换热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 ....................................................................................................................................................... 1

2 换热器的分类及结构特点。 ............................................................................................................... 1

3 换热器的类型选择 ............................................................................................................................... 2

4 无相变物流换热器的选择 ................................................................................................................. 11

5 冷凝器的选择 ..................................................................................................................................... 13

6 蒸发器的选择 ..................................................................................................................................... 14

7 换热器的合理压力降 ......................................................................................................................... 17

8 工艺条件中温度的选用 ..................................................................................................................... 18

9 管壳式换热器接管位置的选取 ......................................................................................................... 19

10 结构参数的选取 ............................................................................................................................... 19

11 管壳式换热器的设计要点 ............................................................................................................... 23

12 空冷器的设计要点 ........................................................................................................................... 32

13 空冷器设计基础数据 ....................................................................................................................... 35 热交换器的选型和设计指南

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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。

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

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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

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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

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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

Temperature

t(°C) 压力(最大)

Pressure

(kgf/cm2) 材 料

Material 特 点 和 应 用

Features and Application

1．管 壳 式 换 热 器

管壳式

(标准型)

S&T ≤5000 -270≤t≤1650 600 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

rod baffle ≤5000 -100≤t≤600 300 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≤600 300 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

coiled tube

≤2000 -260≤t≤600 200 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在高温的气 气换热时，可采用不锈钢材料。

2．单 管 式 换 热 器