换热器的选型和设计

换热器的选型和设计指南
一、 概述
1. 选型原则
2. 工艺参数的选取
3. 计算方法
4. 结构设计
二、 分类及结构特点
1. 按照换热器作用原理分类
1.1 间壁式换热器(冷热流体不允许混合的场合各种管式和板式换热)
1.2 直接接触式换热器(凉水塔、洗涤塔、文氏管、喷射冷凝器)
1.3 蓄热式换热器
1.4 中间载热体式换热器
2. 按照换热器用途分类
2.1 加热器
2.2 预热器
2.3 过热器
2.4 蒸发器
2.5 再沸器
2.6 冷却器
2.7 冷凝器
3. 按换热器传热面形状和结构分类
3.1 管式换热器
3.2 板式换热器
3.3 特殊形式换热器
4. 按换热器所用材料分类
4.1 金属材料换热器
4.2 非金属材料换热器
如下表所示:表1.1
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管式
管壳式
固定管板式
刚性结构:用于管壳温差较小的情况(≤50℃)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,
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:管间容易泄漏,不宜处理易挥发、易爆易燃及压力较高的场合
内填料函:密封性能差,只能用于压差较小的场合
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,用于传热面积较小的冷却器、冷凝器也预热器
螺旋盘
管式
浸没式
用于管内流体的冷却、冷凝,或者管外流体的加热
喷淋式
只用于管内流体的冷却或冷凝
板式
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
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,可抽出清洗检查,压力不能太高
扩展
表面式
板翅式
结构十分紧凑,传热效率高,流体阻力大
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
蓄热式
回旋式
盘式
传热效率高,用于高温烟气冷却等
鼓式
用于空气预热器等
固定
格室式
紧凑式
适用于低温到高温的各种条件
非紧凑式
可用于高温及腐蚀性气体场合
三、 选型需要考虑的因素
1. 热负荷(显热+潜热的变化量)
2. 流体流量的大小
3. 流体的性质
4. 流体在换热器中的温度及温度的变化
5. 流体允许的压降
6. 对清洗、维修的要求
7. 设备结构的制造与材料
8. 价格、使用安全性与寿命
9. 技术经济指标的分析
3.1 管壳式换热器的选型
3.1.1. 适用范围
①压力:允许压力从高真空~41.5MPaPmax=60MPaF5000m2
②温度:-100~1100 -270℃≤tmax1450
3.1.2. 容量大、结构简单、坚固耐用、造价低廉、用材广泛、清洗方便、适应性强
3.1.3. U形管,适用于管、壳壁面温差较大,壳程易结垢管程清洁不易结垢及高温高压、腐蚀性强的场合,即高温高压腐蚀性强的介质走管内,密封易解决。
3.2 其他特殊类型换热器 1.2
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1. 板式
~25atm
-40℃~200℃
F≤2000m2
2. 空冷器
3. 板翅式
~70atm
-150℃~100℃
F≤200m2
4. 螺旋板式
~20atm
-80℃~400℃
F≤200m2
5. 多管式
~300atm
-100℃~600℃
F≤50m2
6. 折流杆式
~300atm
-100℃~600℃
F≤5000m2
7. 蛇管式
~200atm
-260℃~600℃
F≤2000m2
8. 热管式
~6atm
-40℃~350℃
F≤2000m2
9. 单  管
套管式
~300atm
-100℃~600℃
F≤10m2
长号式
~300atm
0℃~300℃
F≤100m2
蛇管式
~300atm
-150℃~100℃
F≤10m2
10. 翅片式
空冷器
详见注释
板翅式
~70atm
-260℃~100℃铝
F≤1000m2
11. 耐腐蚀特殊材料
石墨
~7atm
≤160℃
F≤700m2
聚四氟乙烯
~5atm
≤150℃
F≤80m2
玻璃
~9atm
≤280℃
F≤25m2
注:对于大污垢系数、高粘度选12型换热器较好;对于大污垢系数、高粘度压降较大时选3较理想;对于10 翅片式空冷器选择条件:①水供应困难②水质不好,如结垢腐蚀③水热引起热污染,一般工艺出口温度较高>65℃(即>大气环境温度15~20℃),比列管式经济;工艺物料<50℃用水冷。
3.3 结构参数的选取
3.3.1. 两端封头(TEMA型号代码符合)
TEMA壳体换热器类型
3.3.2. 管、壳程数
流体在管内每通过管束一次称为一个管程,每通过壳体一次称为一个壳程。单壳程单管程换热器称1-1型换热器,两壳程四管程换热器称为2-4型换热器,如下图所示:
2-4型换热器
为提高管内流体速度:在两端封头设置适当隔板
为提高管外流体速度:在壳体内安装纵向隔板使流体多次通过壳体空间
各类换热器管程数限制 1.3
换热器类型
管程数限制
U型管式砭石能量房
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
拔出封头式
任意偶数,对于单程管,必须在浮头端加密封节;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
壳内径
最大管程数
250
4
250~510
6
510~760
8
760~1020
10
1270
12
3.3.3. 总传热系数
①有相变
②无相变
常用换热器的总传热系数(W/m2*℃)表1.4
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流股A
流股B
管壳式
板式
螺旋板
其他型式
冷却水
814.1
4652
1744.5
选板式换热器较理想
烃类
μ1cp
冷却水
581.5
1744.5
1163
考虑板式换热器或空冷器
烃类
5<μ<10cp
冷却水
290.75
1163
697.8
气体(1bar
冷却水
81.41
232.6
油墨丝印
93
a.若选用低翅片管,总传热系数可增大两倍以上。U=174.45(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小
c.为防止管子振动破坏,可选用折流杆式换热器、管窗内部排的管壳式换热器
d.如果气侧设计压力低于4.9barg),考虑用高翅片管
e.空冷式和管壳式换热器的总传热系数相当
气体(5bar
冷却水
174.45
232.6
232.6
气体(10bar
冷却水
302.38
232.6
348.9
气体(20bar
冷却水
383.8
烃类
5<μ<10cp
焊接衬垫烃类
5<μ<10cp
174.45
697.8
465.2
若在管壳式换热器中流动为层流,则使用板式换热器较为合理
气体(1bar
气体(1bar
46.52
a.热管型换热器的总传热系数462.54.9bar
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相近
c.紧凑式换热器:板翅式换热器(铝材或不锈钢)
d.高温工况:板翅式(不锈钢)蛇管式换热器(总传热系数和管式换热器相近
气体(5bar
气体(5bar
116.3
气体(10bar
气体(10bar
209.34
气体(20bar
气体(20bar
290.75
气体(1bar
烃类μ=10cp
69.78
81.41
对高粘度流体可选用螺旋式换热器
气体(5bar
烃类μ=5cp
151.2
174.45
气体(20bar
烃类μ<1
383.8
蒸汽
冷却水
1046.7
1744.5
选错流型式的螺旋板换热器
蒸汽
烃类
814.1
1395.6
选错流型式的螺旋板换热器

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