热交换器的选型和设计的指南.docx
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热交换器的选型和设计的指南
热交换器的选型和设计指南
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
管外均能承受高压，可用于高温高压场合
管壳式
U型管式
管外均能承受高压，管清洗及检修困难
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
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围，可供参考。
表3－1特殊型式换热器的使用围
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（10m220
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
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23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
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25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，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3－5中给出了其封头选取的一般要求，表3－6，3－7中给出了换热器的管程数限制值。
表3－5TEMA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
C
C
A或B（3）
S或T（5,6）
M
C
A
S或T（5,7）
C
M
A或B（3）
S或T（5）
M
M
A
S或T（5）
≤0.00035
≤0.00035
固定式
C
C
A,B或C（8）
L,M或N（9,10）
M
C
A
L
>0.00035
所有
U型管
M（4）
－
A
－
可抽式
－
C
A
S或T（5）
－
M
A
S或T（5）
>0.00035
≤0.00035
固定式
－
C
A
L
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
表3－7最大管程数
壳径
最大管程数
<250
4
250510
6
510760
8
7601020
10
1270
12
3.6据不同的工艺条件来安排物流
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（即：
高温流体的出口温度低于冷流体的出口温度），应考虑选流动型式为逆流的换热器。
尽管对管壳式换热器可以选F型壳体，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此种型式的壳体。
表3–8工艺条件和物流的安排
工艺条件
管壳式
换热器
推荐使用的特殊类型的换热器
壳侧
管侧
高压
√
U型管式
高温
√
U型管式、蛇管式
大污垢系数
√
板式和螺旋板式换热器
高粘度流体
√
板式和螺旋板式换热器,强化湍流设备（例如扭
管）和静态混和器等
低压力降
√
√
X型壳体、折流杆式换热器和螺旋板式换热器
低流率
√
板式、螺旋板式、套管式及多管式换热器
腐蚀性流体
√
选用耐腐蚀材料和特殊材料（石墨、玻璃、聚四
氟乙烯等）的换热器
低温度差
√
√
逆流型式的换热器。
如：
单管程、多管式、螺
旋板式及板式换热器等，并可使用强化传热管。
温度交叉
√
√
逆流型式的换热器，如：
单管程、多管式、螺旋板式及板式换热器。
冻结的流体
√
刺刀式、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°C20°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、耗电等因素等在的综合费用分析。
而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。
3.7.1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°C
2）热流体出口温度与空气进口温度之差>15°C
3）有效对数平均温差≥40°C
4）热流体凝固温度<0°C
5）热流体出口温度的允许波动围≥35°C
6）管侧允许压力降>10kpa
7）管介质的传热膜系数<2300w/m2.K
8）冷却水污垢系数>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
700
4000
1500
选板式换热器较理想
烃类
（μ<1cp）
冷却水
500
1500
1000
考虑板式换热器或空冷器
烃类
（5cp<μ<10cp）
冷却水
250
1000
600
气体（1bar）
冷却水
70
200
80
a.若选用低翅片管，总传热系数
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
150
200
200
c.为防止管子振动破坏，可选用
气体（10bar）
冷却水
260
200
300
折流杆式换热器、管窗不排管
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<μ<10cp）
烃类
（5cp<μ<
10cp
150
600
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）
――
――
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
（μ＝10cp）
60
――
70
对高粘度流体可选用螺旋板式
换热器。
气体（5bar）
烃类
（μ＝5cp）
130
――
150
气体
（20bar）
烃类
（μ<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°C20°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
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°C20°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
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