换热器设计手册

分类:①按用途---加热器、冷却器、冷凝器、再沸器、蒸发器等。②按冷热流体热量交换的原理和方式直接接触式：冷、热直接混合。蓄热式：4.7换热器间壁式：冷、热两流体由固体壁隔开，不直接接触热流体冷流体thtcth,wtc,wΦΦ流体通过间壁的热交换冷流体热流体热流体冷流体蓄热式换热器示意图4.7.1间壁式换热器的类型(1)夹套式换热器◎结构：在容器外壁安装夹套制成。◎优点：结构简单。◎缺点：传热面受容器壁面限制，传热系数小。◎应用范围：主要用于反应过程的加热或冷却。◎强化传热方法：釜内安装搅拌器，加螺旋隔板，在釜内安装蛇管。加热蒸汽釜冷凝水物料物料搅拌器夹套式换热器(2)沉浸式蛇管换热器◎结构：将金属管子绕成各种形状，沉浸在液体中。◎优点：结构简单，便于防腐，能承受高压。◎缺点：管外流体的湍流程度低，表面传热系数较小。管内易除垢。◎强化传热方法：可安装搅拌器。蛇管的形状(3)喷淋式换热器◎结构：将换热管成排地固定于支架上，热流体在管内流动，冷却水由管上方的喷淋。◎优点：湍流程度高，传热效果好；冷却水在喷林中气化，携带热量，降低冷却水温度；便于检修和清洗。◎缺点：喷淋不易均匀，杂质易进入冷却水。◎应用范围：多用于冷却管内的热流体。直管水槽喷淋式冷却器（4）套管式换热器◎结构：将两种直径大小不同的直管装成同心套管，并可用U形肘管把管段串联起来，每一段直管称作一程。◎优点：表面传热系数大；逆流流动，平均温差最大；结构简单；能承受高压。◎缺点：占地面极大；耗材量大；易泄漏。◎应用范围：流量不大，粘度较大，传热面积不多，压强较高外管内管套管式换热器◎结构：壳体、管束、管板、折流挡板和封头。一种流体在管内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。（5）管壳式换热器又称为列管式换热器，是最典型的间壁式换热器。◎优点：单位体积设备所能提供的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，单程：多程：◆多管程：封头内设置分程隔板单管程→多管程。◆多壳程：相当于单壳程串联，传热面积↑。双管程固定管板换热器单双SS21ndS2i4单LndAAo单双流通截面积：传热面积：说明：管程数↑，流通截面积↓，管内流速↑，hi↑，强化传热。安装：上下安装，常用；左右安装，排液不畅时采用。常用形式：弓形，圆盘形。折流挡板作用：提高壳程流体湍动程度(Re100湍流)，ho，强化传热。冲刷沉积物，减小污垢热阻；对壳体起支撑作用。代价：壳体阻力↑，系统动力消耗↑。弓形圆盘形a）固定管板式换热器适用：*壳程流体不易结垢或容易化学清洗；*壳体与传热管壁温度之差小于50C，否则加膨胀节。局限：管、壳温度不同，产生热应力，当Δt＞50℃时，管弯曲、断裂或管板变形。壳程不易机械清洗；优点：*结构简单，成本低；固定管板式浮头式U形管式带膨胀节的固定管板换热器特点：消除了温差应力、便于清洗和检修；结构复杂、成本高；适用：应用广泛。b）浮头式换热器一端可以沿轴向自由浮动c）U形管式换热器特点：具有温度补偿作用；管程不易清洗。适用：可用于高温高压，适用于管程为洁净而不易结垢的流体。结构:4.7.2列管式换热器的设计和选用流体有结垢管程腐蚀性管程压力高的高低管程饱和蒸汽，需要冷却的流体壳程流量小而粘度大的流体壳程表面传热系数大的流体壳程一般经验原则(a)选择流程:哪一个物流走管程，哪一个物流走壳程（1）列管式换热器设计和选用应考虑的问题(b)流速的选择◆流速↓，表面传热系数↓，污垢热阻↑，流体阻力↓；◆流速↑，表面传热系数↑，污垢热阻↓，流体阻力↑。管程和壳程都需要选择适宜的流速一般流体0.5~30.2~1.5易结垢液体10.5气体5~303~15对于液体，一般粘度越大，要求流速越大管程壳程(c)流动方式的选择◆对于同样的进、出口条件，传热量相同，A逆A并；◆管程或壳程↑，表面传热系数↑，但同时流动阻力↑，△tm↓，应权衡确定。20010060160单管程——逆流多管程2001001606011020010016060110(d)换热管规格和排列的选择换热管规格：等，，，5.2382252195.2251.5m、2m、3m、4.5m、6m、9m6~4DL一般情况下：换热管规格越小单位体积传热面积越大容易结垢、赌塞，阻力大，制造、检修不便管长选取：有利于清洗和选材管子在管板上的排列：正三角形排列正方形排列正方形排列正三角形排列、正方形排列两种正三角形排列优点：结构紧凑管外湍流程度高，表面传热系数大正方角形排列优点：易于检修、清洗(e)折流挡板可大幅度提高管外表面传热系数圆缺形折流挡板的缺口大小的选择考察折流板的参数：形式、缺口大小、折流板间距挡板间距：一般取壳体内径的0.2~1.0倍圆缺形折流挡板的间距的选择间距太大，表面传热系数下降，间距太小，阻力增大，不便制造、检修我国系列标准：固定管板：100、150、200、300、450、600、700浮头式：100、150、200、250、300、350、450、600（2）流体通过换热器时阻力的计算①管程阻力pstrit)(NNFppp管程总阻力：22iudlp每程直管阻力：232rup每程回弯阻力：5.12194.15.225ttFFFt结构校正系数，3PtNp说明：②壳程阻力对于壳程阻力的计算，由于流动状态比较复杂，计算公式多，计算结果相差较大。埃索法：ssipos)(NFppp壳程总阻力：212oTCoouNNFfpB）（管束阻力：225.32opiuDBNpB）（折流板缺口阻力：3o)1(Bp说明：（3）管壳式换热器的设计和选用的计算步骤任务：已知某物流流量、初始温度加热（或者冷却）至某一温度，需要：确定加热（或者冷却）物流和换热设备A选择匹配物流：根据工艺物流的初始温度、目标温度和热负荷优先选择工艺物流尽量选择低品位的公用工程热量恒算方程算出热负荷、匹配物流的目标温度或者流量A选择匹配物流：C算出平均传热温差B选择流程D根据经验估计总传热系数K估计算传热面积A估E选取管程适宜管径、流速，根据A估，确定管数、管长及管程数。F确定管子排列方式，选取管心距，计算壳体内径正方形排列正三角形排列壳径的圆整以400为基数，100或者50为进级档G选取折流板圆缺通常取25%确定折流板间距，计算折流板数H选取进出口接管直径I计算管、壳程阻力计算管、壳程流速和阻力，判断是否合理。●J核算热流量求出总传系数K计，并与估算时所取用的传热系数K估进行比较。如果相差较多，应重新估算。一般应使裕度为20%左右。%100ooPAAAH裕度的计算式为：●④计算传热面积并求裕度计算示例4.7.3换热器的传热强化途径mtKAΦ强化方法：提高K、A或Δtm目的：传热面积↓，使设备费用降低。（1）提高K值odomoiodiioio111hRddbddRddhK①降低污垢热阻；②提高表面传热系数*若hiho，提高h小(hi)的一侧；*两侧h相近，应同时提高两侧流体的h。提高表面传热系数h的方法◆无相变传热a）提高管内流速2.0i8.0idCuh2.0ii8.0idhuh，8.0ioiuhKhh，则如果代价：流动阻力↑，动力消耗↑，操作费用↑。经济优化：选择适宜流速，使总费用最低。优点：总传热系数↑，传热面积↓，设备投资费↓流速↑非工艺物流：流量↑工艺物流：流通截面积↓壳程：折流挡板数目↑管程：单管程→双(多)管程b）制造人工粗造表面促进边界层分离，减薄层流底层，强化传热。c）加设扰流元件管内装入麻花铁、螺旋圈或金属丝片；增强湍动，破坏层流底层。◆有相变传热冷凝：1）采用滴状冷凝，2）及时排放不冷凝气体，3）气、液流向一致，4）合理布置冷凝面，5）利用表面张力（沟槽，金属丝）。沸腾：1）保持核状沸腾，2）制造人工表面，增加汽化核心数。（2）提高传热推动力限制：两侧均为工艺物流时，温度不能任意改动。适用：一侧为公用工程物流(加热蒸汽、冷凝水)时，其进口温度可调。例：提高冷却水用量tc2↓，Δtm↑提高加热蒸气压力p↑，ts↑，Δtm↑蒸发、闪蒸p↓，ts↓，Δtm↑（3）增加传热面积改善传热表面，增加单位体积设备的传热面积。如采用：不同异形管；开槽及加翅片；折流形式；多孔、高效传热面。波纹管式传热管纵向翅片管横向翅片管螺旋槽纹管缩放管翅片管的截面管壳式换热器的缺点流通截面积相同的情况下，圆形通道表面积最小，即相同流速下，圆管表面积最小圆管之间不能紧密排列，单位体积换热器的传热面小，材料消耗大。4.7.4其他类型换热器（1）各种板式换热器①板式换热器板式换热器的板片和板面波纹形状板式换热器流向示意图高效紧凑的换热设备缺点：允许操作压力、操作温度比较低处理量不大易渗漏优点：板间流动湍流程度高，板片厚度薄，传热系数大板间缝隙小、结构紧凑、单位容积提供的传热面积大250~1000（圆管40~150）、金属材料消耗量低具有可拆卸结构，操作灵活性大、、加工容易、检修清洗方便。②螺旋板式换热器④板壳式换热器与列管式换热器的区别：板束→管束板壳式换热器结构示意图优点：传热系数大、结构紧凑、坚固，能承受很高的温度和压力。缺点：制造工艺复杂、焊接要求高。（2）空气冷却器适用：适用于缺水地区。缺点：装置比较庞大、占空间多、动力消耗大。卧式空冷器物料入口物料出口空气空气翅片（3）热管换热器一种新型传热元件。优点：传热能力大、应用范围广、结构简单、工作可靠；适用：对冷热两侧传热系数都很小的传热过程比较有效。热管吸热蒸发端放热冷凝端蒸气芯网导管可以通过翅片强化两侧传热将管内外传热问题转化为管外~管外传热4.7.5换热器网络综合要确定具有最小的设备投资费用和操作费用的换热网络，并满足把每一过程物流由初始温度达到指定的目标温度。换热网络综合方法：夹点技术——Linnhoff调优方法——Motard数学规划法——Grossmann