，實 際應用范圍廣泛。也可于氣體 冷卻、冷凝或沸騰傳熱。螺旋板式spiral<200-90 w t w 碳鋼不銹鋼鈦等主要用逆流和錯流兩種形式。 當溫度存在交叉時，*好選用 逆流形式，而當氣體冷卻或冷 凝時，由于錯流流動壓力損失 小，故常采用此形式。另外 要慎重選擇流體的流路盡量避 免由于陰股 11、流體流率/、平衡而 造成的設備傳熱性能的降低。4.翅片式換熱器空冷器air_cooled<2000<500(air temp.:-60 - + 50)500碳鋼不銹鋼翅片：空冷器和管殼式換熱器相比，安裝面積大，對空冷器需作包括結構價格、耗電等因素在內鋁、碳鋼的綜合費用分析。通常當物流出口溫度高于環境溫度 15c、20或更局時，使用空冷器 較為經濟。板翅式plate fin<-260 12、逐漸使用材質為不銹鋼 的板翅式換熱器。對鋁合金制 造的板翅式換熱器，可利用其 低溫延展性和抗拉性好的特 與八、5特別適用低溫或超低溫場合。執管heat pipe< 2000-40 w t w 碳鋼不銹鋼銅流動阻力小、體積小、結構緊 湊。由于熱管可在熱流體和冷 流體兩側通過增加翅片來擴展 受熱面，因間大大提圖j氣 氣換熱器的傳熱量，用在氣 氣換熱器中*為有效。類型types換熱面積size(m2)溫度temperature t( )壓力(*大)pressure(kgf/cm2)材料material特點和應用features and application5.特殊材料的換充氣器石墨 13、carbon<700<1607不滲透性石墨結構有：管殼式換熱器、塊狀 換熱器等。聚四氟乙烯teflon<80<1505聚四氟乙烯管殼式和浸泡式換熱器，重量 輕、結構緊湊。機械性能較 差，只適用于低壓工況。玻璃glass<253倍。與普通管子有著相 同管外徑的低翅管經常用作管 殼式換熱器的傳熱管。當殼側 傳熱系數低于管側時，使用低 翅管較為 14、理想。低翅管也同樣 可用在冷凝和沸騰傳熱中。沸騰用傳強化管enhancedtubefor boiling熱碳鋼不銹鋼銅合金典型的強化傳熱管即：高熱通w (ucc)、thermoexcell-e(日立)等。在沸騰傳熱系數 低、溫差小(10 °c)的蒸發 器中，經常使用強化傳熱管。上述管子均可提高傳熱系數小20倍。10冷凝用傳強化管enhancedtubefor condensatio n熱碳鋼不銹鋼銅典型的強化傳熱管即：槽管、thermoexcell-c(日立)、低 管等。使用上述管子均可提高 傳熱系數2-5倍。殂從上表中可以看出在換熱器選型時，我們應同時考慮是否選用特殊型式 的換熱器 15、和采用什么樣的換熱管為好。當然，我們通常一般首先考慮選用管 殼式換熱器。另外，認真研究技術規定中的設計要求也是很必要的，而后再 選取能*好發揮其特點的合適的換熱器。3.5 管殼式換熱器封頭和管程數的選取因管殼式換熱器*為常用，下表35中給出了其封頭選取的一般要求, 表36, 37中給出了換熱器的管程數限制值。表3-5 tema端部型式的選取污垢系數：m2. c /w污垢系數管束型式清洗方法(1)前端固定式專箱(2)尾端封頭類型管側殼側管側殼側0.00035所有u型管可抽式m(4)一a一一cas 或 t(5)一mas 或 t(5)>0..固定式一cal見附圖一(1)c :化學清洗；m機械清洗，包括高壓水力噴射清洗。(2)a:當管側或殼側腐蝕裕度為3.0mmw,**封頭型式。(3)b :常用的、較為經濟的封頭型式。(4)只用于管內側可用高壓水噴射清洗的冷卻水系統。(5) 一般使用s形型頭，除非有特殊要求時選t型封頭。(6 17、)當殼側污垢系數0 0.時，可以使用不可拆端蓋。(7)當殼側污垢系數0 0.并且管側可用高壓水噴射清洗時，t型封頭 可使用不可拆端蓋。(8)b或c:常用型式，比a?經濟。(9)m或n:常用型式，比 皿經濟。(10)l :當管側腐蝕裕度為3.0mm寸，**封頭型式。表3-6各類換熱器管程數限制換熱器類型管程數限制u?管式任意偶數；分程隔板只裝在換熱器前端固定管板式任意數；前、后兩端均有分程隔板拔出浮頭式任意偶數；對于單管程，必須在浮頭端加裝密封 節；一般不用于單管程換熱器。帶外密封套環的浮頭式單管程或雙管程；因為尾部沒有分程隔板帶雙開卡環的浮頭式任意偶數； 18、單管程時浮頭端要加裝密封節帶填料函的浮頭式任意數表3-7*大管程數殼內徑*大管程數< - - .6 據不同的工藝條件來安排物流下表從不同的工藝條件出發給出了換熱器的一般選型準則。從換熱器經 濟設計的角度考慮，對管、殼式換熱器應首先著重考慮物流的安排問題，如 果兩流體溫度交叉(即：高溫流體的出口溫度低于冷流體的出口溫度)，應考慮選流動型式為逆流的換熱器。盡管對管殼式換熱器可以選f型殼體，但因縱向隔板間會發生熱量和流體泄漏，因此多數情況下不推薦使用此種型式的殼 體。表3 - 8工藝條件和物流的安排工藝條件管殼式換熱器推 19、薦使用的特殊類型的換熱器殼 側管 側高壓vu型管式高溫vube、蛇e大污垢系數v板式和螺旋板式換熱器高粘度流體v板式和螺旋板式換熱器，強化湍流設備（例如扭 管）和靜態混和器等低壓力降vvx型殼體、折流桿式換熱器和螺旋板式換熱器低流率v板式、螺旋板式、套管式及多管式換熱器腐蝕性流體v選用耐腐蝕材料和特殊材料 （石墨、玻璃、聚四 氟乙烯等）的換熱器低溫度差vv逆流型式的換熱器。如：單管程、多管式、螺 旋板式及板式換熱器等，并可使用強化傳熱管。溫度交叉vv逆流型式的換熱器，如：單管程、多管式、螺旋板 式及板式換熱器。凍結的流體v刺刀式、和帶boxorboot的換熱器3.7 冷卻系統中換熱器的選取在許 20、多工業過程中，產生的大量熱量需要通過冷卻系統來排出。過去經 常以水作為冷卻劑。隨著工業的發展，冷卻水需求量急劇增加，引起供水困 難，因而發展了空氣冷卻。對一個化工系統，一般包括有水冷系統和空冷系 統，或者是這兩者的組合系統。當來自冷卻器或冷凝器的工藝流體的出口溫 度較高時，應該考慮選擇空氣冷卻器。通常空冷器比其它類型的換熱器經 濟，設備回收期短，當工藝流體的出口溫度高于大氣環境溫度15°c 20 °c或更高時，選擇空冷器比較理想。當然對空冷器需做包括結構價格、耗電等因 素等在內的綜合費用分析。而使用水冷系統時也應考慮包括供水、處理、循 環使用及廢水處理等費用。根據技術經濟比 21、較，在氣候適宜的地方，當工藝 物料的*低溫度大于65,選用空冷*為合適；而當工藝物料的*低溫度小 于50 °c,則宜用水冷；在這兩溫度之間，則應作詳細的經濟分析，以確定用 何種型式。一般來說，當工藝流體溫度較低時，使用空冷器和管殼式水冷器的混合系統比較合理，通常高于 60的部分熱量用空冷器取走，其余部分熱量用水冷器取走。3.7.1選用空冷器的原則1）冷卻水供應困難，水冷的運行費用過高；2）水冷引起結垢和腐蝕嚴重；3）水冷引起環境污染，特別是化工廠，將熱水排入環境的熱污染也應注后、3.7.2符合下列條件時，選用空冷更為有利：1）空氣進口溫度設計值 38 c2）熱流體出口溫度與空氣進口 22、溫度之差 15 c3）有效對數平均溫差 40 c4）熱流體凝固溫度 0 c5）熱流體出口溫度的允許波動范圍 士 3 - 5 c6）管側允許壓力降 10kpa7）管內介質的傳熱膜系數 2300w/m2.k8）冷卻水污垢系數 0.0002m2 c/w4無相變物流換熱器的選擇4.1 無相變流動的換熱器應遵循表 38中的通用規則。4.2 在大多數情況下，單相流動可以選用特殊型式的換熱器，這些換熱器 可以達到節省設備結構造價和降低能耗的目的。在設備選型時可參考卜表中不同類型換熱器的傳熱系數值。常用換熱器的總傳熱系數kcal/（h.m 2. c）流股a流股b管殼式板式螺旋板其它型式水冷卻水 23、500選板式換熱器較理想脛類(科 <1cp)冷卻水考慮板式換熱器或空冷器脛類(5cp<<10cp)冷卻水氣體(1bar)冷卻水a.若選用低翅片管，總傳熱系數可增大兩彳以上。u= 150（氣體1bar）b.折流桿式換熱器的壓力損失小。另外，x型殼體、和螺旋板式的壓力損失也較小氣體(5bar)冷卻水c.為防止管子振動破壞，可選用氣體（10bar）冷卻水折流桿式換熱器、管窗內不排管氣體(20bar)冷卻水330的管殼式換熱器d.如果氣側設計壓力低一 ，25kgf/cm（g）,考慮用高翅片管e 24、空冷器和管殼式換熱器的總傳熱系數相當流股a流股b管殼式板式螺旋板其它型式脛類(5cp<<10cp)脛類(5cp<<10cp若在管殼式換熱器中流動為層 流，則使用板式換熱器較為理 想、合理。氣體(1bar)氣體(1bar)40a.熱管換熱器的總傳熱系數400（5kgf/cm 2）氣體(5bar)氣體(5bar)100b.低壓降型式的換熱器：折流桿式、x型殼體。這兩種型式的總傳熱系數u相近。氣體(10bar)氣體(10bar)180c.緊湊式換熱器：板翅式換熱器（鋁材或不銹鋼）。氣體(20bar)氣體(20bar)250d.高溫工況：板翅式（不銹鋼）蛇 25、管式換熱器（總傳熱系數和管 殼式換熱器相近）。氣體(1bar)脛類(= 10cp60)70對高粘度流體可選用螺旋板式 換熱器。氣體(5bar)脛類（科=5cp）氣體脛類330(20bar)(科 <1cp)烝氣冷卻水選錯流型式的螺旋板式換熱器。烝氣脛類選錯流型式的螺旋板式換熱器。4.3 對水-水系統（包括海水）**板式換熱器。板式換熱器在價格、重量、緊 湊性方面都是*好的。但要注意污垢系數應小于任何管殼式換熱器，它的傳 熱性能通常決定于廠商提供的板片形式。4.4 當冷卻器出口溫度高于大氣環境溫度15°c20°c或更高時，考慮用空冷 26、器。4.5 對管殼式換熱器，經常使用低翅管來增強殼側的傳熱。一般殼側傳熱系 數會有兩倍或三倍的提高。特別當殼側傳熱系數低于管側一半時，采用低翅 管特別有效。當某**體在管側的傳熱系數過低時，則考慮變換管側流動為 殼側流動，并選用低翅管。當流體較臟時，會有很多未知因素造成換熱器的 嚴重結垢，因此不要使用低翅片換熱管。5冷凝器的選擇5.1 一個冷凝器的傳熱性能很大程度上取決于換熱器的型式、流體的分布以 及冷凝側的工藝條件。對冷凝器的選取應在考慮了3-8表中的通用選型規定外，并同時考慮下表中的工藝條件。冷凝器選型指南工條件管側 冷凝殼側冷凝水平方向垂直 方向水平 方向垂直 方向向卜流向上流錯流折流向 27、卜流向上流單組份好好尚好一不好好好好尚好一不好多組份好好尚好一不好不好好好尚好一不好含不凝氣好好不好尚好好尚好不用過冷氣不好好不用不好不好尚好不用壓力降高好好不用尚好好好不用低尚好好尚好好尚好尚好尚好冷卻劑液體好好好好好好好氣體好好好好好好好沸騰好好好不好不好好好5.2當冷凝器的冷凝溫度高于環境溫度 15°c20°c或更高時，考慮使用空冷5.3 特殊類型的換熱器有時也可用做冷凝器，下表中給出了幾個常用的實 例。換熱器類型應用實例板式換熱器冷凍劑冷凝器、蒸汽冷凝器和燒類冷凝器螺旋板式換熱器蒸汽冷凝器和燒類冷凝器（常用在塔頂儲出物冷凝器中）板翅式換熱器冷凍劑冷凝器（用于低溫系統 28、）蛇管式換熱器冷凍劑冷凝器5.4 對可能會有冷凍發生的冷凝器，當物流在殼側冷凝時，通常要考慮加大 管間距，并需要注意考慮金屬溫度、冷凝液流動和不凝氣的放空等問題。也 可使用專門的防凍劑冷凝器或刺刀式和帶有冷凝液排出箱的冷凝器。5.5 在冷凝器中為了強化傳熱，也常常使用強化傳熱管，如：低翅管、 thermonexcell-c（日立）和槽式管（垂直使用）。低翅管較普遍地用于工藝裝置 中。而其它兩種則更多地用于空調生產中。這些管可強化傳熱，提高傳熱系 數兩倍至五倍。但應高度重視它們的結垢問題。6蒸發器的選擇6.1 蒸發器或再沸器可以分成（1）內置式、（2）釜式、（3）臥式熱虹吸式、（4）立 式熱虹吸 29、式、（5）強制循環式。在下表中列出了各種蒸發器的特點。蒸發器的類型及特點類型沸騰模型特點(1)內置式殼側池內沸騰不需要殼體和接管，因此設備造價低。由于是塔 內置的形式，管束長度受蒸儲塔直徑限制，故尺 寸有限。換熱面積大，換熱率低，易結垢。(2)釜式殼側池內沸騰盡管需要有較大的殼徑來分離氣體和液體，但因 管線系統簡單，設備造價并不高。容易維修和清 洗，容易操作和控制。但換熱面積大、換熱率 低，易結垢，用短粗管束時蒸汽會覆蓋換熱管。(3)臥式熱虹吸式殼側沸騰為獲得好的流體分布，通常使用多個接管，這樣 造成了管線系統的復雜，提高了設備價。有較高 的換熱率，容易維修和清洗，可控制性好，不易 結垢。(4 30、)立式熱虹吸式管側沸騰設備被直接安裝在塔旁由于管線系統簡單，故設備造價低。換熱率很大，不易結垢，占地面積小， 可用于真空和低壓系統。為獲得好的循環，可能 需要比較高的塔裙高度。管長通常受塔裙高度、 傳熱面積的限制。維修和清洗困難，不能附十后 過流量和突然脈動可能的系統，當沸點有較高的 提升時會使蒸汽的發生率較低。(5)強制循環式殼側或管側沸騰用泵使液體流動并進行循環。它可以維持很高的 循環率，因此結垢較少。它們也適用于粘性和固 體-潤滑液體，沸騰傳熱可以發生在管內也可以 在管外，能夠處理粘性較大的流體。管內強制循 環再沸器更適用于結垢性、粘性和有懸浮粒子的 液體以及低壓系統。在多數系統中一般適 31、合采用 外沸騰管束。另外，循環率是受到泵控制的，因 此要考慮泵動力消耗的費用，可以通過流體的循 環體積、首期投資和操作費用來優化計算循環 率。6.2 對蒸發器或再沸器，傳熱性能可能會因設備型式的選擇、沸騰側的工藝條 件而有很大變化。因此，在選擇一個合適的蒸發器或再沸器時，除了要考慮前面所說的通用規則外，還應考慮下表中所列的操作壓力、設計溫差、污垢系數 及混合液沸騰范圍在內的工藝條件。蒸發器或再沸器選型指南工藝條件再沸器類型釜式或內置式臥式殼側熱虹吸式立式管側熱虹吸式強制流動操作壓力常壓egbe接近臨界壓力b-errde真空brrde設計溫差適中egbe大brg-rde小(對混和物)ffrdp非 32、常小(純組份)bfpp污垢清潔ggge中度rdgbe嚴重prdbg非常嚴重pprdb混合液沸騰范圍純組份ggge窄微分物質ggbe寬微分物質fgbe非常寬的微分物(粘性液)f-pg-rdpbb(best):*好;g(good):好的;f(fair):尚好，但可選更好的；rd(riskydesign):危險的，除非小心設計，但在有些工況下可做其它更好的選擇；r(risky):由于數據不充分，冒險；p(poor):不好的操作；e:(operable)可行，但是增加了 不必要的費用。6.3 對臥式循環式的蒸發器或再沸器，為了避免在殼側兩相流動的流體氣- 液相分離，推薦使用郵殼體或h?殼體， 33、而當使用effl殼體或j型殼體時，應 選擇橫向流動，并盡量使管長與殼徑之比等于 5或小于5。6.4 對立式熱虹吸再沸器，有兩種形式的出口接管。（1）塔側面與再沸器頂部相連型式，（2）塔和再沸器直接相連的型式。對純組份的沸騰，（1）、（2）兩種接管型式均可。而對混合物的沸騰，*好選用 （1）形式的接管。熱虹吸再沸器 的循環是靠入口和出口管道之間 的水力靜壓差來維持的。為了達到較高的循 環率并且很好地控制它，應該減小管道中的壓力降。這就需要慎重地選擇管 道直徑、材料、布置方式、閥門、彎頭及其它管件。6.5 當在立式或臥式熱虹吸再沸器中，熱介質為單相流時，逆流和平行流動 都是可行的，應通過對溫度差、 34、循環率和傳熱性能的綜合考慮來選擇何種為 *好。6.6 特殊型式的換熱器用于蒸發器或再沸器的情況并不多，在下表中列出了 幾個應用實例。換熱器的型式應用實例板式換熱器冷凍劑蒸發器板翅式換熱器lncj 口 lpgk 發器蛇管式換熱器冷凍劑蒸發器熱管換熱器殼側蒸發器6.7 高熱通量管（uccbthermonexcell-e（日立）等特殊型式的換熱管也常用 于蒸發器中，一般可提高傳熱系數 10到2皿。當平均溫差較小（tm< 10°c）、 沸騰傳熱系數低時，應考慮利用以上特殊型式的換熱管。7換熱器的合理壓力降較高的壓降值導致較高的流速，因此會導致較小的設備和較少的投資， 但運行費用會增高， 35、較低的允許壓降值則與此相反。所以，應該在投資和運 行費用之間進行一個經濟技術比較。在下表中給出了常用的換熱器的壓降 值，可供計算時參考。管殼式換熱器、空冷器和套管式換熱器物流壓 降值氣體和蒸汽（高壓）3570kpa氣體和蒸汽（低壓）1535kpa氣體和蒸汽（常壓）3.5 14kpa蒸汽（真空）< 3.5kpa蒸汽（真空塔冷凝器）0.4 1.6kpa液體kpaf型殼體，殼側壓降3570kpa （max.）板翅式換熱器物流壓降值氣體和蒸汽50 20kpa液體20 55kpa對管殼式換熱器也可按下表選取合理的壓力降操作情況操作壓力合理的壓力降減壓操作p= 0 100kpa（abs）p 36、/10低壓操作p= 0 70kpa（表）p/2p= 70 1000kpa（表）35kpa中壓操作（包括用泵）p= 1000 3000kpa（表）35 180kpa較圖壓操作p= 3000 8000kpa（表）70 z250kpa8工藝條件中溫度的選用8.1 冷卻水的出口溫度不宜高于60°c,以免結垢嚴重。高溫端的溫差不應小于 20°c,低溫端的溫差不應小于51。當在兩工藝物流之間進行換熱時，低溫端 的溫差不應小于20° c。8.2 當在采用多管程、單殼程的管殼式換熱器，并用水作為冷卻劑時，冷卻水 的出口 溫度不應高于工藝物流的出口溫度。8.3 在冷卻或者冷凝工藝物 37、流時，冷卻劑的入口溫度應高于工藝物流中易結凍 組分的冰點，一般高5°co8.4 在對反應物進行冷卻時，為了控制反應，應維持反應物流和冷卻劑之間的 溫差不應低于10° c。8.5 當冷凝帶有惰性氣體的工藝物料時，冷卻劑的出口溫度應低于工藝物料的 露點，一般低5 c8.6 為防止天然氣、凝析氣產生水合物，堵塞換熱管，被加熱工藝物料出口 溫度必須高于其水合物露點（或冰點），一般高5 10 °c。8.7 換熱器的設計溫度應高于*大操作溫度，一般高1030（詳見 bcd 41a2-94）。9管殼式換熱器接管位置的選取換熱器接管位置建議遵循下列原則：1）被加熱或被蒸發的流體， 38、不論是在管側或殼側，應從下向上流動2）被冷凝的流體，不論是在管側或殼側，應從上向下流動3）被冷卻流體的流動方向，應從管線經濟角度考慮而定10結構參數的選取10.1 換熱管的選取管子必須能夠承受：內、外側的壓力；兩側的溫度；由管、殼膨脹差所 引起的熱應力；管側和殼側流體的腐蝕性。10.1.1 管型常用換熱管為光管和外翅片管，近幾年一種新型換熱管-波節管也常被 用于采暖、供熱上，另外，高通量強化管也被用于某些特定的場合。在選取 換熱管時要充分考慮其可用性、適應范圍及管材價格。管殼式換熱器通常慣 例使用光管作換熱管，它可以用任何材料做成，并滿足有較寬的管壁范圍， 這種型式的換熱管適用于所有管殼式換熱 39、器。低翅管的翅片可將光管的外表 面積增大約2.5倍。當殼側污垢系數小于 0.m2.kw時使用低翅管較為經 濟，但它不可用在腐蝕速率超過 0.05mm件的場合，由于此時翅片的壽命將只 有3年或更短。對同樣長度和壁厚的光管來說，翅片管的價格要高出其50%70%因此，只有當光管的管外總阻力與管內總阻力之比大于或等于3時，需要采用外翅片管。這種情況經常會發生在用蒸汽加熱的再沸器、預熱 器、水冷器和處理有機流體的冷凝器中。但若光管的管外總阻力與管內總阻 力之比小于3時，可作一下具體的經濟比較，因若采用外翅管可減小殼徑，降 低成本，故哪種管型較合理需具體情況具體分析。翅片管的另一個特殊用途 是解 40、除瓶頸問題，擴大現有設備的能力。而當傳熱壁兩側傳熱膜系數都很小 時，宜用兩面帶翅的設備，如板翅式換熱器或外翅管內加麻花條或螺旋線強 化器。10.1.2 管長管長的選取是受到兩方面因素限制的，一個是材料費用，另一個是可用 性。長一點的管子（12.2m的碳鋼管，21.3m的銅合金管）通常只在美國可以得 到。但是6出￡的換熱管則是很普遍的。無相變換熱時，管子較長則傳熱系數 也增加，在相同傳熱面時，采用長管較好，一是可減少管程數，二是可減少 壓力降，三是每平方米傳熱面的比價低。但是管子過長給制造帶來困難，因 此，一般選用4、6m勺換熱管。對于大面積、或無相變的換熱器可以選用8 9m的管長。在 41、冷凝器中選用長管子的一個缺點是會增大設備放置平臺的鋼結 構，增加費用。另外，長管束也需要有較大的管子抽出空間，因此需要增加 設備的占地面積。10.1.3 管徑和壁厚管徑愈小換熱器愈緊湊、愈便宜。但是管徑愈小換熱器的壓降將增加， 為了滿足允許的壓降，一般推薦選用19mm的管子。對于易結垢的物料，為了 清洗方便，采用外徑為25mm的管子。對于有氣液兩相流的工藝物流，一般 選用較大的管徑，例如再沸器、鍋爐，多采用 32mm的管徑，直接火加熱時多采用76mm的管徑。常用國內換熱管的規格見表10-1表101常用國內換熱管的規格材料鋼管標準外徑x厚度mm碳 鋼gb8163-8710 x 1.514 x 2 42、19 x 225 x 225 x 2.532 x 338 x 345 x 357 x 3.5不銹鋼gb2270-8010 x 1.514 x 219 x 225 x 232 x 238 x 2.545 x 2.557 x 2.510.2.折流板的選取折流板可以改變殼程流體的方向，使其垂直于管束流動，增加流體速 度，以增強傳熱；同時起支撐管束、防止管束振動和管子彎曲的作用。10.2.1 折流板型式折流板的型式有圓缺形、環盤形和孔流性等。通常為圓缺形折流板，并 可分為單圓缺形、雙圓缺形和三圓缺形。在要求壓降小的情況下，也可選用 環盤形折流板，但傳熱較差，應用較少。孔流形折流板使流體穿過折流板孔 和 43、管子之間的縫隙流動，壓降大，僅適用于清潔流體，應用更少。10.2.2 折流桿折流桿換熱器是由許多折流桿在不同位置支撐管子的結構。桿子之間用 圓環相連，四個圓環組成一組，因而能牢固地將管自支撐住，有效地防止管 束的振動。同時又起到了強化傳熱、防止污垢沉積和減小阻力的作用，其應 用正在不斷增加。10.2.3 折流板圓缺位置水平放置的折流板適用于無相變的對流傳熱，防止殼程流體平行于管束流 動，減少殼程底部液體沉積。而在帶有懸浮物或結垢嚴重的流體所使用的臥 式冷凝器、換熱器中，一般采用垂直型折流板。10.2.4 折流板圓缺高度單圓缺型折流板的開口高度為直徑的10 -45%,雙圓缺型折流板的開口 高度為 44、直徑的15 25%。10.2.5 折流板間距折流板的間距影響到殼程物流的流向和流速，從而影響到傳熱效率。* 小的折流板間距為殼體直徑的 1/5并大于50mm。然而，對特殊的設計考慮可 以取較小的間距。由于折流板有支撐管子的作用，所以，通常*大折流板問 距為殼體直徑的1/2并不大于tema規定的*大無支撐直管跨距的0.8倍。10.3防旁流設施10.3.1 密封條密封條也稱旁路擋板，主要防止物流由殼體和管束之間的旁流。密封條 沿著殼體嵌入到已銃好的凹槽的折流板內，它一般是成對設置的，數量推薦 如下：公稱直徑dn < 500mm時，一對擋板；500mm 46、物流為氣體和飽和水蒸汽或者為氣液混和物時， 這些物流將對入口處的管子進行沖擊，引起振動和腐蝕。為了保護這部分管 子應設置緩沖擋板。11管殼式換熱器的設計要點換熱器的設計過程包括計算換熱面積和選型兩個方面。有關換熱器的選 型問題，前面已經講過了，下面主要介紹管殼式換熱器的設計要點及如何分 析計算結果、調整計算，而設計出滿足工藝需要的、傳熱效率高的換熱器。 11.1設計計算的基本模型及換熱器的性能參數換熱器的性能主要是通過下列公式來描述的。a.冷、熱兩流體間熱量平衡qreq=(wcp a t)hot=(wcpa t)coldw-流體質量流量cp-流體的比熱hot-熱流體cold-冷流體at-進出口 47、溫度差b.傳熱率方程qact=(a)( atm)(1/ 2 r)2r=(1/hi)o+(1/ho)o+(rf)o+(rw)o2 r-總熱阻a- 傳熱面hi、ho-分別為兩流體的傳熱膜系數rf-兩流體的污垢熱阻rw-金屬壁面熱阻a tm-平均溫度差o-通常換熱計算以換熱管外表面為基準c. 傳熱率的估算qact >qreqd. 對壓力降的限制條件( a pi)act < ( a pi)allow(a po)act < ( a po)allowap-壓力降下標i表示管內下標o表示管外11.2換熱器的計算類型換熱器的計算類型常分為設計計算和校核計算兩大類。換熱器計算一般 需要三大類數 48、據：結構數據、工藝數據和物性數據，其中結構數據的選擇在 換熱器中*為重要。在管殼式換熱器的設計中包含有一系列的選擇問題，如 殼體型式、管程數、管子類型、管長、管子排列、折流板型式、冷熱流體流 動通道方式等方面的選擇。工藝數據包括冷、熱流體的流量、進出口溫度、 進口壓力、允許壓降及污垢系數等。物性數據包括冷、熱流體在進出口溫度 下的密度、比熱容、粘度、導熱系數、表面張力。 . 設計計算design設計計算就是通過給定的工藝條件，來確定一臺未知換熱器的結構參數， 并使其結構*優、尺寸*小。對設計計算應先確定下列基本的幾何參數： 管長 管間距流向角 -換熱管外徑及管壁厚b.校核計算rating校核計 49、算就是評估一臺已知換熱器的傳熱性能，即通過校核設備的幾何 尺寸來看其是否能滿足傳熱要求。校核計算應已知下列基本的幾何參數：管程數 殼內徑/管數-折流板間距/折流板數管長/管間距流向角管內徑/管壁厚11.2.1 設計元素的選取設計計算時應考慮下列的幾個基本設計元素： 殼體型式：temae f, g j, k, x。 殼內徑：通常*大為2米。 -換熱管幾何尺寸：光管、翅片管管徑（19mm,25.4mr）管長系列（3m,5m,6m,7.2m等）管子排列角:30°, 60°, 45°, 90° 管間距：1.25 ? 1.50倍的管子外徑折流板型式：單圓 50、缺、雙圓缺、管窗內不排管及為防止管子振動而 加的支承板。11.3*終計算結果的分析目前，換熱器計算常用的計算軟件為美國的htr和英國的htfs這兩大軟件均為在國際上享有盛譽的傳熱設備專用計算軟件。當設計計算結束后， 如何根據實際的工況，來判斷計算結果是否滿足要求，出現問題后如何解 決，這對設計者來說都是很重要的，在評價*終設計計算時應考慮并校核以下 各項。11.3.1 總體設計尺寸細長型的換熱器比短粗型要經濟，通常情況下管長和殼徑之比為5 -10,但有時根據實際需要，長、徑之比可增到15或20,但不常見。對立式熱虹吸再沸器，要控制其長、徑比在 3 - 10之內。11.3.2 熱阻大小首先根據流 51、體的物系及實際經驗來推斷一下傳熱系數值是否合理，應特 別注意管內雷諾數的大小。在層流流動（管側re<2000，殼側re<300）和過渡區流動中，應使用分段計算的方式（htfs?序無此功能），以確保傳熱系數值計 算的正確。在評估計算結果的同時，應考慮程序計算的**度。如果熱阻在 管側和殼側分布平衡，則該設計是好的，如果一側熱阻值過大，應該分析原因，分析管、殼側冷、熱流體的分布是否合理，如果是由于某一側污垢系數 過大而引起的，則可不必進一步修改原設計。11.3.3 設計余量換熱器設計計算時設計余量值的大小取決于計算精度、實際經驗及對現 場的操作控制等。例如：對冷卻水換熱器，當 52、水流速大于1.5m/s時，沒必要給出過大的設計余量，過大的余量反而會造成水流速的降低。但對層流和過 渡區流動，由于計算精度不好，故需要給出較大的設計余量，通常需要在考 慮了傳熱阻力值的大小和程序的計算精度后決定。對再沸騰器，過大的設計 余量反而是無益的，特別是在設備運轉初期，會發生如控制困難等操作問 題。另外，有些設計計算，為了滿足允許壓降值的限制，可能會造成設計余 量較大，此時應根據實際經驗來判定計算結果是否正確或對允許壓降值的大 小作適當的調整。11.3.4 壓降的利用和分布允許壓降必須盡可能加以利用，如果計算壓降與允許壓降有實質差別， 則必須嘗試改變設計參數。在校核了計算所得壓降值是否小于允許值之后， 應對壓降的分布作進一步的校核，這其中包括有進、出口接管處壓降、錯流 和管窗流的壓降，壓力降必須大部分分布在換熱率高的地方，如橫掠管束的錯 流流動處；如果在接管或管窗處的壓降占總壓降的比例較大，應考慮增大接 管尺寸及折流板間距。一般對進、出口接管的壓降希望控制在總壓降的30%左右。特別對有軸向接管的換熱器，接管部分 部分內容來源于網絡，僅用于學習分享，如發現有侵權，請及時聯系刪除，謝謝。
