换热器选型和设计

换热器选型和设计

1 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。

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。

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。

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

特殊型式的换热管

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。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。

从上表中可以看出在换热器选型时，我们应同时考虑是否选用特殊型式的换热器和采用什么样的换热管为好。当然，我们通常一般首先考虑选用管壳式换热器。另外，认真研究技术规定中的设计要求也是很必要的，而后再选取能最好发挥其特点的合适的换热器。

管壳式换热器封头和管程数的选取

因管壳式换热器最为常用，下表3－5中给出了其封头选取的一般要求，表3－6，3－7中给出了换热器的管程数限制值。

表3－5 TEMA 端部型式的选取

(1)C：化学清洗；M：机械清洗，包括高压水力喷射清洗。

(2)A：当管侧或壳侧腐蚀裕度为3.0mm时，首选封头型式。

(3)B：常用的、较为经济的封头型式。

(4)只用于管内侧可用高压水喷射清洗的冷却水系统。

(5)一般使用S形型头，除非有特殊要求时选T型封头。

(6)当壳侧污垢系数≤0.00035时,可以使用不可拆端盖。

(7)当壳侧污垢系数≤0.00035并且管侧可用高压水喷射清洗时，T型封头

可使用不可拆端盖。

(8)B或C：常用型式，比A型经济。

(9)M或N：常用型式，比L型经济。

(10)L：当管侧腐蚀裕度为3.0mm时，首选封头型式。

据不同的工艺条件来安排物流

下表从不同的工艺条件出发给出了换热器的一般选型准则。从换热器经济设计的角度考虑，对管、壳式换热器应首先着重考虑物流的安排问题，如果两流体温度交叉(即：高温流体的出口温度低于冷流体的出口温度)，应考虑选流动型式为逆流的换热器。尽管对管壳式换热器可以选F型壳体，但因纵向隔板间会发生热量和流体泄漏，因此多数情况下不推荐使用此种型式的壳体。

在许多工业过程中，产生的大量热量需要通过冷却系统来排出。过去经常以水作为冷却剂。随着工业的发展，冷却水需求量急剧增加，引起供水困难，因而发展了空气冷却。对一个化工系统，一般包括有水冷系统和空冷系统，或者是这两者的组合系统。当来自冷却器或冷凝器的工艺流体的出口温度较高时，应该考虑选择空气冷却器。通常空冷器比其它类型的换热

器经济，设备回收期短，当工艺流体的出口温度高于大气环境温度15°C ~20°C或更高时，选择空冷器比较理想。当然对空冷器需做包括结构价格、耗电等因素等在内的综合费用分析。而使用水冷系统时也应考虑包括供水、处理、循环使用及废水处理等费用。根据技术经济比较，在气候适宜的地方，当工艺物料的最低温度大于65°C，选用空冷最为合适；而当工艺物料的最低温度小于50°C，则宜用水冷；在这两温度之间，则应作详细的经济分析，以确定用何种型式。一般来说，当工艺流体温度较低时，使用空冷器和管壳式水冷器的混合系统比较合理，通常高于60°C的部分热量用空冷器取走，其余部分热量用水冷器取走。 3.7.1 选用空冷器的原则

1) 冷却水供应困难，水冷的运行费用过高；

2) 水冷引起结垢和腐蚀严重;

3) 水冷引起环境污染，特别是化工厂，将热水排入环境的热污染也应注意。

3.7.2 符合下列条件时，选用空冷更为有利:

1) 空气进口温度设计值< 38°C

2) 热流体出口温度与空气进口温度之差> 15°C

3) 有效对数平均温差≥40°C

4) 热流体凝固温度< 0°C

5) 热流体出口温度的允许波动范围≥± 3 ~ 5°C

6) 管侧允许压力降> 10kpa

7) 管内介质的传热膜系数< 2300w/m2.K

8) 冷却水污垢系数> 0.0002m2.°C/W

4 无相变物流换热器的选择

无相变流动的换热器应遵循表3－8 中的通用规则。

在大多数情况下，单相流动可以选用特殊型式的换热器，这些换热器可以达到节省设备结构造价和降低能耗的目的。在设备选型时可参考下表中不同类型换热器的传热系数值。