换热器设计手册

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1、分类: 按用途-加热器、冷却器、冷凝器、再沸器、蒸发器等。 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,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。,(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

2、数较小。管内易除垢。 强化传热方法：可安装搅拌器。,(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。,（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

3、, 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。,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：

4、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50C，否则加膨胀节。,局限： 管、壳温度不同，产生热应力，当t50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,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。

5、 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 0.53 0.21.5 易结垢液体 1 0.5 气体 530 315,对于液体，一般粘度越大，要求流速越大,

6、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。,200,100,60,160,单管程逆流,多管程,200,100,160,60,110,200,100,160,60,110,(d) 换热管规格和排列的选择换热管规格：,1.5m、2m、3m、4.5m、6m、9m,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

7、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0.21.0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, 管程阻力, 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：,（3）管壳式换热器的

8、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

9、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。,裕度的计算式为：, 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,强化方法：提高K、A或tm目的：传热面积 ，使设备费用降低。 （1）提高K值, 降低污垢热阻； 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,代价

10、：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

11、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， tm提高加热蒸气压力 p ，ts ， tm蒸发、闪蒸 p ，ts ， tm,（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。,纵向翅片管,横向翅片管,螺旋槽纹管,缩放管,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, 板式换热器,板式换热

12、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2501000（圆管40150） 、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。, 螺旋板式换热器, 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。,（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。,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,