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.......................................................................................................................................................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.......................................................................................................................35热交换器的选型和设计指南Page1of381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Page2of38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Page3of38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Page4of38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)压力(最大)Pressure(kgf/cm2)材料Material特点和应用FeaturesandApplication1．管壳式换热器管壳式(标准型)S&T≤5000-270≤t≤1650600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≤600300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≤600300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≤600200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热交换器的选型和设计指南Page5of38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≤600300铜铝不锈钢碳钢当传热面积比较小(10m220m2)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≤300300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coil≤100≤t≤300300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特点和应用FeaturesandApplication板式plate(gasket)≤2000-40≤t≤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≤200-90≤t≤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．翅片式换热器热交换器的选型和设计指南Page6of38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、耗电等因素在内的综合费用分析。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heatpipe2000-40≤t≤35010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Temperaturet(°C)压力(最大)Pressure(kgf/cm2)材料Material特点和应用FeaturesandApplication5．特殊材料的换热器石墨carbon≤700≤1607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