1、熱交換器的選型和設(shè)計指南1 概述12 換熱器的分類及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。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(fā)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(jié)構(gòu)參數(shù)的選取1911 管殼式換熱器的設(shè)計要點(diǎn)2312 空冷器的設(shè)計要點(diǎn)3213 空冷器設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)351 概述本工作指南為工藝系統(tǒng)工程師提供換熱器的選型原則和工藝參數(shù)的選取及計算方法。2 換熱器的分類及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。表 21 換熱器的結(jié)構(gòu)分類固定管板式剛性結(jié)構(gòu)：用于管殼溫差較小的情況(一般50C)，管間不能清洗帶膨脹節(jié)：有一定的溫度補(bǔ)償能力，殼程只能

2、承受較低壓力浮頭式管內(nèi)外均能承受高壓，可用于高溫高壓場合管殼式U型管式管內(nèi)外均能承受高壓，管內(nèi)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(fā)、易爆易燃及壓力較高的介質(zhì)管內(nèi)填料函：密封性能差，只能用于壓差較小的場合式釜式殼體上都有個蒸發(fā)空間，用于蒸汽與液相分離套管式雙套管式結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，主要用于高溫高壓場合，或固定床反應(yīng)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(yù)熱器螺旋浸沒式用于管內(nèi)流體的冷卻、冷凝，或者管外流體的加熱盤管式噴淋式只用于管內(nèi)流體的冷卻或冷凝板式拆洗方便，傳熱面能調(diào)整，主要用于粘性較大的液體間換熱螺旋板可進(jìn)行嚴(yán)格的逆流操作，有自潔作用，可回收低溫?zé)崮馨迨?/p>

3、傘板式傘形傳熱板結(jié)構(gòu)緊湊，拆洗方便，通道較小，易堵，要求流體干凈板殼式板束類似于管束，可抽出清洗檢修，壓力不能太高擴(kuò)展板翅式結(jié)構(gòu)十分緊湊，傳熱效率高，流體阻力大表面式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(diào)、制冷工業(yè)回旋式盤式傳熱效率高，用于高溫?zé)煔饫鋮s等蓄熱鼓式用于空氣預(yù)熱器等式 固定格緊湊式適用于低溫到高溫的各種條件室式非緊湊式可用于高溫及腐蝕性氣體場合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(yīng)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擇換熱器的類型，是很重要的。換熱器選型

4、時需要考慮的因素是多方面的，主要有: 1) 熱負(fù)荷及流量大小 2) 流體的性質(zhì) 3) 溫度、壓力及允許壓降的范圍 4) 對清洗、維修的要求 5) 設(shè)備結(jié)構(gòu)、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(yīng)對結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(shè)計的優(yōu)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(xiàn)降低成本的目的。因此，應(yīng)綜合考慮工藝條件和機(jī)械設(shè)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(shù)人員而言，在設(shè)計換熱器時，對于型

5、式的合理選擇、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和降低成本等方面應(yīng)有足夠的重視，必要時，還得通過計算來進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析、投資和操作費(fèi)用對比，從而使設(shè)計達(dá)到該具體條件下的最佳設(shè)計。 3.1 管殼式換熱器管殼式換熱器的應(yīng)用范圍很廣，適應(yīng)性很強(qiáng)，其允許壓力可以從高真空到41.5MPa，溫度可以從-100C以下到 1100C高溫。此外，它還具有容量大、結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、清洗方便等優(yōu)點(diǎn)，因此它在換熱器中是最主要的型式。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、蛇管式換熱器和熱管換熱器等。它們的使用是受設(shè)計溫度和設(shè)計壓力限制的。在下圖中給出

6、了特殊型式的換熱器的適用范圍，可供參考。 表 31 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(yīng)用條件和特點(diǎn)。表 34 換熱器的類型及應(yīng)用 類 型 Types換熱面積 Size (m2) 溫 度Temperature t(C)壓力(最大)Pressure(kgf/cm2) 材 料Material 特 點(diǎn) 和 應(yīng) 用Features and Application1管 殼 式 換 熱 器管殼式(標(biāo)準(zhǔn)型)S&T5000-270t1650 6

7、00無限制這種類型的換熱器被廣泛地用在工藝裝置中，安全、可靠?？梢酝ㄟ^采用特殊類型的換熱管來提高其傳熱性能。折流桿式rod baffle5000-100t600 300無限制通過折流桿支承換熱管來消除振動。由于殼側(cè)流動是縱向的、和有規(guī)律的，因此壓力損失較小，適用于允許壓降小的氣液或氣體系統(tǒng)。多管式multitube50-100t600 300無限制因流動為純逆流，故具有較好的傳熱推動力, 當(dāng)換熱面積相對比較小并且兩流體溫度交叉時，可考慮采用此型式。另外，若殼側(cè)傳熱不好，可使用翅片管來強(qiáng)化傳熱。蛇管式coiled tube2000-260t600 200銅鋁不銹鋼碳鋼在低溫系統(tǒng)中，因不宜采用鋁材

8、板翅式換熱器，而經(jīng)常使用蛇管式換熱器。 純逆流流動，傳熱可在兩股以上流體間進(jìn)行高彈性的結(jié)構(gòu)可以克服熱應(yīng)力在高溫的氣 氣換熱時，可采用不銹鋼材料。2單 管 式 換 熱 器套管式double tube10-100t600 300銅鋁不銹鋼碳鋼當(dāng)傳熱面積比較小(10m220m2 )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Trombone100-50t300 300銅鋁不銹鋼碳鋼也稱作沖洗式，水被從管側(cè)上處噴下，加熱或冷卻管內(nèi)流體經(jīng)常用在利用海水作介質(zhì)的液化石油氣加熱器中。結(jié)構(gòu)簡單并易于維修，但是設(shè)備占地面積較大。蛇管式coil10 0t300 300銅、鋁

9、不銹鋼碳鋼蛇管式換熱管經(jīng)常被插在罐中用以加熱或冷卻罐內(nèi)的液體。 類 型 Types換熱面積 Size (m2) 溫 度Temperature t(C)壓力(最大)Pressure(kgf/cm2) 材 料Material 特 點(diǎn) 和 應(yīng) 用Features and Application板式plate (gasket)2000-40t200 25鈦不銹鋼等結(jié)構(gòu)緊湊，易維修。 在液液換熱設(shè)備中傳熱系數(shù)較高，實際應(yīng)用范圍廣泛。也可于氣體冷卻、冷凝或沸騰傳熱。螺旋板式spiral200-90t400 20碳鋼不銹鋼鈦等主要有逆流和錯流兩種形式。當(dāng)溫度存在交叉時，最好選用逆流形式,而當(dāng)氣體冷卻或冷凝時

10、,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兩股流體流率不平衡而造成的設(shè)備傳熱性能的降低。4翅 片 式 換 熱 器空冷器air_cooled2000500(air temp.:-60 + 50) 500碳鋼不銹鋼翅片：鋁、碳鋼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(jié)構(gòu)價格、耗電等因素在內(nèi)的綜合費(fèi)用分析。通常當(dāng)物流出口溫度高于環(huán)境溫度15C20C或更高時，使用空冷器較為經(jīng)濟(jì)。板翅式plate fin10000260t100(鋁) 70鋁不銹鋼銅板翅式換熱器通常用于低溫過程。其傳熱性能好、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，適應(yīng)性廣，可用于單相流動、冷凝器和蒸發(fā)器

11、中對高溫體系中的氣 氣換熱，目前正逐漸使用材質(zhì)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點(diǎn)，特別適用低溫或超低溫場合。熱管heat pipe0.00035 所有 U型管 M(4) A 可抽式 C A S或T(5) M A S或T(5) 0.000350.00035 固定式 C A L 見附圖一(1)C：化學(xué)清洗；M：機(jī)械清洗，包括高壓水力噴射清洗。(2)A：當(dāng)管側(cè)或殼側(cè)腐蝕裕度為3.0mm時，首選封頭型式。(3)B：常用的、較為經(jīng)濟(jì)的封頭型式。(4)只用于管內(nèi)側(cè)可用高壓水噴射清洗的冷卻水系統(tǒng)。(5)一般使用S形型頭，除非有特殊要求時選T型封頭。(6)當(dāng)

12、殼側(cè)污垢系數(shù)0.00035時,可以使用不可拆端蓋。(7)當(dāng)殼側(cè)污垢系數(shù)0.00035并且管側(cè)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型經(jīng)濟(jì)。(9)M或N：常用型式，比L型經(jīng)濟(jì)。(10)L：當(dāng)管側(cè)腐蝕裕度為3.0mm時，首選封頭型式。 表 36 各類換熱器管程數(shù)限制換 熱 器 類 型管程數(shù)限制U型管式任意偶數(shù)；分程隔板只裝在換熱器前端固定管板式任意數(shù)；前、后兩端均有分程隔板拔出浮頭式任意偶數(shù)；對于單管程，必須在浮頭端加裝密封節(jié)；一般不用于單管程換熱器。帶外密封套環(huán)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(huán)的浮頭式任意偶數(shù)；單管程時浮頭端要加裝密封

13、節(jié)帶填料函的浮頭式任意數(shù) 表 37 最 大 管 程 數(shù)殼 內(nèi) 徑 最 大 管 程 數(shù) 2504250 5106510 7608 760 102010 1270123.6 據(jù)不同的工藝條件來安排物流下表從不同的工藝條件出發(fā)給出了換熱器的一般選型準(zhǔn)則。從換熱器經(jīng)濟(jì)設(shè)計的角度考慮，對管、殼式換熱器應(yīng)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(yīng)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(fā)生熱量和流體泄漏，因此多數(shù)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

14、推 薦 使 用 的 特 殊 類 型 的 換 熱 器殼 側(cè)管 側(cè)高 壓 U型管式高 溫 U型管式、蛇管式大污垢系數(shù) 板式和螺旋板式換熱器高粘度流體 板式和螺旋板式換熱器,強(qiáng)化湍流設(shè)備(例如扭管)和靜態(tài)混和器等低壓力降 X型殼體、折流桿式換熱器和螺旋板式換熱器低流率 板式、螺旋板式、套管式及多管式換熱器腐蝕性流體 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 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(qiáng)化傳熱管。溫度交叉 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(jié)的流體 刺刀式、和帶boxorboot的換熱器3.7 冷卻系統(tǒng)

15、中換熱器的選取在許多工業(yè)過程中，產(chǎn)生的大量熱量需要通過冷卻系統(tǒng)來排出。過去經(jīng)常以水作為冷卻劑。隨著工業(yè)的發(fā)展，冷卻水需求量急劇增加，引起供水困難，因而發(fā)展了空氣冷卻。對一個化工系統(tǒng)，一般包括有水冷系統(tǒng)和空冷系統(tǒng)，或者是這兩者的組合系統(tǒng)。當(dāng)來自冷卻器或冷凝器的工藝流體的出口溫度較高時，應(yīng)該考慮選擇空氣冷卻器。通?？绽淦鞅绕渌愋偷膿Q熱器經(jīng)濟(jì)，設(shè)備回收期短，當(dāng)工藝流體的出口溫度高于大氣環(huán)境溫度15C 20C或更高時，選擇空冷器比較理想。當(dāng)然對空冷器需做包括結(jié)構(gòu)價格、耗電等因素等在內(nèi)的綜合費(fèi)用分析。而使用水冷系統(tǒng)時也應(yīng)考慮包括供水、處理、循環(huán)使用及廢水處理等費(fèi)用。根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，在氣候適宜的地方，

16、當(dāng)工藝物料的最低溫度大于65C，選用空冷最為合適；而當(dāng)工藝物料的最低溫度小于 50C，則宜用水冷；在這兩溫度之間，則應(yīng)作詳細(xì)的經(jīng)濟(jì)分析，以確定用何種型式。一般來說，當(dāng)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(tǒng)比較合理，通常高于60C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(yīng)困難，水冷的運(yùn)行費(fèi)用過高； 2) 水冷引起結(jié)垢和腐蝕嚴(yán)重; 3) 水冷引起環(huán)境污染，特別是化工廠，將熱水排入環(huán)境的熱污染也應(yīng)注意。3.7.2 符合下列條件時，選用空冷更為有利: 1) 空氣進(jìn)口溫度設(shè)計值 15C 3) 有效對數(shù)平均溫差 40C 4) 熱流體凝

17、固溫度 10kpa 7) 管內(nèi)介質(zhì)的傳熱膜系數(shù) 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(yīng)遵循表 38 中的通用規(guī)則。4.2 在大多數(shù)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(dá)到節(jié)省設(shè)備結(jié)構(gòu)造價和降低能耗的目的。在設(shè)備選型時可參考下表中不同類型換熱器的傳熱系數(shù)值。 常用換熱器的總傳熱系數(shù)Kcal/(h.m2.C)流 股 A流 股 B管殼式板式螺旋板 其 它 型 式水冷卻水 70040001500選板式換熱器較理想烴類(1cp)冷卻水 50015001000考慮板式換熱器或空冷器烴類(5cp10cp)冷卻水 2501000 600氣體(1bar

18、)冷卻水 70200 80a.若選用低翅片管，總傳熱系數(shù) 可增大兩倍以上。U150 (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 150200 200c.為防止管子振動破壞，可選用氣體(10bar)冷卻水 260200 300 折流桿式換熱器、管窗內(nèi)不排管氣體(20bar)冷卻水 330 的管殼式換熱器d.如果氣側(cè)設(shè)計壓力低 5kgf/cm2 (g),考慮用高翅片管e.空冷器和管殼式換熱器的總傳 熱系數(shù)相當(dāng)流 股 A流 股 B管殼式板式螺旋板 其 它 型 式烴類(5cp10cp)烴類(5cp10cp 150600 400若

19、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(shù)400(5kgf/cm2)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(shù)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)蛇管式換熱器(總傳熱系數(shù)和管殼 式換熱器相近)。氣體(1bar)烴類(10cp) 60 70對高粘度流體可選用螺旋板式換熱器。氣體(5bar)烴類(5cp) 130

20、 150氣體(20bar)烴類(1cp) 330 蒸氣冷卻水 900 1500選錯流型式的螺旋板式換熱器。蒸氣烴類 700 1200選錯流型式的螺旋板式換熱器。4.3 對水水系統(tǒng)(包括海水)首選板式換熱器。板式換熱器在價格、重量、緊湊性方面都是最好的。但要注意污垢系數(shù)應(yīng)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(dāng)冷卻器出口溫度高于大氣環(huán)境溫度15C20C或更高時，考慮用空冷器。4.5 對管殼式換熱器，經(jīng)常使用低翅管來增強(qiáng)殼側(cè)的傳熱。一般殼側(cè)傳熱系數(shù)會有兩倍或三倍的提高。特別當(dāng)殼側(cè)傳熱系數(shù)低于管側(cè)一半時，采用低翅管特別有效。當(dāng)某一流體在管側(cè)的傳熱系數(shù)過低時，則考慮變

21、換管側(cè)流動為殼側(cè)流動，并選用低翅管。當(dāng)流體較臟時，會有很多未知因素造成換熱器的嚴(yán)重結(jié)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(cè)的工藝條件。對冷凝器的選取應(yīng)在考慮了3-8表中的通用選型規(guī)定外，并同時考慮下表中的工藝條件。 冷 凝 器 選 型 指 南管 側(cè)冷 凝殼 側(cè) 冷 凝工藝條件水 平垂 直方 向 水 平方 向 垂 直方 向方 向向下流向上流 錯 流折 流 向下流向上流單組份 好 好尚好不好 好 好 好尚好不好多組份 好 好尚好不好 不好 好 好尚好不好含不凝氣 好 好不好 尚好 好 尚好 不用過冷氣 不好 好不

22、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(dāng)冷凝器的冷凝溫度高于環(huán)境溫度15C20C或更高時，考慮使用空冷器。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(yīng)用實例板式換熱器冷凍劑冷凝器、蒸汽冷凝器和烴類冷凝器螺旋板式換熱器蒸汽冷凝器和烴類冷凝器(常用在塔頂餾出物冷凝器中)板翅式換熱器冷凍劑冷凝器(用于低溫系統(tǒng))蛇管式換熱器冷凍劑冷凝器5.4 對可能會有冷凍發(fā)生的冷凝器，當(dāng)物流在殼側(cè)冷

23、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(qiáng)化傳熱，也常常使用強(qiáng)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(diào)生產(chǎn)中。這些管可強(qiáng)化傳熱，提高傳熱系數(shù)兩倍至五倍。但應(yīng)高度重視它們的結(jié)垢問題。6 蒸發(fā)器的選擇6.1蒸發(fā)器或再沸器可以分成(1)內(nèi)置式、(2)釜式、(3)臥式熱虹吸式、(4)立式熱虹吸式、(5)強(qiáng)制循環(huán)式。在下表中列出了各種蒸發(fā)器的特點(diǎn)。蒸 發(fā) 器 的 類 型 及 特 點(diǎn)

24、 類 型 沸 騰 模 型 特 點(diǎn)(1)內(nèi)置式殼側(cè)池內(nèi)沸騰不需要?dú)んw和接管，因此設(shè)備造價低。由于是塔內(nèi)置的形式，管束長度受蒸餾塔直徑限制，故尺寸有限。換熱面積大，換熱率低，易結(jié)垢。(2)釜式殼側(cè)池內(nèi)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(tǒng)簡單，設(shè)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(jié)垢，用短粗管束時蒸汽會覆蓋換熱管。(3)臥式熱虹吸式殼側(cè)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(tǒng)的復(fù)雜，提高了設(shè)備價。有較高的換熱率，容易維修和清洗，可控制性好，不易結(jié)垢。(4)立式熱虹吸式管側(cè)沸騰設(shè)備被直接安裝在塔旁由于管線系統(tǒng)簡單,故設(shè)備造價低

25、。換熱率很大，不易結(jié)垢，占地面積小，可用于真空和低壓系統(tǒng)。為獲得好的循環(huán)，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，不能用于有過流量和突然脈動可能的系統(tǒng)，當(dāng)沸點(diǎn)有較高的提升時會使蒸汽的發(fā)生率較低。(5)強(qiáng)制循環(huán)式殼側(cè)或管側(cè)沸騰用泵使液體流動并進(jìn)行循環(huán)。它可以維持很高的循環(huán)率，因此結(jié)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(fā)生在管內(nèi)也可以在管外，能夠處理粘性較大的流體。管內(nèi)強(qiáng)制循環(huán)再沸器更適用于結(jié)垢性、粘性和有懸浮粒子的液體以及低壓系統(tǒng)。在多數(shù)系統(tǒng)中一般適合采用外沸騰管束。另外，循環(huán)率是受到泵控制的，因此要考慮泵動力消耗的費(fèi)用，可以通過流體的循環(huán)體

26、積、首期投資和操作費(fèi)用來優(yōu)化計算循環(huán)率。 6.2 對蒸發(fā)器或再沸器，傳熱性能可能會因設(shè)備型式的選擇、沸騰側(cè)的工藝條件而有很大變化。因此，在選擇一個合適的蒸發(fā)器或再沸器時，除了要考慮前面所說的通用規(guī)則外，還應(yīng)考慮下表中所列的操作壓力、設(shè)計溫差、污垢系數(shù)及混合液沸騰范圍在內(nèi)的工藝條件。 蒸發(fā)器或再沸器選型指南工 藝 條 件再 沸 器 類 型釜 式 或內(nèi) 置 式 臥 式殼側(cè)熱虹吸式 立 式管側(cè)熱虹吸式 強(qiáng)制流動操作壓力常壓 E G B E接近臨界壓力 B-E R Rd E真空 B R Rd E設(shè)計溫差適中 E G B E大 B R G-Rd E小(對混和物) F F Rd P非常小(純組份) B F

27、 P P污垢清潔 G G G E中度 Rd G B E嚴(yán)重 P Rd B G非常嚴(yán)重 P P Rd B混合液沸騰范圍純組份 G G G E窄餾分物質(zhì) G G B E寬餾分物質(zhì) F G B E非常寬的餾分物(粘性液) F-P G-Rd P BB(best):最好;G(good):好的;F(fair):尚好,但可選更好的;Rd(riskydesign):危險的，除非小心設(shè)計，但在有些工況下可做其它更好的選擇;R(risky)：由于數(shù)據(jù)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(fèi)用。6.3 對臥式循環(huán)式的蒸發(fā)器或再沸器，為了避免在殼側(cè)兩相流動的流體氣液

28、相分離，推薦使用G型殼體或H型殼體，而當(dāng)使用E型殼體或J型殼體時，應(yīng)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(cè)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，最好選用(1)形式的接管。熱虹吸再沸器的循環(huán)是靠入口和出口管道之間 的水力靜壓差來維持的。為了達(dá)到較高的循環(huán)率并且很好地控制它，應(yīng)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(dāng)在立式或臥式熱虹吸再沸器中，熱介質(zhì)為單相流時，逆流和平行流動都是可行的

29、，應(yīng)通過對溫度差、循環(huán)率和傳熱性能的綜合考慮來選擇何種為最好。6.6 特殊型式的換熱器用于蒸發(fā)器或再沸器的情況并不多，在下表中列出了幾個應(yīng)用實例。換熱器的型式應(yīng)用實例板式換熱器冷凍劑蒸發(fā)器板翅式換熱器LNG和LPG蒸發(fā)器蛇管式換熱器冷凍劑蒸發(fā)器熱管換熱器殼側(cè)蒸發(fā)器6.7 高熱通量管(UCC)、Thermonexcell-E(日立)等特殊型式的換熱管也常用于蒸發(fā)器中，一般可提高傳熱系數(shù)10到20倍。當(dāng)平均溫差較小(Tm10C)、沸騰傳熱系數(shù)低時，應(yīng)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(dǎo)致較高的流速，因此會導(dǎo)致較小的設(shè)備和較少的投資，但運(yùn)行費(fèi)用會增高，較低的允許壓降值則

30、與此相反。所以，應(yīng)該在投資和運(yùn)行費(fèi)用之間進(jìn)行一個經(jīng)濟(jì)技術(shù)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) 35 70Kpa氣體和蒸汽(低壓) 15 35Kpa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 70 170KpaF型殼體，殼側(cè)壓降 35 70Kpa（Max.）板翅式換熱器物流 壓 降 值氣體和蒸汽 5 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P0 100Kpa(abs

31、) P/10低壓操作P0 70Kpa(表) P/2P70 1000Kpa(表) 35Kpa中壓操作(包括用泵)P1000 3000Kpa(表) 35 180Kpa較高壓操作P3000 8000Kpa(表) 70 250Kpa8 工藝條件中溫度的選用8.1 冷卻水的出口溫度不宜高于60C，以免結(jié)垢嚴(yán)重。高溫端的溫差不應(yīng)小于20C，低溫端的溫差不應(yīng)小于5C。當(dāng)在兩工藝物流之間進(jìn)行換熱時，低溫端的溫差不應(yīng)小于20C。8.2 當(dāng)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(yīng)高于工藝物流的出口溫度。8.3 在冷卻或者冷凝工藝物流時，冷卻劑的入口溫度應(yīng)高于工藝物流中易結(jié)凍組

32、分的 冰點(diǎn)，一般高5C。8.4 在對反應(yīng)物進(jìn)行冷卻時，為了控制反應(yīng)，應(yīng)維持反應(yīng)物流和冷卻劑之間的溫差不應(yīng)低于10C。8.5 當(dāng)冷凝帶有惰性氣體的工藝物料時，冷卻劑的出口溫度應(yīng)低于工藝物料的露點(diǎn)，一般低5C。8.6 為防止天然氣、凝析氣產(chǎn)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(diǎn)(或冰點(diǎn))，一般高5 10C。8.7 換熱器的設(shè)計溫度應(yīng)高于最大操作溫度，一般高1030C(詳見BCD41A2-94)。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(fā)的流體，不論是在管側(cè)或殼側(cè)，應(yīng)從下向上流動2) 被冷凝的流體，不論是在管側(cè)或殼側(cè)，應(yīng)從上向下流動

33、3) 被冷卻流體的流動方向，應(yīng)從管線經(jīng)濟(jì)角度考慮而定10 結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取10.1換熱管的選取管子必須能夠承受：內(nèi)、外側(cè)的壓力；兩側(cè)的溫度；由管、殼膨脹差所引起的熱應(yīng)力；管側(cè)和殼側(cè)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(jié)管也常被用于采暖、供熱上，另外，高通量強(qiáng)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(yīng)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器。低翅管的翅片可將光管的外表面積增大約2.5倍。當(dāng)殼側(cè)污垢系數(shù)小于0.00053m2.K/W時

34、使用低翅管較為經(jīng)濟(jì)，但它不可用在腐蝕速率超過0.05mm/年的場合，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(dāng)光管的管外總阻力與管內(nèi)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(jīng)常會發(fā)生在用蒸汽加熱的再沸器、預(yù)熱器、水冷器和處理有機(jī)流體的冷凝器中。但若光管的管外總阻力與管內(nèi)總阻力之比小于3時，可作一下具體的經(jīng)濟(jì)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除瓶頸問題，擴(kuò)大現(xiàn)有設(shè)備的能力。而當(dāng)傳熱壁兩側(cè)傳熱膜系數(shù)都很小時，宜用兩面帶翅的設(shè)備，如板翅式換熱器或外翅管

35、內(nèi)加麻花條或螺旋線強(qiáng)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(fèi)用，另一個是可用性。長一點(diǎn)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6m長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(shù)也增加，在相同傳熱面時，采用長管較好，一是可減少管程數(shù)，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46m的換熱管。對于大面積、或無相變的換熱器可以選用89m的管長。在冷凝器中選用長管子的一個缺點(diǎn)是會增大設(shè)備放置平臺的鋼結(jié)構(gòu)，增加費(fèi)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(shè)備的占地面積

36、。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(jié)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(nèi)換熱管的規(guī)格見表101。 表 101 常用國內(nèi)換熱管的規(guī)格 材 料 鋼 管 標(biāo) 準(zhǔn) 外徑 x 厚度mm 10 x 1.5 14 x 2 19 x 2 25 x 2 碳 鋼 GB8163-87 25 x 2.5 32 x 3 38 x 3 45 x 3 57 x 3.5 10

37、 x 1.5 14 x 2 19 x 2 不 銹 鋼 GB2270-80 25 x 2 32 x 2 38 x 2.5 45 x 2.5 57 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(qiáng)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(huán)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(huán)盤形折流板，但傳熱較差，應(yīng)用較少?？琢餍握哿靼迨沽黧w穿過折流板孔和管子之間的縫隙流動，壓降大，僅適用于清潔流體，應(yīng)用更少。10.2.2 折流桿

38、 折流桿換熱器是由許多折流桿在不同位置支撐管子的結(jié)構(gòu)。桿子之間用圓環(huán)相連，四個圓環(huán)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(qiáng)化傳熱、防止污垢沉積和減小阻力的作用，其應(yīng)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(jié)垢嚴(yán)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

39、響到傳熱效率。最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(shè)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，通常最大折流板間距為殼體直徑的1/2并不大于TEMA規(guī)定的最大無支撐直管跨距的0.8倍。10.3 防旁流設(shè)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銑好的凹槽的折流板內(nèi)，它一般是成對設(shè)置的，數(shù)量推薦如下：公稱直徑DN500mm時，一對擋板；500mmDN2230kg/m2.s, 腐蝕性液體2740 kg/m2.s，且進(jìn)入的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(jìn)行沖擊，引

40、起振動和腐蝕。為了保護(hù)這部分管子應(yīng)設(shè)置緩沖擋板。11 管殼式換熱器的設(shè)計要點(diǎn) 換熱器的設(shè)計過程包括計算換熱面積和選型兩個方面。有關(guān)換熱器的選型問題，前面已經(jīng)講過了，下面主要介紹管殼式換熱器的設(shè)計要點(diǎn)及如何分析計算結(jié)果、調(diào)整計算，而設(shè)計出滿足工藝需要的、傳熱效率高的換熱器。11.1設(shè)計計算的基本模型及換熱器的性能參數(shù) 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=(WCpT)hot=(WCpT)cold W-流體質(zhì)量流量 Cp-流體的比熱 hot-熱流體 cold-冷流體 T-進(jìn)出口溫度差 b.傳熱率方程 Qact=(A)(Tm)(1/R) R=(1/hi)o+(1/ho)o+(Rf)o+(Rw)o R-總熱阻 A-傳熱面 hi、ho-分別為兩流體的傳熱膜系數(shù) Rf-兩流體的污垢熱阻 Rw-金屬壁面熱阻 Tm-平均溫度差 O-通常換熱計算以換熱管外表面為基準(zhǔn) c. 傳熱率的估算 QactQreq d. 對壓力降的限制條件 (Pi)act(Pi)allow (Po)act(Po)allow P-壓力降 下標(biāo)i表示管內(nèi) 下標(biāo)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(shè)計計算和校核計算兩大類。換熱器計算一般需要三大類數(shù)據(jù)：結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)和物性數(shù)據(jù)，其中結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的選擇在