第七章热交换器的设计和选型

最全面的板式换热器知识（原理、结构、设计、选型、安装、维修）板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。

各种板片之间形成薄矩形通道，通过板片进行热量交换。

板式换热器是液—液、液—汽进行热交换的理想设备。

它具有换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占地面积小、安装清洗方便、应用广泛、使用寿命长等特点。

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板式换热器基本结构及运行原理板式换热器的型式主要有框架式（可拆卸式）和钎焊式两大类，板片形式主要有人字形波纹板、水平平直波纹板和瘤形板片三种。

钎焊换热器结构板式换热器主要结构⒈板式换热器板片和板式换热器密封垫片⒉固定压紧板⒊活动压紧板⒋夹紧螺栓⒌上导杆⒍下导杆⒎后立柱由一组板片叠放成具有通道型式的板片包。

两端分别配置带有接管的端底板。

整机由真空钎焊而成。

相邻的通道分别流动两种介质。

相邻通道之间的板片压制成波纹。

型式，以强化两种介质的热交换。

在制冷用钎焊式板式换热器中，水流道总是比制冷剂流道多一个。

图示为单边流，有些换热器做成对角流，即：Q1和Q3容纳一种介质，而Q2和Q4容纳另一种介质。

板式换热器所有备件都是螺杆和螺栓结构，便于现场拆卸和修复。

运行原理板式换热器是由带一定波纹形状的金属板片叠装而成的新型高效换热器,构造包括垫片、压紧板（活动端板、固定端板）和框架（上、下导杆，前支柱）组成，板片之间由密封垫片进行密封并导流,分隔出冷/热两个流体通道,冷/热换热介质分别在各自通道流过,与相隔的板片进行热量交换，以达到用户所需温度。

每块板片四角都有开孔，组装成板束后形成流体的分配管和汇集管，冷/热介质热量交换后，从各自的汇集管回流后循环利用。

换热原理：间壁式传热。

单流程结构：只有2块板片不传热－头尾板。

双流程结构：每一个流程有3块板片不传热。

板片和流道通常有二种波纹的板片(L 小角度和H 大角度)，这样就有三种不同的流道(L,M 和H)，如下所示：L：小角度由相邻小夹角的板片组成的通道。

热交换器的设计和优化热交换器是一种用于热量传递的设备，在化工、电力、石油、制冷等领域都被广泛应用。

热交换器的设计和优化对于提高热量传递效率、降低能耗、延长设备寿命等方面有着重要的意义。

一、热交换器的基本原理热交换器是一种能够实现两种流体之间热量传递的设备。

热交换器的基本原理是利用流体之间热量的传导和对流，实现流体之间热量的交换。

热交换器通常由两个流体管道组成，其管道之间安装着一个或多个热交换板，通过板与板之间的传导和对流来实现两种流体之间的热量传递。

二、热交换器的分类根据热交换器板式的不同，可以将热交换器分为板式、管式、壳式、螺旋式、带式等多种类型。

其中，在化工、制冷等领域最为常见的是板式热交换器和壳式热交换器。

（一）板式热交换器板式热交换器是由许多平行的金属薄板组成的，薄板之间通过密封垫片隔开，形成多个平行的流体通道。

板式热交换器的优点是结构简单、体积小、效率高，对于腐蚀性较强或高温、高压工况的应用更为广泛。

（二）壳式热交换器壳式热交换器则是由一个外壳和内管组成的，流体通过内管或外壳流过时可以进行热量传递。

壳式热交换器的优点是便于维护、适用于高压、高温的环境，但其缺点是规模较大、造价高。

三、热交换器的设计和优化是非常复杂的工程，涉及到众多技术和理论。

热交换器的设计目的是提高传热效率、降低系统整体能耗、提高设备的寿命等。

以下是热交换器设计和优化中需要注意的几个方面。

（一）热交换器的流体动力学问题热交换器中流体的流动状态对传热性能有着重要的影响。

例如，强制对流、层流对流、混合对流等不同的流动状态都会影响热交换器的传热效率。

对流状态的改变通常会伴随着流体传热系数的变化，因此热交换器设计和优化时需注意流体动力学问题的分析和处理。

（二）热交换器的材料选择热交换器的材料对于设备的性能和寿命有着较大的影响。

不同的流体对热交换器材料的要求是不同的，例如耐腐蚀、耐高温、耐磨等。

在设计热交换器时，需考虑到流体的性质和工况，选用性能符合要求的材料。

热交换器的选型和设计指南三2010-01-26 20:15:11 来源：热泵热水器技术网浏览：136次11管壳式换热器的设计要点换热器的设计过程包括计算换热面积和选型两个方面。

有关换热器的选型问题，前面已经讲过了，下面主要介绍管壳式换热器的设计要点及如何分析计算结果、调整计算，而设计出满足工艺需要的、传热效率高的换热器。

11.1设计计算的基本模型及换热器的性能参数换热器的性能主要是通过下列公式来描述的。

a.冷、热两流体间热量平衡Qreq=(WCpΔT)hot=(WCpΔT)coldW--流体质量流量Cp--流体的比热hot--热流体cold--冷流体ΔT--进出口温度差b.传热率方程Qact=(A)(ΔTm)(1/ΣR)ΣR=(1/hi)o+(1/ho)o+(Rf)o+(Rw)oΣR--总热阻A--传热面hi、ho--分别为两流体的传热膜系数Rf--两流体的污垢热阻Rw--金属壁面热阻ΔTm--平均温度差O--通常换热计算以换热管外表面为基准c.传热率的估算Qact≥Qreqd.对压力降的限制条件(ΔPi)act≤(ΔPi)allow(ΔPo)act≤(ΔPo)allowΔP--压力降下标i表示管内下标o表示管外11.2换热器的计算类型换热器的计算类型常分为设计计算和校核计算两大类。

换热器计算一般需要三大类数据：结构数据、工艺数据和物性数据，其中结构数据的选择在换热器中最为重要。

在管壳式换热器的设计中包含有一系列的选择问题，如壳体型式、管程数、管子类型、管长、管子排列、折流板型式、冷热流体流动通道方式等方面的选择。

工艺数据包括冷、热流体的流量、进出口温度、进口压力、允许压降及污垢系数等。

物性数据包括冷、热流体在进出口温度下的密度、比热容、粘度、导热系数、表面张力。

a.设计计算 Design设计计算就是通过给定的工艺条件，来确定一台未知换热器的结构参数，并使其结构最优、尺寸最小。

对设计计算应先确定下列基本的几何参数：－－管长－－管间距－－流向角－－换热管外径及管壁厚b.校核计算 Rating校核计算就是评估一台已知换热器的传热性能，即通过校核设备的几何尺寸来看其是否能满足传热要求。

化工原理课程设计换热器与泵的选型一、换热器的相关说明换热器（heat exchanger），是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。

是进行热交换操作的通用工艺设备。

被广泛应用于化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。

在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。

换热器种类很多，根据使用目的可分为冷却器、加热器、冷凝器和汽化器；根据结构材料可分为金属材料换热器和非金属材料换热器；尤其是根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。

在三类换热器中，间壁式换热器应用最多。

据统计,这类换热器占总用量的99 %。

间壁式换热器又可分为管壳式和板壳式换热器两类,其中管壳式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性,在长期的操作过程中积累了丰富的经验,其设计资料比较齐全,在许多国家都有了系列化标准。

近年来尽管管壳式换热器也受到了新型换热器的挑战,但由于管壳式热交换器具有结构简单、牢固、操作弹性大、应用材料广等优点,管壳式换热器目前仍是化工、石油和石化行业中使用的主要类型换热器,尤其在高温、高压和大型换热设备中仍占有绝对优势。

如何确定最佳的换热器,是换热器优化的问题。

2．泵的评价与选用泵的性能参数主要有流量和扬程，此外还有轴功率、转速和必需汽蚀余量。

流量是指单位时间内通过泵出口输出的液体量，一般采用体积流量；扬程是单位重量输送液体从泵入口至出口的能量增量，对于容积式泵，能量增量主要体现在压力能增加上，所以通常以压力增量代替扬程来表示。

3.设计任务书的作用本设计书对指定有机物进行冷却，如何选择合适的换热器，如何合理安排操作管路以及如何选择合适的离心泵作出详细的计算说明。

二．设计任务一．工艺要求要求将温度为78℃的某液态有机物冷却至60℃，此有机物的流量为25kg/s 。

现拟用温度为t1=15℃的冷水进行冷却。

板式换热器选型设计的基本原则目录1.板式换热器选型三大原则 (1)2.板式换热器选用主要考虑参数 (2)3.板型选择 (2)4.流程和流道的选择 (3)5.板间流速的选取 (3)6.流向的选取 (3)7.压降校核 (4)8.其它注意事项 (4)1.板式换热器选型三大原则板式换热器选型需要遵循3个原则：板型、流程和流道和压降校核。

这三个方面也是板式换热器选型最重要的部分。

第一大原则：看板型1.板型或波纹式应根据换热场合的实际需要确定。

2.对于流量大、允许压降小的情况，应选用阻力小的板型，否则，应选用阻力大的板式。

3.根据流体压力和温度，确定是选择可拆卸式换热器还是钎焊式换热器。

4.在确定板型时，不宜选择单板面积过小的板，以避免板数过多、板间流量小、传热系数低。

对于较大的换热器，这个问题更应引起重视。

第二大原则：看流程和流道流程是指板式换热器中一种介质在同一流动方向上的一组并联的流道。

流道是指板式换热器中由相邻两块板组成的介质流道。

一般是将几个流道并联或串联，形成冷热介质通道的不同组合。

应根据传热和流体阻力计算确定流程组合形式，并满足工艺条件要求。

尽量使冷、热水通道中的对流换热系数相等或接近，以获得最佳的换热效果。

第三大原则：看压降校核在板式换热器的设计选型中，一般对压降有一定的要求，因此应进行校核。

如果校验压降超过允许压降，则需要重新计算设计和选型，直至满足工艺要求。

2.板式换热器选用主要考虑参数1.冷侧介质、热侧介质热交换介质和介质的物理参数与板式换热器板和垫片材料的选择以及板波纹形状有很大关系热交换介质的物理参数包括粘度、密度、比热、导热系数等2,冷侧进出口温度，热侧进出口温度3,冷侧介质和热侧介质所需压力损失用于选择有压降损失要求的板式换热器，设计和选择时应检查压力损失，如果压降超过允许范围，应重新选择、计算和审查热交换器，直到满足工艺要求4.流量或热交换面积5.工作条件和应用领域6.产品应用区域如果板式换热器用于供暖行业，还可以提供换热区域和应用区域。

换热器的设计选型与使用能源是当前人类面临的重要问题之一,能源开发及转换利用已成为各国的重要课题,而换热器是能源利用过程中必不可少的设备,几乎一切工业领域都要使用,化工、冶金、动力、交通、航空与航天等部门应用尤为广泛。

近几年由于新技术发展和新能源开发利用,各种类型的换热器越来越受到工业界的重视,而换热器又是节能措施中较为关键的设备,因此,无论是从工业的发展,还是从能源的有效利用,换热器的合理设计、制造、选型和运行都具有非常重要的意义。

1换热器的分类1.1 直接传热式换热器一种不需传热壁面,由冷流体与热流体直接接触进行换热的操作过程的换热器,此类换热器常用于工业生产中。

1.2 间壁传热式换热器冷、热流体通过管子、板等壁面进行热量交换的传热操作过程的换热器,是最普通的也最常用的换热器,冷、热流体都是流体,可以是空气、烟气、蒸汽、水。

这是本文重点进行讨论的换热器类型。

1.3 蓄热式换热器。

系间歇传热,在废热再生器中是切实可行有效的回收废热的方式,常被用于回收燃烧气体的废热以及蒸汽等用量不均时作为调节手段。

2 几种换热器的特点及使用在实际设计选型中,往往是已知高温流体与低温流体的两侧进出口温度,在做工艺设计选型时,需要考虑的是有尽可能小的换热面积下,有尽可能大的换热速率,以及较低的设备造价及施工费。

另外,在操作运行及维护清洗较方便的前提下考虑换热器的设计选型。

传热基本方程式:Ｑ=ＵＡΔｔＫｃａｌ/ｈ;式中:Ｕ为传热系数,Ｋｃａｌ/ｍ2.ｈ.℃;Ａ为传热面积,ｍ2;Δｔ为通过两种流体边界层的平均温度。

换热器的给热系数ｈ,Ｋｃａｌ/ｍ2.ｈ.℃和流速ｕ,ｍ/ｓ有如下关系:管程给热系数ｈｔ:层流区(Ｒｅ≤2100)ｈｔ∝ｕ0.33ｔ过渡流区(2100≤Ｒｅ≤10000)ｈｔ∝ｕ0.33～0.8ｔ紊流区(Ｒｅ≥10000)ｈｔ∝ｕ0.8ｔ壳程给热系数ｈｇ:壳程流体因垂直流过管束,所以流型较乱,层流、紊流区没有明显的区别:ｈｔ∝ｕ0.55ｇ对应的压力降ΔＰ、ｋｇ/ｃｍ2,管程和壳程大体相同:层流、过渡流区ΔＰ∝ｕ1.0ｔ紊流区ΔＰ∝ｕ1.8ｔ从上式可以看出,在一定的流速下,雷诺数越大,传热系数越大,同时,压力降也越大。

化工原理课程设计-热交换器引言热交换器是化工工艺中常用的一种设备，其作用是实现热量的交换，从而实现能量的转移。

本文将从热交换器的原理、设计要点、性能评价等方面进行介绍和讨论。

一、热交换器的原理热交换器是通过两个介质之间的热传导来实现能量转移的设备。

它由一个或多个传热表面组成，介质在这些表面上相互接触，并通过传热表面之间的热传导来实现热量的传递。

根据介质的流动方式，热交换器可以分为管壳式热交换器和板式热交换器。

1.1 管壳式热交换器管壳式热交换器是目前最常用的一种热交换器。

它由一个管子和一个外壳组成，在外壳内部通过一个或多个管子，介质在管子内部流动，通过管子和外壳之间的热传导来实现热量的传递。

管壳式热交换器结构简单、可靠性高，广泛应用于化工、制冷等领域。

1.2 板式热交换器板式热交换器是近年来发展起来的一种新型热交换器。

它由一系列平行排列的波纹板组成，流体通过波纹板之间的间隙流动，通过波纹板的热传导来实现热量的传递。

板式热交换器具有传热效率高、体积小、重量轻等优点，因此在化工工艺中得到广泛应用。

二、热交换器的设计要点热交换器的设计是化工工艺中非常重要的一部分，设计的好坏直接影响到热交换器的性能。

下面将介绍热交换器设计的几个关键要点。

2.1 热传导热传导是热交换器实现热量传递的基本方式。

在设计热交换器时，需要考虑介质之间的热传导系数、传热表面的材料、传热表面的形状等因素，并通过合理的设计来提高热传导效率。

2.2 流体流动流体的流动方式对热交换器的传热效果有着重要影响。

在设计热交换器时，需要考虑流体的流动速度、流动的方式（如层流、湍流）、流体的阻力等因素，并通过合理的设计来优化流体的流动方式，提高传热效率。

2.3 温度差温度差是热交换器实现热量转移的驱动力。

在设计热交换器时，需要考虑介质之间的温度差、介质的流量、介质的性质等因素，并通过合理的设计来控制温度差，提高传热效率。

2.4 材料选择热交换器的材料选择直接影响到其耐腐蚀性、耐高温性、传热效率等性能。

热交换器设计摘要蒸汽发生器是高温气冷反应堆的主要设备之一。

高温反应堆产生的热量被氦气冷却剂吸收，在蒸汽发生器中传递给二次回路。

氦气自上而下流过发生器，水在外力作用下进入发生器并产生水蒸汽自下而上流过传热面管束。

蒸汽发生器的传热面由多头螺旋管组成。

螺旋管束有很多优点：它可以充分利用换热器的空间；没有急剧的弯曲，不会增加气或水侧的压力损耗，同时也简化了工艺，减少了焊点；对受热膨胀有很好的适应性；有很高的传热系数。

在很多工业领域中，螺旋管式热交换器都得到广泛的应用，它可适用于单相流体、蒸汽以及可压缩流体的流动。

螺旋管束可用于化学反应器、储藏罐和一些核反应发生器。

在大规模的能源动力系统中，它还可用作太阳能集电器的接受器。

多头螺旋管式换热器在换热面结构设计、传热和压降计算方面报道的文献较少。

本文从实际工程设计出发，对多头螺旋管式换热器的设计进行了研究，提出了多头螺旋管束受热面结构的设计方法，推荐了螺旋管内外的传热系数和压降的计算关系式。

根据所提出设计方法和螺旋管内外的传热系数和压降的计算关系式对260MW蒸汽发生器进行了设计计算。

关键词热交换器，传热，压降，螺旋管ABSTRACTThe steam generator is one of the important equipments in the high-temperature gas-cooled reactor. The heat generated in the high-temperature reactor and absorbed by the helium coolant is transferred the secondary circuit in steam generator. The helium flows downward through the steam generator. The water is forced into the steam generator and the resuting water/steam flow is directed upwards through the heating surface bundles.The heating surface of the steam generator is composed of several helically wound tubes(helicoils).There are a number of obvious advantages in banks of helical tubes: they permit a very good utilization of the expensive casing volume; they do not require sharp tube bends，which increase the pressure loss on the steam/water side and which also may impose manufacturing problems or may require additional welds; and finally， they exhibit high heat transfer coefficients.Many industries use helically and spirally coiled heat exchanger tubes for single-phase， evaporating， and condensing flows. Coils are used in chemical reactors， storage tanks， and on some nuclear stream generators. In a new application， a coiled tube has been proposed for the receiver of a concentrating-type solar collector in a large-scale power generation system.Referenses on design of heated surface structure、calculation of heat transfer and pressure drop for heat exchanger with multi-start helical coiled tubes are less. Design method of the heat exchanger with multi-start helical coiled tubes is researched to meet of engineering practice. The structure design of multi-start helical tubes bundle is present. The correlations to caculate heat transfer coefficient and pressure drop for the inside and out side of helical coild tubes are commended.Key Word:heat exchanger，heat transfer，pressure drop，helical coiled tubes目录摘要 (Ⅰ)Abstrct (Ⅱ)第一章绪论 (1)1.1课题的研究背景及意义 (1)1.2换热器的发展和现状 (3)1.2.1换热器概述 (3)1.2.2换热器研究工作进展 (4)1.3本课题要完成的工作 (5)第二章多头螺旋管式蒸汽发生器的设计方法 (6)2.1设计原则及基本工作原理 (6)2.2 换热面结构的设计方法 (7)2.3 设计计算步骤 (11)第三章关于设计的推荐公式 (12)3.1总传热系数 (12)3.2 管外（壳侧）放热系数h o (13)3.3.1 无变时的放热系数 (16)3.3.2有相变时的放热系数 (16)3.4.1摩擦阻力压降计算 (18)3.4.2局部阻力压降计算 (19)3.4.3重位压降计算 (20)3.4.4加速压降计算 (20)3.5管外侧压力损失 (22)3.6多值性的校验 (22)3.7管间脉动的校验 (23)3.8节流圈的选取 (26)第四章260MW高温气冷堆蒸汽发生器的设计 (27)4.1设计参数 (27)4.2结构设 (27)4.3 260MW高温气冷堆蒸汽发生器设计计算书 (28)4.4计算二次侧回路阻力 (35)4.5 计算一次侧回路阻力 (37)4.6 校核脉动 (38)4.7 校验静态水动力特性 (39)4.8 受热面螺旋管束结构参数 (39)4.9 传热系数U计算表 (40)结论 (42)致谢 (43)参考文献 (44)附录 (46)第1章绪论1.1课题的研究背景及意义当今世界，能源是一个国家国民经济发展的基础和前提，在自然资源开采日趋减少的今天，能源发展趋向于多元化。

热交换器的设计选型计算陈科;徐岚;房柯【摘要】根据工艺设计要求，热交换器需要重新计算结构尺寸和性能参数。

本文参考热交换器设计手册的计算方法，试算结构参数，分析计算结果，初选设备布置和结构尺寸，并采用换热计算软件HTFS-TASC进行校验计算，验证定型尺寸的正确性，对新热交换器的最终定型具有重要意义。

【期刊名称】《石油和化工设备》【年(卷),期】2016(019)005【总页数】4页(P40-43)【关键词】热交换器设计;选型计算;热工;水力【作者】陈科;徐岚;房柯【作者单位】中核集团中国核电工程有限公司，北京 100840;中核集团中国核电工程有限公司，北京 100840;中核集团中国核电工程有限公司，北京 100840【正文语种】中文化工、石油、动力、食品等行业中广泛使用各种热交换器，为这些行业的通用设备，占有十分重要的地位。

在化工厂中，换热设备的投资约占总投资的10%～20%；而在炼油厂中，约占总投资的35%～40%［1］。

U形管式热交换器是普遍使用的一种，由管板、壳体、管束等零部件组成。

在同样直径的条件下，U形管热交换器的换热面积最大；它结构简单、紧凑、密封性能高，检修、清洗方便，在高温、高压下金属耗用量最小、造价最低；U形管热交换器只有一块管板，热补偿性能好、承压能力较强，适用于高温、高压工况下操作。

与原工艺相比，新的工艺方法中，热流体流量增大，处于更高的温度和压力状态。

在管、壳壁温差较大，工况变化较多的条件下，还要保证严格的密封要求，不宜采用浮头式热交换器和固定管板式热交换器，采用U形管热交换器则可避免以上问题。

本文根据换热器设计手册［2］分别计算了新旧热交换器的热工水力性能，试算部分结构参数，分析其中的影响因素。

采用换热计算软件HTFSTASC进行校验计算，力求得出合理的设计结果。

1.1 工艺参数实际设计中，热流体走管程，冷流体走壳程，热交换器工况参数的对比详见表1。

其中在升温末期工况，热流体流量和热负荷均为最大，因此本文中仅计算校核升温末期的这种工况。