热交换器的选型和设计指南

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 Page 1 of 38 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 热交换器的选型和设计指南 Page 2 of 38 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 热交换器的选型和设计指南 Page 3 of 38 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 热交换器的选型和设计指南 Page 4 of 38 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 Features and Application 1 管 壳 式 换 热 器 管壳式 标准型 S 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 15 C 3 有效对数平均温差 40 C 4 热流体凝固温度 10kpa 7 管内介质的传热膜系数 0 0002m2 C W 4 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 流 股 A流 股 B管壳式板式螺旋板 其 它 型 式 水冷却水 70040001500 选板式换热器较理想 烃类 1cp 冷却水 50015001000 考虑板式换热器或空冷器 烃类 5cp 10cp 冷却水 2501000 600 气体 1bar 冷却水 70200 80 a 若选用低翅片管 总传热系数 热交换器的选型和设计指南 Page 12 of 38 可增大两倍以上 U 150 气体1bar b 折流杆式换热器的压力损失小 另外 X型壳体 和螺旋 板式的压力损失也较小 气体 5bar 冷却水 150200 200 c 为防止管子振动破坏 可选用 气体 10bar 冷却水 260200 300 折流杆式换热器 管窗内不排管 气体 20bar 冷却水 330 的管壳式换热器 d 如果气侧设计压力低 5kgf cm2 g 考虑用高翅片管 e 空冷器和管壳式换热器的总 传 热系数相当 流 股 A流 股 B管壳式板式螺旋板 其 它 型 式 烃类 5cp 10cp 烃类 5cp 10cp 150600 400若在管壳式换热器中流动为层 流 则使用板式换热器较为理 想 合理 气体 1bar 气体 1bar 40 a 热管换热器的总传热系数 400 5kgf cm2 气体 5bar 气体 5bar 100 b 低压降型式的换热器 折流杆式 X型壳体 这两种 型 式的总传热系数U相近 气体 10bar 气体 10bar 180 c 紧凑式换热器 板翅式换热器 铝材或不锈钢 气体 20bar 气体 20bar 250 d 高温工况 板翅式 不锈钢 蛇 管式换热器 总传热系数和管 壳 式换热器相近 气体 1bar 烃类 10cp 60 70 对高粘度流体可选用螺旋板式 换热器 气体 5bar 烃类 130 150 热交换器的选型和设计指南 Page 13 of 38 5cp 气体 20bar 烃类 1cp 330 蒸气冷却水 900 1500 选错流型式的螺旋板式换热器 蒸气烃类 700 1200 选错流型式的螺旋板式换热器 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 管 侧冷 凝壳 侧 冷 凝 工艺条件水 平垂 直方 向 水 平方 向 垂 直方 向 方 向向下流向上流 错 流折 流 向下流向上流 单组份 好 好尚好 不好 好 好 好尚好 不 好 多组份 好 好尚好 不好 不好 好 好尚好 不好 含不凝 气 好 好不好 尚好 好 尚好 不用 过冷气 不好 好不用 不好 不好 尚好 不用 热交换器的选型和设计指南 Page 14 of 38 压力降 高 好 好不用 尚好 好 好 不用 低 尚好 好尚好 好 尚好 尚好 尚好 冷却剂 液体 好 好 好 好 好 好 好 气体 好 好 好 好 好 好 好 沸腾 好 好 好 不好 不好 好 好 5 2 当冷凝器的冷凝温度高于环境温度15 C 20 C或更高时 考虑使用空冷 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 换热器类型应用实例 板式换热器冷冻剂冷凝器 蒸汽冷凝器和烃类冷凝器 螺旋板式换热器蒸汽冷凝器和烃类冷凝器 常用在塔顶馏出物冷凝器中 板翅式换热器冷冻剂冷凝器 用于低温系统 蛇管式换热器冷冻剂冷凝器 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 内置式 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 热交换器的选型和设计指南 Page 15 of 38 蒸 发 器 的 类 型 及 特 点 类 型 沸 腾 模 型 特 点 1 内置式壳侧池内沸腾不需要壳体和接管 因此设备造价低 由于是塔 内置的形式 管束长度受蒸馏塔直径限制 故尺 寸有限 换热面积大 换热率低 易结垢 2 釜式壳侧池内沸腾尽管需要有较大的壳径来分离气体和液体 但因 管线系统简单 设备造价并不高 容易维修和清 洗 容易操作和控制 但换热面积大 换热率 低 易结垢 用短粗管束时蒸汽会覆盖换热管 3 卧式热虹吸式壳侧沸腾为获得好的流体分布 通常使用多个接管 这样 造成了管线系统的复杂 提高了设备价 有较高 的换热率 容易维修和清洗 可控制性好 不易 结垢 4 立式热虹吸式管侧沸腾设备被直接安装在塔旁由于管线系统简单 故设备 造价低 换热率很大 不易结垢 占地面积小 可用于真空和低压系统 为获得好的循环 可能 需要比较高的塔裙高度 管长通常受塔裙高度 传热面积的限制 维修和清洗困难 不能用于有 过流量和突然脉动可能的系统 当沸点有较高的 提升时会使蒸汽的发生率较低 5 强制循环式壳侧或管侧沸 腾 用泵使液体流动并进行循环 它可以维持很高的 循环率 因此结垢较少 它们也适用于粘性和固 体 润滑液体 沸腾传热可以发生在管内也可以 在管外 能够处理粘性较大的流体 管内强制循 环再沸器更适用于结垢性 粘性和有悬浮粒子的 液体以及低压系统 在多数系统中一般适合采用 外沸腾管束 另外 循环率是受到泵控制的 因 此要考虑泵动力消耗的费用 可以通过流体的循 环体积 首期投资和操作费用来优化计算循环 率 热交换器的选型和设计指南 Page 16 of 38 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 及混合液沸腾范围在内的工艺条件 蒸发器或再沸器选型指南 工 艺 条 件再 沸 器 类 型 釜 式 或 内 置 式 卧 式 壳侧热虹吸式 立 式 管侧热虹吸式 强制流动 操作压力 常压 E G B E 接近临界压力 B E R Rd E 真空 B R Rd E 设计温差 适中 E G B E 大 B R G Rd E 小 对混和物 F F Rd P 非常小 纯组份 B F P P 污垢 清洁 G G G E 中度 Rd G B E 严重 P Rd B G 非常严重 P P Rd B 混合液沸腾范围 纯组份 G G G E 窄馏分物质 G G B E 宽馏分物质 F G B E 非常宽的馏分物 粘性液 F P G Rd P B B best 最好 G good 好的 F fair 尚好 但可选更好的 Rd riskydesign 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 热交换器的选型和设计指南 Page 17 of 38 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 换热器的型式应用实例 板式换热器冷冻剂蒸发器 板翅式换热器LNG和LPG蒸发器 蛇管式换热器冷冻剂蒸发器 热管换热器壳侧蒸发器 6 7 高热通量管 UCC Thermonexcell E 日立 等特殊型式的换热管也常用 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 热交换器的选型和设计指南 Page 18 of 38 管壳式换热器 空冷器和套管式换热器 物 流 压 降 值 气体和蒸汽 高压 35 70Kpa 气体和蒸汽 低压 15 35Kpa 气体和蒸汽 常压 3 5 14Kpa 蒸汽 真空 3 5Kpa 蒸汽 真空塔冷凝器 0 4 1 6Kpa 液体 70 170Kpa F型壳体 壳侧压降 35 70Kpa Max 板翅式换热器 物流 压 降 值 气体和蒸汽 5 20Kpa 液体 20 55Kpa 对管壳式换热器也可按下表选取合理的压力降 操作情况操作压力 合理的压力降 减压操作P 0 100Kpa abs P 10 低压操作P 0 70Kpa 表 P 2 P 70 1000Kpa 表 35Kpa 中压操作 包括用泵 P 1000 3000Kpa 表 35 180Kpa 较高压操作P 3000 8000Kpa 表 70 250Kpa 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 高温端的温差不应小于 20 C 低温端的温差不应小于5 C 当在两工艺物流之间进行换热时 低温端 的温差不应小于20 C 8 2 当在采用多管程 单壳程的管壳式换热器 并用水作为冷却剂时 冷却水 的出口 温度不应高于工艺物流的出口温度 热交换器的选型和设计指南 Page 19 of 38 8 3 在冷却或者冷凝工艺物流时 冷却剂的入口温度应高于工艺物流中易结冻 组分的 冰点 一般高5 C 8 4 在对反应物进行冷却时 为了控制反应 应维持反应物流和冷却剂之间的 温差不应低于10 C 8 5 当冷凝带有惰性气体的工艺物料时 冷却剂的出口温度应低于工艺物料的 露点 一般低5 C 8 6 为防止天然气 凝析气产生水合物 堵塞换热管 被加热工艺物料出口 温度必须高于其水合物露点 或冰点 一般高5 10 C 8 7 换热器的设计温度应高于最大操作温度 一般高10 30 C 详见 BCD 41A2 94 9 管壳式换热器接管位置的选取 换热器接管位置建议遵循下列原则 1 被加热或被蒸发的流体 不论是在管侧或壳侧 应从下向上流动 2 被冷凝的流体 不论是在管侧或壳侧 应从上向下流动 3 被冷却流体的流动方向 应从管线经济角度考虑而定 10 结构参数的选取 10 1换热管的选取 管子必须能够承受 内 外侧的压力 两侧的温度 由管 壳膨胀差所 引起的热应力 管侧和壳侧流体的腐蚀性 10 1 1管型 常用换热管为光管和外翅片管 近几年一种新型换热管 波节管也常被 用于采暖 供热上 另外 高通量强化管也被用于某些特定的场合 在选取 换热管时要充分考虑其可用性 适应范围及管材价格 管壳式换热器通常惯 例使用光管作换热管 它可以用任何材料做成 并满足有较宽的管壁范围 这种型式的换热管适用于所有管壳式换热器 低翅管的翅片可将光管的外表 面积增大约2 5倍 当壳侧污垢系数小于0 00053m2 K W时使用低翅管较为经 济 但它不可用在腐蚀速率超过0 05mm 年的场合 由于此时翅片的寿命将只 有3年或更短 对同样长度和壁厚的光管来说 翅片管的价格要高出其 50 70 因此 只有当光管的管外总阻力与管内总阻力之比大于或等于3 时 需要采用外翅片管 这种情况经常会发生在用蒸汽加热的再沸器 预热 热交换器的选型和设计指南 Page 20 of 38 器 水冷器和处理有机流体的冷凝器中 但若光管的管外总阻力与管内总阻 力之比小于3时 可作一下具体的经济比较 因若采用外翅管可减小壳径 降 低成本 故哪种管型较合理需具体情况具体分析 翅片管的另一个特殊用途 是解除瓶颈问题 扩大现有设备的能力 而当传热壁两侧传热膜系数都很小 时 宜用两面带翅的设备 如板翅式换热器或外翅管内加麻花条或螺旋线强 化器 10 1 2 管长 管长的选取是受到两方面因素限制的 一个是材料费用 另一个是可用 性 长一点的管子 12 2m的碳钢管 21 3m的铜合金管 通常只在美国可以得 到 但是6m长的换热管则是很普遍的 无相变换热时 管子较长则传热系数 也增加 在相同传热面时 采用长管较好 一是可减少管程数 二是可减少 压力降 三是每平方米传热面的比价低 但是管子过长给制造带来困难 因 此 一般选用4 6m的换热管 对于大面积 或无相变的换热器可以选用8 9m 的管长 在冷凝器中选用长管子的一个缺点是会增大设备放置平台的钢结 构 增加费用 另外 长管束也需要有较大的管子抽出空间 因此需要增加 设备的占地面积 10 1 3 管径和壁厚 管径愈小换热器愈紧凑 愈便宜 但是管径愈小换热器的压降将增加 为了满足允许的压降 一般推荐选用19mm的管子 对于易结垢的物料 为了 清洗方便 采用外径为25mm的管子 对于有气 液两相流的工艺物流 一般 选用较大的管径 例如再沸器 锅炉 多采用32mm的管径 直接火加热时多 采用76mm的管径 常用国内换热管的规格见表10 1 热交换器的选型和设计指南 Page 21 of 38 表 10 1 常用国内换热管的规格 材 料 钢 管 标 准 外径 x 厚度mm 10 x 1 5 14 x 2 19 x 2 25 x 2 碳 钢 GB8163 87 25 x 2 5 32 x 3 38 x 3 45 x 3 57 x 3 5 10 x 1 5 14 x 2 19 x 2 不 锈 钢 GB2270 80 25 x 2 32 x 2 38 x 2 5 45 x 2 5 57 x 2 5 10 2 折流板的选取 折流板可以改变壳程流体的方向 使其垂直于管束流动 增加流体速 度 以增强传热 同时起支撑管束 防止管束振动和管子弯曲的作用 10 2 1 折流板型式 折流板的型式有圆缺形 环盘形和孔流性等 通常为圆缺形折流板 并 可分为单圆缺形 双圆缺形和三圆缺形 在要求压降小的情况下 也可选用 环盘形折流板 但传热较差 应用较少 孔流形折流板使流体穿过折流板孔 和管子之间的缝隙流动 压降大 仅适用于清洁流体 应用更少 10 2 2折流杆 折流杆换热器是由许多折流杆在不同位置支撑管子的结构 杆子之间用 圆环相连 四个圆环组成一组 因而能牢固地将管自支撑住 有效地防止管 热交换器的选型和设计指南 Page 22 of 38 束的振动 同时又起到了强化传热 防止污垢沉积和减小阻力的作用 其应 用正在不断增加 10 2 3折流板圆缺位置 水平放置的折流板适用于无相变的对流传热 防止壳程流体平行于管束流 动 减少壳程底部液体沉积 而在带有悬浮物或结垢严重的流体所使用的卧 式冷凝器 换热器中 一般采用垂直型折流板 10 2 4折流板圆缺高度 单圆缺型折流板的开口高度为直径的10 45 双圆缺型折流板的开口 高度为直径的15 25 10 2 5折流板间距 折流板的间距影响到壳程物流的流向和流速 从而影响到传热效率 最 小的折流板间距为壳体直径的1 5并大于50mm 然而 对特殊的设计考虑可 以取较小的间距 由于折流板有支撑管子的作用 所以 通常最大折流板间 距为壳体直径的1 2并不大于TEMA规定的最大无支撑直管跨距的0 8倍 10 3 防旁流设施 10 3 1 密封条 密封条也称旁路挡板 主要防止物流由壳体和管束之间的旁流 密封条 沿着壳体嵌入到已铣好的凹槽的折流板内 它一般是成对设置的 数量推荐 如下 公称直径DN 500mm时 一对挡板 500mm DN2230kg m2 s 腐蚀性液体 2 740 kg m2 s 且进入的物流为气体和饱和水蒸汽或者为气 液混和物 时 这些物流将对入口处的管子进行冲击 引起振动和腐蚀 为了保护这部 分管子应设置缓冲挡板 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 WCp T hot WCp T cold W 流体质量流量 Cp 流体的比热 hot 热流体 cold 冷流体 T 进出口温度差 b 传热率方程 Qact A Tm 1 R R 1 hi o 1 ho o Rf o Rw o R 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 Tm 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 Qreq 热交换器的选型和设计指南 Page 24 of 38 d 对压力降的限制条件 Pi act Pi allow Po act Po allow P 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 校核计算应已知下列基本的几何参数 管程数 壳内径 管数 折流板间距 折流板数 管长 管间距 流向角 管内径 管壁厚 热交换器的选型和设计指南 Page 25 of 38 11 2 1设计元素的选取 设计计算时应考虑下列的几个基本设计元素 壳体型式 TEMAE F G J K X 壳内径 通常最大为2米 换热管几何尺寸 光管 翅片管 管径 19mm 25 4mm等 管长系列 3m 5m 6m 7 2m等 管子排列角 30 60 45 90 管间距 1 25 1 50倍的管子外径 折流板型式 单圆缺 双圆缺 管窗内不排管及为防止管子振动而 加的支承板 11 3 最终计算结果的分析 目前 换热器计算常用的计算软件为美国的HTRI和英国的HTFS 这两大 软件均为在国际上享有盛誉的传热设备专用计算软件 当设计计算结束后 如何根据实际的工况 来判断计算结果是否满足要求 出现问题后如何解 决 这对设计者来说都是很重要的 在评价最终设计计算时应考虑并校核以下 各项 11 3 1 总体设计尺寸 细长型的换热器比短粗型要经济 通常情况下管长和壳径之比为5 10 但有时根据实际需要 长 径之比可增到15或20 但不常见 对立式热 虹吸再沸器 要控制其长 径比在3 10之内 11 3 2 热阻大小 首先根据流体的物系及实际经验来推断一下传热系数值是否合理 应特 别注意管内雷诺数的大小 在层流流动 管侧Re 2000 壳侧Re0 6 湍流 Re 300 0 4 层流 Re 300 B流路对传热有利 其值应尽量大 C F 旁流 0 1 C F值最好不超过 0 1 为满足这一条 件 可使用密封装置 对浮头式或小壳 径壳体的换热器 如果C值较大 应使 用密封装置 对U型管或管程数较多的 换热器 通常F值会较大 应考虑在管 程分程隔板处使用密封装置 如密封垫 或密封杆 或改变管子排列方式和折流 板圆缺位置 A 泄漏流 0 15 应尽量减少泄漏 但当污垢系数超过 0 0008m2h C kcal时 由于污垢可能会 将管子和折流板管孔之间的间隙堵塞 因 此 A值较大也无妨 但此时对壳侧压 力损失应留有余量 最好计算一下 一 但间隙被堵塞 壳侧压降为多大 E 泄漏流 0 05 E值会造成温度剖面的变形 如果E值大 于0 15 可使用双圆缺折流板 最大限度地加大B stream 错流 减少泄漏流 而事实上漏流不可能也 不必要被全 部阻止 因为安装换热器时总需要有间隙 11 3 7对折流板的设计分析 热交换器的选型和设计指南 Page 29 of 38 单圆缺和双圆缺折流板为管壳式换热器中常用的折流板型式 换热器中 折流板的布置对设计计算有很大影响 一般从下面几各方面来检查原设计是 否合理 a 从流体流动 传热和污垢系数等方面考虑 最好将折流板的圆缺 高度控制在壳体直径的20 30 而板间距则控制在壳体直径30 50 之间 并不应小于50mm b 避免大圆缺小间距或小圆缺大间距的设计 应优化选取折流板圆 缺的大小和板间距大小 通常 值 折流板圆缺修正系数 最好在 0 9 0 92之间 c 除了管窗内不排管以外 流体的错流速度和在管窗内的流动速度 不应相差太大 流体在 X flow 和 Window 内的速度大并且越接 近越好 d 如果壳侧压降受到允许压降的限制 考虑使用双圆缺折流板 若 还是不行 考 虑变化壳体型式 选用TEMA的J G H X型壳 体 11 3 8 有效平均温差 在HTRI程序中是这样描述有效平均温差的 EffectiveMTD LMTD F DELTA 其中 LMTD为对数平均温差 F TUBE BAFFLES F G HOT COLD TUBE 即Ft 是对管侧多管程流动的修正系数 通常设计计算时应保证Ft 大于0 8 当Ft小于0 8时 换热器的经济效益是不合理的 此时应另选其它流 动型式 以提高 Ft值 如 增加管程数或壳程数 或着用几台换热器串 联 必要时亦可调整温度条件 但在特殊情况下 如温度有0 5 1 0 C交叉 时 Ft 0 75 也能接受 BAFFLE 即折流板数修正系数 当折流板数较少时 壳侧流体的混合流动 性能较低 故需进行修正 通常此值等于1 0 DELTA 温度变形系数 这个系数是用来计算E流对温度差的影响大小 的 设计计算时希望 A 0 8 若 A 0 8 应考虑采用E流路小的折流板型式 也可增加换热器的串联数 热交换器的选型和设计指南 Page 30 of 38 HOT COLD 是对由于物性参数变化而造成的总传热系数变化的修正 通 常为0 98 1 0 F G 在TEMAF型壳体和G型壳体中 有一纵向横隔板 F G就是对通过此 板的热量泄漏的修正 如果F G 0 95 考虑使用保温板或增加壳程串联数 11 3 9 总传热系数 首先从流体的相态 物性和以往经验上来分析计算结果是否合理 另 外 污 垢系数的选取对传热系数也有很大的影响 对计算结果应综合分析 并结合实际经验来评定 11 3 10 管子振动 换热管的管束属于弹性体 被流过的流体扰动 离开其平衡位置 管子 产生振动 在壳侧 拉杆和隔板也有振动的倾向 但这些部件的刚性比管子 大 所以不容易被激起振动 设计计算结束后为保证换热器的稳定操作 应 校核计算结果中的有关管振动各项数值 如 临界流动速度 criticalvelocity 涡流脱落 vortexshedding 湍流抖振 turbulentbuffeting 声音共振 acousticresonance 和振幅等 通常当折流板间距 包括进 出口处 超过400mm 时 有可能发生管子振动 当壳侧物流为液体时 需仔细检查临界流动速度 及涡流脱落频率值的大小 而当壳侧物流是气体时 应仔细检查临界流动速 度 涡流脱落 湍流抖振 声音共振和振幅等值是否满足无振动的要求 如 果因为在进 出口处的折流板间距过大而造成了振动 可通过在接管口下增 加支撑板来避免 另外为避免振动的发生 折流板间距应小于TEMA最大不 支撑长度的80 11 4 如何调整设计方案 得到最佳计算结果 通常情况下 象温度 压降和传热系数等设计计算控制要素很少彼此较 好地相配合 经常是某一设计要素为设计计算的控制因素 由于一个简单的 设计变更能带来设备尺寸的减小 因此找出控制因素能尽快有效的帮你解决 问题 11 4 1传热系数为控制因素时 总传热阻力的大小主要是由壳侧 管侧 污垢和管子的金属阻力来决定 的 为了提高总传热系数的大小 应分析是哪一侧的传热系数影响了它 采 用何种方法 可以提高传热系数值 热交换器的选型和设计指南 Page 31 of 38 a 提高壳侧传热系数的方法 使用低翅管 减小换热管外径和管间距 提高B流速度 可使用密封设备或减小壳体和折流板之间的间距 选用F型或G型壳体 b 提高管侧传热系数的方法 减小管外径 增加管长 变换流动分布 管侧流动改为壳侧流动 11 4 2 压力降为控制因素时 a 可通过下述方法来减小壳侧压力降 使用双圆缺折流板或管窗内不排管 选用TEMA J型壳体 增加管间距 改变流向角 可选用45 或90 b 可通过下述方法来减小管侧压力降 增大管子外径 减小管长 11 4 3 温差推动力为限制因素时 为提高温差推动力 最好选用纯逆流型设备 增加壳程数 减小E流的大小 11 4 4设计中预料到振动时应采取什么措施 应采取以下措施中的一种或多种 以降低扰动频率或增加自然频率 1 减小管子跨距长度 这可以增加自然频率同时也使错流速度增加 2 减小壳侧流体速度 可以用减小流量和改变管距或流向角的方法达到 这个目的 结果是使扰动频率降低 3 改变折流板型式 折流板窗中无管的设计 使所有的管子都受到支 撑 因此 将折流板改变成这种形式 可以减少最长跨距的管子 因而可以 增加自然频率 热交换器的选型和设计指南 Page 32 of 38 4 降低壳体入口流速 如果对进口区域的可靠性有疑问 应使用较大的 进口管直径 防冲板 并环绕壳体安装一个挡板 以便提供较大的进口面 积 这样可以减少干扰频率 5 增加折流板厚度 6 将管与折流板孔之间的间隙减至最小 7 折流板材料不应比管子材料硬 8 使用厚壁管并使管子紧固 9 如果预计有声学振动 则可采用解谐隔板 10 堵塞所有旁路流和流程分隔漏流 因为这些地方流速高 由于流动阻 力 可能局部损坏管子 在上面1 3 项中 换热器的热力性能和压降都必须重新计算 第4 9 项不明 显影响换热器的热力性质 第5 8 项增加了自然频率 第10 项可以加强热力 性能 12 空冷器的设计要点 空冷器主要由管束 风机和构架组成 设计计算的目的是要估算出换热 面积的大小 设备占地面积及电机功率 空冷器的管束通常是由几排以30度 角排列的管子组成的矩形管束 与空气进行逆流传热 即热流体进入管束的 上部 而空气则垂直向上通过管束 设计计算时要考虑运输条件对管束最大 宽度和层数的限制 通常单片管束的宽度可到3 6米 最大层数为8 尽管在管 子系列中可供选择的管子有很多 但多数情况下常选用9 米长的换热管 另 外 选长管子和多管层的管束在单位面积上所占的空间较小 12 1 空冷器的优缺点 在3 7 1中已对空冷器的选用原则作了描述 为进一步了解空冷器的优缺 点 选择合适的空冷器 现将其优缺点列表如下 热交换器的选型和设计指南 Page 33 of 38 优 点 缺 点 1 空气不计费用 随地可取1 空气比热小 要求换热面积大 2 装置地点不受气源限制2 只能冷却到干球温度 热流体出口温度较高 3 空气很少有腐蚀性 不需要防 垢和清扫 海边情况除外 3 风机有噪音和振动 4 操作费用低 因为压降仅为12 25mm水柱 4 受气候影响大 5 对环境污染少5 安装时要考虑周围其他设备或建筑物的影响 防止形成热环流 6 维修费用低 仅为水冷的20 30 6 热流体出口温度波动较大 精确控制较困难 7 设计时技巧性强 12 2 风机型式 空冷器按通风方式分类有鼓风式 forced draft 和引风式 induced draft 两 种 每种型式都有其特点 在选用前要仔细权衡考虑 鼓风式空冷器的优点 1 当空气侧温升大于28 C时 风机功率通常较小 2 风机可设于地面 装置紧凑 维修方便 并因风机和V形皮带组合件 不暴露于装置出口的热空气流中 结构费用较低 机械使用寿命较 长 3 空气侧传热膜系数由于风扇叶片的扰动而增大 相对可节省功率消 耗 4 可通过控制空气的再循环 来避免冷冻物和凝固物的产生 5 当空气出口温度超过93 C或进口工艺物料的温度超过121 C时 推荐 使用鼓风式风机 而在空气出口温度较高 风机停止或在低空气流量 的情况下运行时 若选用引风式风机会造成叶片 轴承和V形皮带的 损坏 6 在冷气候下易采用热空气再循环调节 鼓风式空冷器的缺点 1 在整个管束上的空气分配不均 2 由于出口流速低 造成热风循环 受气候因素的影响较大 热交换器的选型和设计指南 Page 34 of 38 3 当由于停电或其他原因造成风机不工作时 由于缺少自然抽力 故自 然通风不好 4 管束全部暴露在雨水 冰雹和阳光下 对工艺物料温度的控制和稳定 性操作造成困难 引风式空冷器的优点 1 当空气侧温升小于28 C时 风机功率通常较小 2 在整个管束上气流分布均匀 3 由于出口风速大 是鼓风式出口空气速度的2 3倍 热风循环小 4 在突然的温度变化可能引起产品破坏和损失的操作中 引风式装置可 给予更好的防护 由于引风式的烟囱自然抽力作用比较大 增强了 风扇故障时的抽气能力 另外 与鼓风式相比仅有小部分表面暴露于 太阳 降雨 冰雹和雪中 引风式空冷器的缺点 1 空气出口温度不得超过93 C 以保护放在管束上方的风机叶片 轴承 和V形皮带不受损 坏 2 由于风扇安装在热空气中 要求风机的功率较大 安装较困难 3 如果将风机 齿轮和V形皮带放在管束下方 则风机的轴被设计成通 过管束 这样将要增大管束的宽度 12 3 管束 管束的主要部件是翅片管和顶盖 管束的迎风面积是它的长度乘宽度 空气通过管束的净有效面积约为管束迎面面积的50 标准空气的迎面速度 FV 是标准空气穿过管束的速度 通常的变化范围为 1 5 3 6m s 12 4 管子 常用的管子外径为25 4mm 翅片高度为 12 7 15 9 mm 翅片间距为3 6 2 3 mm 管子三角形节距为 50 8 63 5 mm 扩展表面与光管外表面的比值 约为 7 20 管子的长度是不同的 可以长达18 3 米 当管长超过12 2 米 时 在每个机区通常安装三台通风机 经常使用的管长为6 1 12 2 米 12 5 翅片管结构 通常应用的翅片管结构如下 热交换器的选型和设计指南 Page 35 of 38 1 嵌入型 mechanically embedded fin 在拉力作用下缠绕的矩形截面 的铝翅片 用机械方法被嵌入深0 25 0 05mm的凹槽中 呈螺旋形 切入管子外表面 金属设计温度低于399 C 2 整体型 extruded fin 用机械方法将已挤压成型的由翅片制成的 铝外管结合在内管或衬管上 金属设计温度低于288 C 3 重叠L型 overlapped footed tension wound fin 将L型铝翅片在拉力 作用下缠绕在管子外表面上 同时管子被在翅片下边和两翅片之间 的重叠根部所完全覆盖 金属设计温度低于232 C 4 L型 footed tension wound fin 将L型铝翅片在拉力作用下 缠 绕在管子的外表面上 同时管子被两翅片间的根部完全覆盖 金属 设计温度低于177 C 12 6 风机 风机通常装有四或六个叶片 较大的风机可能有更多的叶片 风机直径 通常较机区的宽度略小些 总的风机效率约为75 可通过调整叶片角和转 动速度 变化空气流量 叶片角可以是固定的 手动调整的或是自动调整 的 风机安装 对于送风式空冷器 在风机和地面之间 最低应保持在直径 的二分之一到四分之三距离 对于抽风式空冷器 管子和风机之间 最低距 离应保持在直径的二分之一 12 7 风机驱动装置 最常用的是电动机或蒸汽透平 用齿轮或V形皮带连接 V形皮带传动一 般用于风机直径小于3米 功率小于22 4KW的电动机 而直齿轮传动则用于 风机直径超过3米的风机 对于超过22 4KW的电动机 用蒸汽透平驱动 13 空冷器设计基础数据 13 1 空冷器设计温度的选取 设计计算时应对空气入口温度选择合理 使得空冷器面积在夏天不会太 紧张 而冬天又不致太富裕 一般有以下几种选择 1 最热月最高温度的平均值 2 设计温度较大气最高干球温度低 10 20 F 5 56 11 11 C 3 在全年最热三个月中处于设计温度以上的时间占 5 4 5天 考虑 到涡流的影响还要加上5 F 2 78 C 热交换器的选型和设计指南 Page 36 of 38 4 全年 1 3 时间处于设计温度以上 5 7 8两月中 日最高气温的月平均值 再加上该值的10 在下表中给出了不同地区空气设计温度的参考值 地 区 最大干球 温度 F 年干球温度或超过 这个温度的时间 年平均干 球温度 F