換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)

1、分類(lèi)分類(lèi): 按用途按用途-加熱器、冷卻器、冷凝器、再沸器、蒸發(fā)器等。 按冷熱流體熱量交換的原理和方式按冷熱流體熱量交換的原理和方式 直接接觸式：直接接觸式：冷、熱直接混合。 蓄熱式：蓄熱式： 4.7 換熱器換熱器 間壁式：間壁式：冷、熱兩流體由固體壁隔開(kāi)，不直接接觸 熱 流 體 冷 流 體 th tc th, w tc, w 流體通過(guò)間壁的熱交換 冷流體熱流體 熱流體 冷流體 蓄熱式換熱器示意圖 4.7.1 間壁式換熱器的類(lèi)型間壁式換熱器的類(lèi)型 (1) 夾套式換熱器夾套式換熱器 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：在容器外壁安裝夾 套制成。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：傳熱面受容器壁面 限制，傳熱系數(shù)小。 應(yīng)用

2、范圍：應(yīng)用范圍：主要用于反應(yīng) 過(guò)程的加熱或冷卻。 強(qiáng)化傳熱方法：強(qiáng)化傳熱方法： 釜內(nèi)安 裝攪拌器， 加螺旋隔板， 在釜內(nèi)安裝蛇管。 加熱蒸汽 釜 冷凝水 物料 物料 攪拌器 夾 套 式 換 熱 器 (2) 沉浸式蛇管換熱器沉浸式蛇管換熱器 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：將金屬管子繞成各種形狀，沉浸在液體中。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于防腐，能承受高壓。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：管外流體的湍流程度低，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較小。管 內(nèi)易除垢。 強(qiáng)化傳熱方法：強(qiáng)化傳熱方法：可安裝攪拌器。 蛇 管 的 形 狀 (3) 噴淋式換熱器噴淋式換熱器 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：將換熱管成排地固定于支架上，熱流體在管內(nèi)流動(dòng)， 冷卻水由管上方的噴淋。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：湍

3、流程度高，傳熱效果好；冷卻水在噴林中氣化，攜 帶熱量，降低冷卻水溫度；便于檢修和清洗。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：噴淋不易均勻，雜質(zhì)易進(jìn)入冷卻水。 應(yīng)用范圍：應(yīng)用范圍：多用于冷卻管內(nèi)的熱流體。 直管水槽 噴 淋 式 冷 卻 器 （4）套管式換熱器）套管式換熱器 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：將兩種直徑大小不同的直管裝成同心套管，并可用U 形肘管把管段串聯(lián)起來(lái)，每一段直管稱(chēng)作一程。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大；逆流流動(dòng)，平均溫差最大；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單；能承受高壓。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：占地面極大；耗材量大；易泄漏。 應(yīng)用范圍：應(yīng)用范圍：流量不大，粘度較大，傳熱面積不多，壓強(qiáng)較高 外 管 內(nèi) 管 套 管 式 換 熱 器 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：殼體、管束

4、、管板、折流擋板和封頭。 一種流體在管內(nèi)流動(dòng)， 其行程稱(chēng)為管程；另一種流體在管外流動(dòng)，其行程稱(chēng)為殼程。管束的壁面 即為傳熱面。 （5）管殼式換熱器）管殼式換熱器 又稱(chēng)為列管式換熱器，是最典型的間壁式換熱器。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 單位體積設(shè)備所 能提供的傳熱面 積大， 傳熱效果好， 結(jié)構(gòu)堅(jiān)固， 可選用的結(jié)構(gòu)材 料范圍寬廣， 操作彈性大， 單程：?jiǎn)纬蹋?多程：多程： 多管程：多管程：封頭內(nèi)設(shè)置分程隔板 單管程多管程。 多殼程：多殼程： 相當(dāng)于單殼程串聯(lián)，傳熱面積。 雙管程固定管板換熱器 單雙 SS 2 1 ndS 2 i 4 單 LndAA o 單雙 流通截面積：流通截面積： 傳熱面積：傳熱面積： 說(shuō)明

5、：說(shuō)明：管程數(shù)，流通截面積，管內(nèi)流速，hi ，強(qiáng)化傳熱。 安裝：安裝：上下安裝，常用； 左右安裝，排液不暢時(shí)采用。 常用形式常用形式：弓形，圓盤(pán)形。 折流擋板折流擋板 作用：作用：提高殼程流體湍動(dòng)程度(Re100 湍流)，ho，強(qiáng)化傳熱。 沖刷沉積物，減小污垢熱阻； 對(duì)殼體起支撐作用。 代價(jià)：代價(jià)：殼體阻力，系統(tǒng)動(dòng)力消耗。 弓形弓形 圓盤(pán)形圓盤(pán)形 a）固定管板式換熱器固定管板式換熱器 適用：適用： * 殼程流體不易結(jié)垢或容易化學(xué)清洗； * 殼體與傳熱管壁溫度之差小于50C，否則加膨脹節(jié)。 局限：局限： 管、殼溫度不同，產(chǎn)生熱應(yīng)力，當(dāng)當(dāng)t50時(shí)，管彎 曲、斷裂或管板變形。 殼程不易機(jī)械清洗； 優(yōu)

6、點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：* 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低； 固定管板式固定管板式 浮頭式浮頭式 U形管式形管式 帶膨脹節(jié)的固定管板換熱器 特點(diǎn)：特點(diǎn)：消除了溫差應(yīng)力、便于清洗和檢修； 結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高； 適用：適用：應(yīng)用廣泛。 b）浮頭式換熱器）浮頭式換熱器 一端可以沿軸向自由浮動(dòng) c）U形管式換熱器形管式換熱器 特點(diǎn)：特點(diǎn)：具有溫度補(bǔ)償作用； 管程不易清洗。 適用：適用：可用于高溫高壓，適用于管程為潔凈而不易結(jié)垢的流體。 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu): 4.7.2 列管式換熱器的設(shè)計(jì)和選用列管式換熱器的設(shè)計(jì)和選用 流體有結(jié)垢 管程 腐蝕性 管程 壓力高的高低 管程 飽和蒸汽 ，需要冷卻的流體 殼程 流量小而粘度大的流體 殼程 表面?zhèn)鳠嵯?/p>

7、數(shù)大的流體 殼程 一 般 經(jīng) 驗(yàn) 原 則 (a)選擇流程選擇流程:哪一個(gè)物流走管程，哪一個(gè)物流走殼程 （1）列管式換熱器設(shè)計(jì)和選用應(yīng)考慮的問(wèn)題）列管式換熱器設(shè)計(jì)和選用應(yīng)考慮的問(wèn)題 (b) 流速的選擇流速的選擇 流速，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，污垢熱阻，流體阻力； 流速，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，污垢熱阻，流體阻力。 管程和殼程都需要選擇適宜的流速 一般流體 0.53 0.21.5 易結(jié)垢液體 1 0.5 氣體 530 315 對(duì)于液體，一般粘度越大，要求流速越大 管程 殼程 (c) 流動(dòng)方式的選擇流動(dòng)方式的選擇 對(duì)于同樣的進(jìn)、出口條件，傳熱量相同， A逆A并； 管程 或殼程，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，但同時(shí)流動(dòng)阻力， tm ，應(yīng)

8、權(quán)衡確定。 200 100 60 160 單管程逆流 多管程 200 100 160 60 110 200 100 160 60110 (d) 換熱管規(guī)格和排列的選擇 換熱管規(guī)格： 等，5 . 2382252195 . 225 1.5m、2m、3m、4.5m、6m、9m 64 D L 一般情況下： 換熱管規(guī)格越小換熱管規(guī)格越小 單位體積傳熱面積越大 容易結(jié)垢、賭塞， 阻力大， 制造、檢修不便 管長(zhǎng)選?。河欣谇逑春瓦x材 管子在管板上的排列： 正三角形排列正方形排列 正方形排列 正三角形排列、正方形排列兩種 正三角形排列優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊 管外湍流程度高，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大 正方角形排列優(yōu)點(diǎn)： 易于檢修

9、、清洗 (e) 折流擋板 可大幅度提高管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 圓缺形折流擋板的缺口大小的選擇 考察折流板的參數(shù)：形式、缺口大小、折流板間距 擋板間距：一般取殼體內(nèi)徑的0.21.0倍 圓缺形折流擋板的間距的選擇 間距太大，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)下降， 間距太小，阻力增大，不便制造、檢修 我國(guó)系列標(biāo)準(zhǔn)： 固定管板：100、150、200、300、450、600、700 浮頭式：100、150、200、250、300、350、450、600 （2）流體通過(guò)換熱器時(shí)阻力的計(jì)算）流體通過(guò)換熱器時(shí)阻力的計(jì)算 管程阻力 pstrit )(NNFppp管程總阻力： 2 2 i u d l p 每程直管阻力： 2 3 2 r

10、u p 每程回彎阻力： 5 . 1219 4 . 15 . 225 t t F F Ft 結(jié)構(gòu)校正系數(shù)， 3 Pt Np 說(shuō)明： 殼程阻力殼程阻力 對(duì)于殼程阻力的計(jì)算，由于流動(dòng)狀態(tài)比較復(fù)雜，計(jì)算公式多， 計(jì)算結(jié)果相差較大。 埃索法：埃索法： ssipos )(NFppp殼程總阻力： 2 1 2 o TCoo u NNFfp B ）（管束阻力： 2 2 5 . 3 2 o p i u D B Np B ）（折流板缺口阻力： 3 o ) 1 ( B p 說(shuō)明： （3）管殼式換熱器的設(shè)計(jì)和選用的計(jì)算步驟）管殼式換熱器的設(shè)計(jì)和選用的計(jì)算步驟 任務(wù)任務(wù)： 已知某物流流量、初始溫度加熱（或者冷卻）至某一溫

11、度， 需要：需要：確定加熱（或者冷卻）物流和換熱設(shè)備 A 選擇匹配物流：選擇匹配物流： 根據(jù)工藝物流的初始溫度、目標(biāo)溫度和熱負(fù)荷 優(yōu)先選擇工藝物流 盡量選擇低品位的公用工程 熱量恒算方程 算出熱負(fù)荷、匹配物流的目標(biāo)溫度或者流量 A 選擇匹配物流：選擇匹配物流： C 算出平均傳熱溫差算出平均傳熱溫差 B 選擇流程選擇流程 D 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)總傳熱系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)總傳熱系數(shù)K估估 m tKA計(jì)算傳熱面積A估 E 選取管程適宜管徑、流速，根據(jù)選取管程適宜管徑、流速，根據(jù)A估， 確定管數(shù)、管長(zhǎng)及管程數(shù)確定管數(shù)、管長(zhǎng)及管程數(shù)。 ud V n i s 2 4 0 dn A L s p l L NP F 確定

12、管子排列方式，選取管心距，計(jì)算殼體內(nèi)徑確定管子排列方式，選取管心距，計(jì)算殼體內(nèi)徑 0 )32() 1(dbtD T Nb1 . 1 T Nb19. 1 正方形排列 正三角形排列 殼徑的圓整 以400為基數(shù)，100或者50為進(jìn)級(jí)檔 G 選取折流板選取折流板 圓缺通常取25% 確定折流板間距，計(jì)算折流板數(shù) H 選取進(jìn)出口接管直徑選取進(jìn)出口接管直徑 I 計(jì)算管、殼程阻力計(jì)算管、殼程阻力 計(jì)算管、殼程流速和阻力，判斷是否合理。 J 核算熱流量核算熱流量 求出總傳系數(shù)K計(jì)，并與估算時(shí)所取用的傳熱系數(shù)K估進(jìn)行比較。 如果相差較多，應(yīng)重新估算。 o do m o i o di i o i 111 h R d

13、 db d d R d d hK 一般應(yīng)使裕度為20%左右。 %100 o oP A AA H 裕度的計(jì)算式為： 計(jì)算傳熱面積并求裕度計(jì)算傳熱面積并求裕度 計(jì)算示例 4.7.3 換熱器的傳熱強(qiáng)化途徑換熱器的傳熱強(qiáng)化途徑 m tKA 強(qiáng)化方法：強(qiáng)化方法：提高K、A或tm 目的：目的：傳熱面積 ，使設(shè)備費(fèi)用降低。 （1）提高）提高K值值 o do m o i o di i o io 111 h R d db d d R d d hK 降低污垢熱阻； 提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) * 若hiho，提高h(yuǎn)小(hi)的一側(cè)； * 兩側(cè)h相近，應(yīng)同時(shí)提高兩側(cè)流體的h。 提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的方法的方法

14、無(wú)相變傳熱無(wú)相變傳熱 a）提高管內(nèi)流速提高管內(nèi)流速 2 . 0 i 8 . 0 i dCuh 2 . 0 ii 8 . 0 i dhuh， 8 . 0 ioi uhKhh，則如果 n p c ud d h 8 . 0 i i i 023. 0 代價(jià)代價(jià)：流動(dòng)阻力，動(dòng)力消耗，操作費(fèi)用。 經(jīng)濟(jì)優(yōu)化經(jīng)濟(jì)優(yōu)化：選擇適宜流速，使總費(fèi)用最低。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：總傳熱系數(shù)，傳熱面積，設(shè)備投資費(fèi) 流速流速 非工藝物流：非工藝物流：流量 工藝物流：工藝物流：流通截面積 殼程：殼程：折流擋板數(shù)目 管程：管程：?jiǎn)喂艹屉p(多)管程 b）制造人工粗造表面）制造人工粗造表面 促進(jìn)邊界層分離，減薄層流底層，強(qiáng)化傳熱。 c）加設(shè)

15、擾流元件）加設(shè)擾流元件 管內(nèi)裝入麻花鐵、螺旋圈或金屬絲片； 增強(qiáng)湍動(dòng)，破壞層流底層。 有相變傳熱有相變傳熱 冷凝冷凝 ：1）采用滴狀冷凝， 2）及時(shí)排放不冷凝氣體， 3）氣、液流向一致 ， 4）合理布置冷凝面， 5）利用表面張力 （溝槽 ，金屬絲）。 沸騰沸騰： 1）保持核狀沸騰， 2）制造人工表面，增加汽化核心數(shù)。 （2）提高傳熱推動(dòng)力）提高傳熱推動(dòng)力 限制：限制：兩側(cè)均為工藝物流時(shí)，溫度不能任意改動(dòng)。 適用適用：一側(cè)為公用工程物流(加熱蒸汽、冷凝水)時(shí)， 其進(jìn)口溫度可調(diào)。 例：例：提高冷卻水用量 tc2， tm 提高加熱蒸氣壓力 p ，ts ， tm 蒸發(fā)、閃蒸 p ，ts ， tm （3

16、）增加傳熱面積）增加傳熱面積 改善傳熱表面，增加單位體積設(shè)備的傳熱面積。 如采用： 不同異形管 ； 開(kāi)槽及加翅片 ； 折流形式； 多孔、高效傳熱面。 波紋管式傳熱管 縱向翅片管 橫向翅片管 螺旋槽紋管 縮放管 翅 片 管 的 截 面 管殼式換熱器的缺點(diǎn) 流通截面積相同的情況下，圓形通道表面積最小， 即相同流速下，圓管表面積最小 圓管之間不能緊密排列，單位體積換熱器的傳 熱面小，材料消耗大。 4.7.4 其他類(lèi)型換熱器其他類(lèi)型換熱器 （1）各種板式換熱器）各種板式換熱器 板式換熱器板式換熱器 板式換熱器的板片和板面波紋形狀 板式換熱器流向示意圖 高效緊湊的換熱設(shè)備 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 允許操作壓力、操

17、作溫度比較低 處理量不大 易滲漏 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 板間流動(dòng)湍流程度高，板片厚度薄，傳熱系數(shù)大 板間縫隙小、結(jié)構(gòu)緊湊、單位容積提供的傳熱面積大2501000 （圓管40150） 、金屬材料消耗量低 具有可拆卸結(jié)構(gòu)，操作靈活性大、加工容易、檢修清洗方便。 螺旋板式換熱器螺旋板式換熱器 板殼式換熱器板殼式換熱器 與列管式換熱器的區(qū)別：板束管束 板殼式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：傳熱系數(shù)大、結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固，能承受很高的溫度和壓力。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：制造工藝復(fù)雜、焊接要求高。 （2）空氣冷卻器）空氣冷卻器 適用：適用：適用于缺水地區(qū)。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：裝置比較龐大、占空間多、動(dòng)力消耗大。 臥 式 空 冷 器 物料入口 物料出口 空 氣 空 氣 翅片 （3）熱