设备选型—换热器

一、换热器类型的选取

1．换热器分类：

（1）按照使用目的分类：冷却器、加热器、再沸器、冷凝器等；

（2）按照结构分类：管壳式、板式、管式等。

2．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、制造条件、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．管壳式换热器

管壳式换热器的应用范围很广，适应性很强，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。以下内容均用于管壳式换热器

二、工艺条件的选定

1．压降

较高的压降值导致较高的流速，因此会导致较小的设备和较少的投资，但运行费用会增高，较低的允许压降值则与此相反。所以，应该在投资和运行费用之间进行一个经济技术比较。换热器的压降可以参考相关的经验数据。

允许压降必须尽可能加以利用，如果计算压降与允许压降有实质差别，则必须尝试改变设计参数。

在设计中要充分利用允许压降用；而增加一点压降会增加很大的经济性，则应再

行设计并考虑增加允许压降的可能性。

2．流速

一般来说流体流速在允许压降范围内应尽量选高一些，以便获得较大的换热系数和较小污垢沉积，但流速过大会造成腐蚀并发生管子振动，而流速过小则管内易结垢。可以参考相关的经验数据。

3．温度（1）冷却水的出口温度不宜高于60°C，以免结垢严重。高温端的温差不应小于20°C，低温端的温差不应小于5°C。当在两工艺物流之间进行换热时，低温端的温差不应小于20°C。

（2）当在采用多管程、单壳程的管壳式换热器，并用水作为冷却剂时，冷却水的出口温度不应高于工艺物流的出口温度。

（3）在冷却或者冷凝工艺物流时，冷却剂的入口温度应高于工艺物流中易结冻组分的冰点，一般高5°C。

（5）当冷凝带有惰性气体的工艺物料时，冷却剂的出口温度应低于工艺物料的露点，一般低5°C。

（6）为防止天然气、凝析气产生水合物，堵塞换热管，被加热工艺物料出口温度必须高于其水合物露点(或冰点)，一般高5 ~10°C。

4．物流管壳程介质的安排建议遵循下列原则：

（1）介质流向的选择

被加热或被蒸发的流体，不论是在管侧或壳侧，应从下向上流动；

被冷凝的流体，不论是在管侧或壳侧，应从上向下流动；

（2）管壳程介质的选择

管程：一般是温度、压力较高，腐蚀性较强，比较脏，易结垢，对压力将有特定要求，容易析出结晶的物流等。

壳程：一般是粘性较大，流量较小，给热系数较小的物流等。

物料性能参数，不一定恰好都适合管程或者壳程的要求，最后的安排，应按关键因素或者主要参数综合评价确定。

三．结构参数的选取

1．总体设计尺寸细长型的换热器比短粗型要经济，通常情况下管长和壳径之比为5 ~10，但有时根据实际需要，长、径之比可增到15或20，但不常见。可以参考标准换热器尺寸。

2．换热管（1）管型

常见的有换热管为光管、翅片管。

（2）管长

管长的选取是受到两方面因素限制的，一个是材料费用，另一个是可用性。无相

变换热时，管子较长则传热系数也增加，在相同传热面积时，采用长管较好，一是可减少管程数，二是可减少压力降，三是每平方米传热面的比价低。但是管子过长给制造带来困难，也会增加管束的抽出空间。因此，换热管的长度一般控制在9m以内。

（3）管径和壁厚

管径愈小换热器愈紧凑、愈便宜。但是管径愈小换热器的压降将增加，为了满足允许的压降，一般推荐选用19mm的管子。对于易结垢的物料，为了清洗方便，采用外径为25mm的管子。对于有气－液两相流的工艺物流，一般选用较大的管径，例如再沸器、锅炉，多采用32mm的管径。

（4）换热管排列方式

正三角形排列：接凑度高，相同管板面积上可排管数多，壳程流体扰动性好，有较高的传热/压降性能比，故应用较广，但壳程不便于机械清洗。

正方形排列：流动压降小，易于机械清洗。

转角三角形排列：性能介于正三角形和正方形排列之间。

此外还有转角正方形，同心圆排列方式等。

3.折流板

折流板可以改变壳程流体的方向，使其垂直于管束流动，增加流体速度，以增强传热；同时起支撑管束、防止管束振动和管子弯曲的作用。

●折流板型式

折流板的型式有圆缺形、环盘形和孔流形等。通常为圆缺形折流板，并可分为单圆缺形、双圆缺形和三圆缺形。

折流板圆缺位置

水平型折流板适用于无相变的对流传热，防止壳程流体平行于管束流动，减少壳程底部液体沉积。而在带有悬浮物或结垢严重的流体所使用的卧式冷凝器、换热器中，一般采用垂直型折流板。

●折流板圆缺高度

折流板大小用缺口分数（缺口高度/公称直径）表示。最常用的为单圆缺型（也称单弓形）。单圆缺型折流板的开口高度为直径的10 ~ 45％，双圆缺型折流板的开口高度为直径的15 ~ 25％。

●折流板间距

折流板的间距影响到壳程物流的流向和流速，从而影响到传热效率。最小的折流板间距为壳体直径的1/5并大于50mm。然而，对特殊的设计考虑可以取较小的间距。由于折流板有支撑管子的作用，所以，通常最大折流板间距为壳体直径的1/2并不大于TEMA规定的最大无支撑直管跨距的0.8倍。

换热器中折流板的布置对设计计算有很大影响，一般从下面几各方面来检查原设计是否合理：