热交换器的选型和设计指南讲解

1、热交换器的选型和设计指南1 概述 12 换热器的分类及结构特点。 13 换热器的类型选择 24 无相变物流换热器的选择 115 冷凝器的选择136 蒸发器的选择147 换热器的合理压力降 178 工艺条件中温度的选用 189 管壳式换热器接管位置的选取 1910 结构参数的选取 1911 管壳式换热器的设计要点 2312 空冷器的设计要点 3213 空冷器设计基础数据 351 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

2、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

3、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

4、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。

5、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

6、 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Temperaturet( C&

7、#176;) 压力 ( 最大 )Pressure(kgf/cm2) 材 料Material 特 点 和 应 用Features and Application1管 壳 式 换 热 器管壳式(标准型 )S&T 5000 -270t 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rod baffle5000 -100t 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multitube50 -100t

8、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coiled tube2000 -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double tube 10 -100 t 600 300 铜铝不锈钢碳钢 当传热面积比较小 (10m2 20 m2 )

9、 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Trombone100 -50t 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coil100t 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Temperaturet( C°)压力 ( 最大 )Pressure(kgf/cm2) 材 料Material 特 点 和 应

10、用Features and Application板式plate (gasket)2000 -40t 20025 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 -90t 40020 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(air temp.:-60

11、 + 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°C20°C或更高时，使用空冷器 较为经济。板翅式plate fin 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

12、场合。 热管碳钢heat pipe < 2000-40t 35010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 Features and Application 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

13、状 换热器等。聚四氟乙烯 teflon 80 1505 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 2809 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 low fin tube 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 enhanced tu

14、be for boiling 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 enhanced tubefor condensation 碳钢 不锈钢 铜 典型的强化传热管即：槽管、 Thermoexcell-C( 日立 )、低翅 管等。使用上述管子均可提高传热系数 2-5 倍。从上表中可以看出在换热器选型时， 我们应同时考虑是否选用特殊型式的换热器和采用什么 样的换热管为好。当然，

15、我们通常一般首先考虑选用管壳式换热器。另外， 认真研究技术规 定中的设计要求也是很必要的，而后再选取能最好发挥其特点的合适的换热器。3.5 管壳式换热器封头和管程数的选取因管壳式换热器最为常用， 下表 35 中给出了其封头选取的一般要求， 表 36，37 中给 出了换热器的管程数限制值。表 35 TEMA 端部型式的选取污垢系数：m2.°C /W污垢系数管束清洗方 法 (1)前端固定尾端封头类型管侧壳侧型式管侧壳 侧 式管箱 (2) 0.00018所有U 型管 A或 B(3) 0.00035所有U 型管C A 或 B(3)M(4)A可抽式 CCA或B(3)S或 T(5,6)MCAS

16、或 T(5,7)CMA 或 B(3)S或 T(5)MMAS 或 T(5) 0.00035 0.00035固定式CC A,B 或 C(8)L,M 或 N(9,10)MCAL>0.00035所有U 型管M(4)A可抽式 CAS 或 T(5)MAS或 T(5)>0.00035 0.00035固定式C AL见附图一(1) C：化学清洗； M ：机械清洗，包括高压水力喷射清洗。(2) A ：当管侧或壳侧腐蚀裕度为 3.0mm 时，首选封头型式。(3) B ：常用的、较为经济的封头型式。(4) 只用于管内侧可用高压水喷射清洗的冷却水系统。(5) 一般使用 S形型头，除非有特殊要求时选 T 型封

17、头。(6) 当壳侧污垢系数 0.00035时,可以使用不可拆端盖。(7) 当壳侧污垢系数 0.00035并且管侧可用高压水喷射清洗时， T 型封头 可使用不可拆端盖。(8) B 或 C：常用型式，比 A 型经济。(9) M 或 N：常用型式，比 L 型经济。(10) L ：当管侧腐蚀裕度为 3.0mm 时，首选封头型式。表 3 6 各类换热器管程数限制换 热 器 类 型 管程数限制U 型管式 任意偶数；分程隔板只装在换热器前端 固定管板式 任意数；前、后两端均有分程隔板 拔出浮头式任意偶数；对于单管程，必须在浮头端加装密封节；一般不用于单管程换热器。 带外密封套环的浮头式 单管程或双管程；因为

18、尾部没有分程隔板 带双开卡环的浮头式 任意偶数；单管程时浮头端要加装密封节带填料函的浮头式任意数壳内径最大< 2504250510651076087601020101270123.6据不同的工艺条件来安排物流表 37 最大管程数 管程数下表从不同的工艺条件出发给出了换热器的一般选型准则。从换热器经济设计的角度考虑， 对管、壳式换热器应首先着重考虑物流的安排问题，如果两流体温度交叉 出口温度低于冷流体的出口温度 器可以选 F 型壳体， 此种型式的壳体。（即：高温流体的 ），应考虑选流动型式为逆流的换热器。尽管对管壳式换热 但因纵向隔板间会发生热量和流体泄漏，因此多数情况下不推荐使用艺条壳压

19、温表 3 8 工艺条件和物流的安排 壳式 换热器 推荐使用的特殊类型的换热器 管侧 U 型管式 U 型管式、蛇管式高 高 大污垢系数 高粘度流体 管）和静态混和 器等 低压力降 低流率 腐蚀性流体 氟乙烯等 ）的换热器 低温度差旋板式及板式换热器等 温度交叉热器。 冻结的流体板式和螺旋板式换热器板式和螺旋板式换热器 ,强化湍流设备 （例如扭 X 型壳体、折流杆式换热器和螺旋板式换热器 板式、螺旋板式、套管式及多管式换热器 选用耐腐蚀材料和特殊材料 （石墨、玻璃、聚四 逆流型式的换热器。如：单管程、多管式、螺 ，并可使用强化传热管。 逆流型式的换热器，如：单管程、多管式、螺旋板式及板式换刺刀式、

20、和带 boxorboot 的换热器3.7 冷却系统中换热器的选取 在许多工业过程中，产生的大量热量需要通过冷却系统来排出。过去经常以水作为冷却剂。 随着工业的发展，冷却水需求量急剧增加，引起供水困难，因而发展了空气冷却。 对一个化 工系统，一般包括有水冷系统和空冷系统， 或者是这两者的组合系统。 当来自冷却器或冷凝 器的工艺流体的出口温度较高时， 应该考虑选择空气冷却器。 通常空冷器比其它类型的换热 器经济，设备回收期短，当工艺流体的出口温度高于大气环境温度15°C 20 °C或更高时，选择空冷器比较理想。当然对空冷器需做包括结构价格、 耗电等因素等在内的综合费用分析。 而

21、使用水冷系统时也应考虑包括供水、 处理、循环使用及废水处理等费用。 根据技术经济比 较，在气候适宜的地方，当工艺物料的最低温度大于65°C，选用空冷最为合适；而当工艺物料的最低温度小于 50°C，则宜用水冷；在这两温度之间，则应作详细的经济分析，以确 定用何种型式。一般来说，当工艺流体温度较低时， 使用空冷器和管壳式水冷器的混合系统 比较合理，通常高于 60°C 的部分热量用空冷器取走，其余部分热量用水冷器取走。选用空冷器的原则1) 冷却水供应困难，水冷的运行费用过高；2) 水冷引起结垢和腐蚀严重 ;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

22、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 < 38 °C2) 热流体出口温度与空气进口温度之差> 15 °C3) 有效对数平均温差 40 °C4) 热流体凝固温度 < 0 °C5) 热流体出口温度的允许波动范围 3 5 °C6) 管侧允许压力降 > 10kpa7) 管内介质的传热膜系数 < 2300w/m2.K8) 冷却水污垢系数 > 0.0002m2. C°/W4 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 38 中的通用规则。4.2 在大多数情

23、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。Kcal/(h.m2. C)°螺旋板 其它型式选板式换热器较理想常用换热器的总传热系数流股 A 流股 B管壳式板式水 冷却水 700 40001500烃类( <1cp) 冷却水 500 1500 1000 考虑板式换热器或空冷器 烃类(5cp< <10cp) 冷却水 气体 (1bar) 冷却水250 1000 60070 200 80a.若选用低翅片管，总传热系数 可增大两倍以上。 U150(气体 1bar) b.折流杆

24、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 150 200气体 (10bar)冷却水260200气体 (20bar)冷却水330d.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200c.为防止管子振动破坏，可选用300 折流杆式换热器、管窗内不排管 的管壳式换热器螺旋板 其它型式烃类(5cp< <10cp) 烃类(5cp< <10cp 为理想、 气体150 600 合理。400若在管壳式换热器中流动为层流，则使用板式换热器较(1b

25、ar)(1bar) ?400(5kgf/cm2) 气体气体40a.热管换热器的总传热系数(5bar) 气体(5bar) 100 折流杆式、 X 型壳体。这两种型 式的总传热系数 U 相近。气体b.低压降型式的换热器：(10bar) 气体(10bar) 180 (铝材或不锈钢 )。气体c.紧凑式换热器：板翅式换热器(20bar) 气体(20bar) 250 数和管壳式换热器相近 )。 气体d.高温工况：板翅式 (不锈钢 )蛇管式换热器 (总传热系(1bar) ( 10cp) 换热器。 气体 (5bar) ( 5cp)烃类60烃类13070150对高粘度流体可选用螺旋板式气体(20bar)( &l

26、t;1cp)烃类330蒸气 冷却水蒸气 烃类4.3 对水水系统 最好的。但要注意污垢系数应小于任何管壳式换热器， 板片形式。1500 选错流型式的螺旋板式换热器。1200 选错流型式的螺旋板式换热器。900700(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 它的传热性能通常决定于厂商提供的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

27、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压力降不好好 不用不好不好尚好不用高好好不用

28、尚好好好不用低 尚好 冷却剂好尚好 好尚好尚好尚好液体 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

29、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。蒸 发 器 的 类 型 及 特 点类型沸

30、 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

31、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

32、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。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 EGBE接近临界压力B-ERRd E真空 BRRdE设计温差适中 EGBE大BRG-RdE小( 对混和物 )FFRd P非常小 (纯组份 )BFP P污垢清洁 GGG

33、E中度 RdGBE严重 PRdBG非常严重PPRdB混合液沸腾范围纯组份 GGGE窄馏分物质GGB E宽馏分物质FGB E非常宽的馏分物(粘性液 )F-PG-Rd PB(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。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

34、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

35、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。应用实例冷冻剂蒸发器LNG 和 LPG 蒸发器冷冻剂蒸发器壳侧蒸发器(UCC) 、 Thermonexcell-E( 日立 )等特殊型式的换热管也常用于蒸发器中，换热器的型式 板式换热器 板翅式换热器 蛇管式换热器 热管换热器6.7 高热通量管 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

36、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。 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 )3570Kpa气体和蒸汽 (低压 )1535Kpa气体和蒸汽 (常压 )3.514Kpa蒸汽 (真空)< 3.5Kpa蒸汽 (真空塔冷凝器 )0.41.6Kpa液体 70170KpaF 型壳体，壳侧压降3570Kpa（ Max. ）板翅式换热器物流 压降值气体和蒸汽5 20Kpa液体 2055Kpa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

37、力 合理的压力降 减压操作P 0 100Kpa(abs) P/10低压操作P 070Kpa（表 ）P/2P701000Kpa（表 ）35Kpa中压操作 (包括用泵 )P 10003000Kpa（表 ）35 180Kpa较高压操作P30008000Kpa（表 ）70250Kpa8 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

38、温 度不应高于工艺物流的出口温度。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 °。C8.7 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 41

39、A2-94)。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

40、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 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

41、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

42、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

43、 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。表 10 1 常用国内换热管的规格材料钢管标准10 x 1.514 x 219 x 225 x 2外径 x 厚度 mm碳钢GB8163-8732 x 338 x 345 x 357 x 3.510 x 1.514 x 219 x 225 x 2.5不10.2.锈钢折流板的选取GB2270-8032 x 238 x 2.545 x 2.557 x 2.525 x 2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

44、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

45、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1045 ，双圆缺型折流板的开口高度为直径的1525。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.

46、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 DN500mm 时，一对挡板； 500mm<DN<1000mm 时，两对挡板； DN 1000mm 时，三对挡板固定管板式和 U 型管式换热器不必使用密封条， 因为这些设备壳体于 OTL 的间隙 不大。 在有相变发生的设备中， 即使间隙很大也不使用密封条， 因为密封条会影响汽相和液 相的分离，而且再沸器与冷凝器等设备的性能主要不是由错流流动决定的。10.3.2 盲管 可防止中等或大型换热器壳程中部物流的旁流，设置于分程

47、隔板槽背面两管板之 间，一般与换热管的规格相同， 可于折流板点焊固定， 也可用拉杆 （带定距管或不带定距管） 代替。10.3.3 缓冲挡板当非腐蚀性液体在壳程入口管处的动能 2>2230kg/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

48、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)coldW-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)oR-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 Qreqd. 对压力

49、降的限制条件( Pi)act ( Pi)allow( Po)act ( Po)allowP-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

50、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

51、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

52、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 510，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 Re<300)和过渡区流动中，应使用分段计算的方 式(HTFS 程序无此功能 )，以确保传热系数值计算的正确。在评估计算结果的同时，应考虑 程序计算的精确度。 如果热阻在管侧和壳侧分布平衡

53、， 则该设计是好的， 如果一侧热阻值过 大，应该分析原因，分析管、壳侧冷、热流体的分布是否合理，如果是由于某一侧污垢系数 过大而引起的，则可不必进一步修改原设计。11.3.3 设计余量 换热器设计计算时设计余量值的大小取决于计算精度、实际经验及对现场的操作控制 等。例如：对冷却水换热器，当水流速大于 1.5m/s 时，没必要给出过大的设计余量，过大 的余量反而会造成水流速的降低。 但对层流和过渡区流动， 由于计算精度不好， 故需要给出 较大的设计余量， 通常需要在考虑了传热阻力值的大小和程序的计算精度后决定。 对再沸腾 器，过大的设计余量反而是无益的， 特别是在设备运转初期， 会发生如控制困难等操作问题。另外， 有些设计计算，为了满足允许压降值的限制，可能会造成设计余量较大，此时应根据 实际经验来判定计算结果是否正确或对允许压降值的大小作适当的调整。11.3.4 压降的利用和分布 允许压降必须尽可能加以利用， 如果计算压降与允许压降有实质差别， 则必须尝试 改变设计参数。 在校核了计算所得压降值是否小于允许值之后， 应对压降的分布作进一步的 校核，这其中包括有进、出口接管处压降、错流和管窗流的压降,压力降必须大部分分布在换热率高的地方， 如横掠管束的错流流动处； 如果在接管或管窗处的压降占总压降的比例较大，应考虑增大接管尺寸及折流板间距。一般对进、出口接管的压降希