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。 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 2312空冷器的設(shè)計要點 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。表2- 1換熱器的結(jié)構(gòu)分類管式管殼式固定管板式岡性結(jié)構(gòu)：用于管殼溫差較小的情況（一般W 50°C）,管間不能清洗帶膨脹節(jié)：有一定的溫

2、度補償能力，殼程只能承受較低壓力浮頭式管外均能承受高壓，可用于高溫高壓場合U型管式管外均能承受高壓，管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)、易爆易燃及壓力較咼的介質(zhì)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烝發(fā)空間，用于烝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流體的冷卻或冷凝板式板式拆洗方便，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)?能

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，壓力不能太高擴展表面式板翅式結(jié)構(gòu)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，傳熱效率咼，用于化 工、動力、空調(diào)、制冷工業(yè)蓄熱式回旋式盤式傳熱效率咼，用于咼溫?zé)煔饫鋮s等鼓式用于空氣預(yù)熱器等固定格至式緊湊式適用于低溫到高溫的各種條件非緊湊式可用于咼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， 對于型式的合理選擇、

5、經(jīng)濟運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)濟指標(biāo)分析、投資和操作費用對比，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)用圍很廣，適應(yīng)性很強，其允許壓力可以從高真空到41.5MPQ溫度可以從-100 °C以下到1100 °C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，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。

6、在下圖中給出了特殊型式 的換熱器的適用圍，可供參考。fill-irin:miiiiij-4-里li'Of 1 嚴(yán):i丨'1111"西ri yt Ci/w ii in表3- 1特殊型式換熱器的使用圍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F表中概括地描述了常用換熱器的型式及應(yīng)用條件和特點表3 -4換熱器的類型及應(yīng)用類型Types換熱面積Size（m2）溫度Temperaturet( °C)壓力(取大Pressure(kgf/cm2)材料Material特點和應(yīng)

7、用Features and Applicatio n1管殼式?喚熱器管殼式（標(biāo)準(zhǔn)型）S&T< 5000-270 W t W 165()600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?通過采用特殊類型的換熱管來提 高其傳熱性能。折流桿式rod baffle< 5000-100 w t w 600300無限制通過折流桿支承換熱管來消除 振動。由于殼側(cè)流動疋縱向的、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)。多官式multitube< 50-100 w t w 600300無限制因流動為純逆流，故具有較好 的傳熱推動力，當(dāng)換

8、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 管來強化傳熱。蛇管式coiled tube< 2000-260 w t w 600200銅鋁 不銹鋼 碳鋼在低溫系統(tǒng)中，因不宜采用鋁 材板翅式換熱器，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 在咼溫的氣氣換熱時，可采用不銹鋼材料。2 單管式換熱器套管式< 10-100 w t w 600300銅當(dāng)傳熱面積比較?。?0m2 20double tube鋁不銹鋼碳鋼m )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

9、緊湊性較 差。長號式Tromb one< 100-50 < t w 300300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coil< 100 w t w 300300銅、鋁 不銹鋼 碳鋼蛇管式換熱管經(jīng)常被插在罐中 用以加熱或冷卻罐的液體。類型Types換熱面積Size(m2)溫度Temperaturet( °C)壓力(取大Pressure(kgf/cm2)材料Material特點和應(yīng)用Features and Applicatio n板式p

10、late(gasket)< 2000-40 w t w 20025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)較咼，實 際應(yīng)用圍廣泛。也可于氣體 冷卻、冷凝或沸騰傳熱。螺旋板式spiral< 200-90 w t w 40020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，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_cooled< 2000w 500(air temp.:-60+ 50)500

11、碳鋼 不銹鋼 翅片：鋁、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 的綜合費用分析。通常當(dāng)物流碳鋼出口溫度高于環(huán)境溫度 15 °C20 °C或更高時，使用空冷器 較為經(jīng)濟。板翅式plate fin<10000260W t< 100(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， 特別適用低溫或超低溫場合。執(zhí)管

12、heat pipe< 2000-40 < t < 35010碳鋼不銹鋼銅流動阻力小、體積小、結(jié)構(gòu)緊 湊。由于熱管可在熱流體和冷 流體兩側(cè)通過增加翅片來擴展 受熱面，因而大大提咼了氣 氣換熱器的傳熱量，用在氣 氣換熱器中最為有效。類型Types換熱面積Size(m2)溫度Temperaturet( °C)壓力(取大Pressure(kgf/cm2)材料Material特點和應(yīng)用Features and Applicatio n5特殊材料的換熱器石墨carbon< 700w 1607不滲透性石墨結(jié)構(gòu)有：管殼式換熱器、塊狀 換熱器等。聚四氟乙烯teflo n<

13、 80w 1505聚四氟乙烯管殼式和浸泡式換熱器，重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。機械性能較差，只 適用于低壓工況。玻璃glass< 25w 2809耐熱玻璃玻璃換熱器有盤管式、噴淋式 管殼式、套管式等型式。常用 在空氣預(yù)熱器或節(jié)能裝置中， 回收露點以下的排放氣熱量。6 .特殊換熱管低翅管low fin tube碳鋼不銹鋼銅合金管子表面的翅片可增大換熱面 積2 3倍。與普通管子有著相 同管外徑的低翅管經(jīng)常用作管 殼式換熱器的傳熱管。當(dāng)殼側(cè) 傳熱系數(shù)低于管側(cè)時，使用低 翅管較為理想。低翅管也同樣 可用在冷凝和沸騰傳熱中。沸騰用傳熱強化管 enhancedtube for boili ng碳鋼不銹鋼銅合金

14、典型的強化傳熱管即：高熱通量管（UCC）、Thermoexcell-E（日立）等。在沸騰傳熱系數(shù)低、溫差?。?0 °C）的蒸發(fā)器中，經(jīng)常使用強化傳熱管。上述管子均可提高傳熱系數(shù)1020倍。冷凝用傳熱強 化管 enhancedtubefor conden sati on碳鋼不銹鋼銅典型的強化傳熱管即：槽管、Thermoexcell-C（日立）、低翅管等。使用上述管子均可提高傳熱系數(shù)2 5倍。從上表中可以看出在換熱器選型時，我們應(yīng)同時考慮是否選用特殊型式 的換熱器和采用什么樣的換熱管為好。當(dāng)然，我們通常一般首先考慮選用管 殼式換熱器。另外，認(rèn)真研究技術(shù)規(guī)定中的設(shè)計要求也是很必要的，而后再

15、 選取能最好發(fā)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(shù)的選取因管殼式換熱器最為常用，下表3-5中給出了其封頭選取的一般要求， 表3- 6, 3-7中給出了換熱器的管程數(shù)限制值。表3 5 TEMA端部型式的選取污垢系數(shù)：ml °C /W污 垢系數(shù)丨管束|清洗方 法 前端固定尾端封頭類型管側(cè)殼側(cè)型式管側(cè)殼側(cè)式管箱(2)w 0.00018所有U型管A 或 B(3)w 0.00035所有U型管CA 或 B(3)M(4)一A一可抽式CCA 或 B(3)S 或T(5,6)MCAS 或T(5,7)CMA 或 B(3)S 或 T(5)MMAS 或 T(5)w 0.00035w0.00

16、035固定式CCA,B 或 C(8)L,M或N(9,10)MCAL>0.00035所有U型管可抽式M(4)一A一CAS 或 T(5)一MAS 或 T(5)>0.00035w0.00035固定式CAL見附圖一(1)C :化學(xué)清洗；M機械清洗，包括高壓水力噴射清洗。A :當(dāng)管側(cè)或殼側(cè)腐蝕裕度為3.0mm寸，首選封頭型式。(3) B :常用的、較為經(jīng)濟的封頭型式。(4) 只用于管側(cè)可用高壓水噴射清洗的冷卻水系統(tǒng)。一般使用S形型頭，除非有特殊要求時選T型封頭。當(dāng)殼側(cè)污垢系數(shù)w 0.00035時，可以使用不可拆端蓋。 當(dāng)殼側(cè)污垢系數(shù)w 0.00035并且管側(cè)可用高壓水噴射清洗時，T型封頭 可

17、使用不可拆端蓋。(8) B或C:常用型式，比A型經(jīng)濟。(9) M或N:常用型式，比L型經(jīng)濟。(10) L :當(dāng)管側(cè)腐蝕裕度為3.0mm寸，首選封頭型式。表3-6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節(jié)帶填料函的浮頭式任意數(shù)表3 7最大管程數(shù)殼徑最大管程數(shù)< 2504250510651076087601020101270

18、123.6 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推薦使用的特殊類型的換熱器殼側(cè)管 側(cè)高壓Vu型管式高溫VU型管式、蛇管式大污垢系數(shù)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(shè)備（例如扭 管）和靜態(tài)混

19、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(jié)的流體V刺刀式、和帶boxorboot的換熱器3.7 冷卻系統(tǒng)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)

20、，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，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15°C 20 °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 素等在的綜合費用分析。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用。根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟比較，在氣候適宜的地方，當(dāng)工藝物 料的最低溫度大于65°C,選用空冷最為合適；而當(dāng)工藝物料的最低溫度小于 50°C,則宜用水冷；在這兩溫度之間，則應(yīng)作詳

21、細(xì)的經(jīng)濟分析，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 60°C的部分熱量用空冷器取走，其余部分熱量 用水冷器取走。選用空冷器的原則1）冷卻水供應(yīng)困難，水冷的運行費用過高；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、。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 38 C2）熱流體出口溫度與空氣進(jìn)口溫度之差 15 C3）有效對數(shù)平均溫差 40 C4）熱流體凝固溫度 0C5）熱流體出口溫度的允許波動圍3 5 C6）管側(cè)允許壓力降 10kpa7）管介質(zhì)的傳熱

22、膜系數(shù) 2300w/m2K8）冷卻水污垢系數(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 3 - 8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F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.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70040001500選板式換熱器較理想烴類(卩 <1cp)冷卻水50015001000考慮板式換熱器或空冷器烴類(5cp<<10cp)冷卻水25010006

23、00氣體(1bar)冷卻水7020080a. 若選用低翅片管，總傳熱系數(shù)可增大兩倍以上。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150200200c.為防止管子振動破壞，可選用氣體(10bar)冷卻水260200300折流桿式換熱器、管窗不排管氣體(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/cm 2（g）,考慮用咼翅片管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(5cp<<10cp)烴類(5cp<<10cp1506

24、00400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(shù)2400（5kgf/cm ）b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。c. 緊湊式換熱器：板翅式換熱器（鋁材或不銹鋼）。d. 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(5bar)氣體(5bar)100氣體(10bar)氣體(10bar)180氣體(20bar)氣體(20bar)250氣體(1bar)烴類(1= 10cp60)70對高粘度流體可選用螺旋板式換熱器。氣體(5bar)烴類(1= 5

25、cp)130150氣體(20bar)烴類(1 <1cp)330¥ = 烝氣冷卻水9001500選錯流型式的螺旋板式換熱器。¥ = 烝氣烴類7001200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15°C20°C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

26、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。冷凝器選型指南工藝條件管側(cè)冷凝殼側(cè)冷凝水平方向垂 直方 向水平方向垂直方 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

27、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r- c、【/、入F好貝an占厲、/入、比好好不好不好好好5.2當(dāng)冷凝器的冷凝溫度高于環(huán)境溫度 15°C20 °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(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)冷凝時，通常要

28、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(diào)生產(chǎn)中。這些管可強化傳熱，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）置式、（2）釜式、（3）臥式熱虹吸式、（4）立式 熱虹吸式、（5）強制循環(huán)式。在下表中列出了各種蒸發(fā)器的特點。蒸發(fā)器的類型及特點類型沸騰模型特點（1）置

29、式殼側(cè)池沸騰不需要殼體和接管，因此設(shè)備造價低。由于是塔 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。釜式殼側(cè)池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，提咼了設(shè)備價。有較咼 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。換熱率很大，不易結(jié)垢，占地面積小， 可

30、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)沸點有較高的 提升時會使蒸汽的發(fā)生率較低。(5)強制循環(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)。它可以維持很咼的 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)生在管也可以在 管外，能夠處理粘性較大的流體。管強制循環(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用，可以通過流體的循環(huán)體 積、首期投資和操

31、作費用來優(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) 及混合液沸騰圍在的工藝條件。蒸發(fā)器或再沸器選型指南工藝條件再沸器類型釜式或置式臥式殼側(cè)熱虹吸式立式管側(cè)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(shè)計溫差適中EGBE大BRG-RdE小 （對混和物）FFRdP非常小（純組份）BFPP污垢清潔GGGE中度RdGBE嚴(yán)重PRdBG非常嚴(yán)重PPRdB混合液沸騰圍純組份GGGE窄餾分物質(zhì)G

32、GBE寬餾分物質(zhì)FGBE非常寬的餾分物（粘性液）F-PG-RdPBB(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

33、。（1）塔側(cè)面與再沸器頂部相連型式， 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，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

34、板式換熱器冷凍劑蒸發(fā)器板翅式換熱器LNGS LPGK 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咅。當(dāng)平均溫差較?。═mv 10°C）、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， 但運行費用會增高，較低的允許壓降值則與此相反。所以，應(yīng)該在投資和運 行費用之間進(jìn)行一個經(jīng)濟技術(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

35、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）3.514Kpa蒸汽（真空）< 3.5Kpa蒸汽（真空塔冷凝器）0.41.6Kpa液體70170KpaF型殼體，殼側(cè)壓降3570Kpa （Max.）板翅式換熱器物流壓 降值氣體和蒸汽520Kpa液體2055Kpa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/10低壓操作P= 0 70Kpa（表）P/2P= 701000Kpa（表）35Kpa中壓操作（包括用泵）P= 10003000Kpa（表）35180Kpa較咼壓操作P=

36、30008000Kpa（表）70250Kpa8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(jié)垢嚴(yán)重。高溫端的溫差不應(yīng)小于 20°C,低溫端的溫差不應(yīng)小于5°C。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20° Co8.2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 組分的冰點，一般高5°G8.4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10°

37、;Co8.5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，一般低5°C。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（或冰點），一般高510 °C。8.7換熱器的設(shè)計溫度應(yīng)高于最大操作溫度，一般高10 30°C（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(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3）被冷卻流體的流動方向，應(yīng)從管線經(jīng)濟角度考慮而定10結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取10.1換

38、熱管的選取管子必須能夠承受：、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。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)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時使用低翅管較為經(jīng)濟， 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

39、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 理有機流體的冷凝器中。但若光管的管外總阻力與管總阻力之比小于3時，可作一下具體的經(jīng)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除瓶頸問題， 擴大現(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加麻花條或螺旋線強化器。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

40、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6n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4 6m的換熱管。對于大面積、或無相變的換熱器可以選用8 9m的管長。在冷凝器中選用長管子的一個缺點是會增大設(shè)備放置平臺的鋼結(jié) 構(gòu)，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(shè)備的占地面積。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

41、滿足允許的壓降，一般推薦選用19m m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 32m m的管徑，直接火加熱時多 采用76mm的管徑。常用國換熱管的規(guī)格見表10 1。表10 1常用國換熱管的規(guī)格材料鋼管標(biāo)準(zhǔn)外徑x厚度mm10 x 1.514 x 2碳鋼GB8163-8719 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 2.5

42、10.2.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。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。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(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。同時又起到了強化傳熱、防止污垢沉積和減

43、小阻力的作用，其應(yīng) 用正在不斷增加。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。折流板圓缺高度單圓缺型折流板的開口高度為直徑的1045%，雙圓缺型折流板的開口高度為直徑的1525%。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。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

44、管跨距的0.8倍。10.3防旁流設(shè)施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，它一般是成對設(shè)置的，數(shù)量推薦如 下：公稱直徑DN < 500mm時，一對擋板；500mm<DN<1000mm 時，兩對擋板；DN > 1000mm時，三對擋板固定管板式和U型管式換熱器不必使用密封條，因為這些設(shè)備殼體于 OTL的間隙不大。在有相變發(fā)生的設(shè)備中，即使間隙很大也不使用密封條， 因為密封條會影響汽相和液相的分離，而且再沸器與冷凝器等設(shè)備的性能主 要不是由錯流流動決定的。盲 管可防止中等或大型換熱器殼程中部物流的旁流，設(shè)置

45、于分程隔板槽背面 兩管板之間，一般與換熱管的規(guī)格相同，可于折流板點焊固定，也可用拉桿 （帶定距管或不帶定距管）代替。緩沖擋板當(dāng)非腐蝕性液體在殼程入口管處的動能pu 2>2230kg/m2.s,腐蝕性液體pu 2>740 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，引起振動和腐蝕。為了保護這部分管 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

46、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=(WCp T)hot=(WCpA T)coldW-流體質(zhì)量流量Cp-流體的比熱hot-熱流體cold-冷流體A T-進(jìn)出口溫度差b. 傳熱率方程Qact=(A)( A Tm)(1/ 藝 R)藝 R=(1/hi)o+(1/ho)o+(Rf)o+(Rw)o工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A Tm-平均溫度差0-通常換熱計算以換熱管外表面為基準(zhǔn)c. 傳熱率的估算Qact > Qreqd. 對壓力

47、降的限制條件( A Pi)act < ( A Pi)allow(A Po)act < ( A Po)allow P-壓力降下標(biāo)i表示管下標(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 換熱器中最為重要。在管殼式換熱器的設(shè)計中包含有一系列的選擇問題，如 殼體型式、管程數(shù)、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(shù)據(jù)包括冷、熱流體的流量、進(jìn)出口溫度、 進(jìn)口壓力、允許壓降及污垢系數(shù)等。物性數(shù)據(jù)包括冷、熱流體在進(jìn)出口溫度 下的密度、比

48、熱容、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)、表面力。a. 設(shè)計計算Desig n設(shè)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(jié)構(gòu)參數(shù)， 并使其結(jié)構(gòu)最優(yōu)、尺寸最小。對設(shè)計計算應(yīng)先確定下列基本的幾何參數(shù)：管長管間距流向角-換熱管外徑及管壁厚b. 校核計算Rating校核計算就是評估一臺已知換熱器的傳熱性能，即通過校核設(shè)備的幾何 尺寸來看其是否能滿足傳熱要求。校核計算應(yīng)已知下列基本的幾何參數(shù)：管程數(shù)殼徑/管數(shù)折流板間距/折流板數(shù)管長/管間距流向角管徑/管壁厚設(shè)計元素的選取設(shè)計計算時應(yīng)考慮下列的幾個基本設(shè)計元素：殼體型式：TEMAE F, G J，K X。殼徑：通常最大為2米。-換熱管幾何尺寸：光管、翅片管管徑（

49、19mm,25.4m等）管長系列（3m,5m,6m,7.2m等）管子排列角：30° 60° 45° 90°管間距：1.251.50倍的管子外徑-折流板型式：單圓缺、雙圓缺、管窗不排管及為防止管子振動而加的支承板。11.3最終計算結(jié)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(shè)備專用計算軟件。當(dāng)設(shè)計計算結(jié)束后， 如何根據(jù)實際的工況，來判斷計算結(jié)果是否滿足要求，出現(xiàn)問題后如何解 決，這對設(shè)計者來說都是很重要的，在評價最終設(shè)計計算時應(yīng)考慮并校核以下 各項?？傮w設(shè)計尺寸細(xì)長型的換熱器比短粗型要經(jīng)濟，通常

50、情況下管長和殼徑之比為510，但有時根據(jù)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 310之。11.3.2 熱阻大小首先根據(jù)流體的物系及實際經(jīng)驗來推斷一下傳熱系數(shù)值是否合理，應(yīng)特別注意管雷諾數(shù)的大小。在層流流動（管側(cè)Re<2000，殼側(cè)Re<300）和過渡區(qū)流動中，應(yīng)使用分段計算的方式（HTFS程序無此功能），以確保傳熱系數(shù)值計算 的正確。在評估計算結(jié)果的同時，應(yīng)考慮程序計算的精確度。如果熱阻在管 側(cè)和殼側(cè)分布平衡，則該設(shè)計是好的，如果一側(cè)熱阻值過大，應(yīng)該分析原 因，分析管、殼側(cè)冷、熱流體的分布是否合理，如果是由于某一側(cè)污垢系數(shù) 過

51、大而引起的，則可不必進(jìn)一步修改原設(shè)計。設(shè)計余量換熱器設(shè)計計算時設(shè)計余量值的大小取決于計算精度、實際經(jīng)驗及對現(xiàn)場的操作控制等。例如：對冷卻水換熱器，當(dāng)水流速大于1.5m/s時，沒必要給出過大的設(shè)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(qū)流動，由于計算精度不好，故需要給出較大的設(shè)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(shè)計 余量反而是無益的，特別是在設(shè)備運轉(zhuǎn)初期，會發(fā)生如控制困難等操作問 題。另外，有些設(shè)計計算，為了滿足允許壓降值的限制，可能會造成設(shè)計余 量較大，此時應(yīng)根據(jù)實際經(jīng)驗來判定計算結(jié)果是否正確或?qū)υ试S壓降值的大 小作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整

52、。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(zhì)差別， 則必須嘗試改變設(shè)計參數(shù)。在校核了計算所得壓降值是否小于允許值之后， 應(yīng)對壓降的分布作進(jìn)一步的校核，這其中包括有進(jìn)、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(yīng)考慮增大接 管尺寸及折流板間距。一般對進(jìn)、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，接管部分的壓降最好控制在總壓降的 30 %以下，否則會造成管子進(jìn)口處的偏流。為防止物流對殼程入口處的管子 進(jìn)行沖擊，引起振動和腐蝕，一般均在換熱器殼程進(jìn)口處設(shè)置防沖板或分布 器，在計算壓降時要有所考慮。另一個必須記住的事實是，允許壓降是人為 給定的，所以，如果在設(shè)計中允許壓降得到了充分利用，而增加一點壓降會 增加很大的經(jīng)濟性，則應(yīng)再行設(shè)計并考慮增加允許壓降的可能性。流速需校核管子進(jìn)出口處、殼側(cè)進(jìn)口處和接管的流速。一般來說流體流速在 允許壓降圍應(yīng)盡量選高一些，以便獲得較大的換熱系數(shù)和較小污垢沉積，但 流速過大會造