分类及结构特点
(1)间壁式换热器(冷热流体不允许混合的场合各种管式和板式换热)
(2)直接接触式换热器(凉水塔、洗涤塔、文氏管、喷射冷凝器)
(3)蓄热式换热器
(4)中间载热体式换热器
2.按用途分类
(1)加热器
(2)预热器
(3)过热器
(4)蒸发器
(5)再沸器
(6) 冷却器
(7)冷凝器
3.按换热器传热面形状和结构分类
(1)管式换热器
(2) 板式换热器
(3)特殊形式换热器
4.按换热器所用材料分类
(1)金属材料换热器
(2)非金属材料换热器
各换热器的特点如下表所示:
管式 | 管壳式 | 固定管板式 | 刚性结构:用于管壳温差较小的情况(≤50℃)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, | ||
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:管间容易泄漏,不宜处理易挥发、易爆易燃及压力较高的场合 | ||
内填料函:密封性能差,只能用于压差较小的场合 | |||
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,用于传热面积较小的冷却器、冷凝器也预热器 | ||
螺旋盘
管式 |
浸没式 | 用于管内流体的冷却、冷凝,或者管外流体的加热 | |
喷淋式 | 只用于管内流体的冷却或冷凝 | ||
板式 | 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 | ||
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,可抽出清洗检查,压力不能太高 | ||
扩展
表面式 |
板翅式 | 结构十分紧凑,传热效率高,流体阻力大 | |
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 | ||
蓄热式 | 回旋式 | 盘式 | 传热效率高,用于高温烟气冷却等 |
鼓式 | 用于空气预热器等 | ||
固定
格室式 |
紧凑式 | 适用于低温到高温的各种条件 | |
非紧凑式 | 可用于高温及腐蚀性气体场合 |
选型需要考虑的因素
2.流体流量的大小
3.流体的性质
4.流体在换热器中的温度及温度的变化
5.流体允许的压降
6.对清洗、维修的要求
7.设备结构的制造与材料
8.价格、使用安全性与寿命
9.技术经济指标的分析
管壳式换热器的选型
①压力:允许压力从高真空~41.5MPa,Pmax=60MPa,F≤5000m2
②温度:-100℃~1100℃ (-270℃≤tmax≤1450)
2.容量大、结构简单、坚固耐用、造价低廉、用材广泛、清洗方便、适应性强
3.U形管,适用于管、壳壁面温差较大,壳程易结垢管程清洁不易结垢及高温高压、腐蚀性强的场合,即高温高压腐蚀性强的介质走管内,密封易解决。
4.其他特殊类型换热器如下表
1. 板式 | ~25atm | -40℃~200℃ | F≤2000m2 | |
2. 空冷器 | ||||
3. 板翅式 | ~70atm | -150℃~100℃ | F≤200m2 | |
4. 螺旋板式 | ~20atm | -80℃~400℃ | F≤200m2 | |
5. 多管式 | ~300atm | -100℃~600℃ | F≤50m2 | |
6. 折流杆式 | ~300atm | -100℃~600℃ | F≤5000m2 | |
7. 蛇管式 | ~200atm | -260℃~600℃ | F≤2000m2 | |
8. 热管式 | ~6atm | -40℃~350℃ | F≤2000m2 | |
9. 单 管
式 |
套管式 | ~300atm | -100℃~600℃ | F≤10m2 |
长号式 | ~300atm | 0℃~300℃ | F≤100m2 | |
蛇管式 | ~300atm | -150℃~100℃ | F≤10m2 | |
10. 翅片式 | 空冷器 | 详见注释 | ||
板翅式 | ~70atm | -260℃~100℃铝 | F≤1000m2 | |
11. 耐腐蚀特殊材料 | 石墨 | ~7atm | ≤160℃ | F≤700m2 |
聚四氟乙烯 | ~5atm | ≤150℃ | F≤80m2 | |
玻璃 | ~9atm | ≤280℃ | F≤25m2 |
对于大污垢系数、高粘度选1或2型换热器较好;对于大污垢系数、高粘度压降较大时选3较理想;
对于10翅片式空冷器选择条件:
①水供应困难
②水质不好,如结垢腐蚀
③水热引起热污染,一般工艺出口温度较高>65℃(即>大气环境温度15~20℃),比列管式经济;工艺物料<50℃用水冷。
总传热系数
②无相变
常用换热器的总传热系数(W/m2*℃)如下表
流股A | 流股B | 管壳式 | 板式 | 螺旋板 | 其他型式 |
水 | 冷却水 | 814.1 | 4652 | 1744.5 | 选板式换热器较理想 |
烃类
μ<1cp |
冷却水 | 581.5 | 1744.5 | 1163 | 考虑板式换热器或空冷器 |
烃类
5<μ<10cp |
冷却水 | 290.75 | 1163 | 697.8 | |
气体(1bar) | 冷却水 | 81.41 | 232.6 | 93 | a.若选用低翅片管,总传热系数可增大两倍以上。U=174.45(1bar)
b.折流杆式换热器的压力损失小,另外,X型壳体和螺旋板式的压力损失也小 c.为防止管子振动破坏,可选用折流杆式换热器、管窗内部排的管壳式换热器 d.如果气侧设计压力低于4.9bar(g),考虑用高翅片管 e.空冷式和管壳式换热器的总传热系数相当 |
气体(5bar) | 冷却水 | 174.45 | 232.6 | 232.6 | |
气体(10bar) | 冷却水 | 302.38 | 232.6 | 348.9 | |
气体(20bar) | 冷却水 | 383.8 | |||
烃类
5<μ<10cp |
烃类
5<μ<10cp |
174.45 | 697.8 | 465.2 | 若在管壳式换热器中流动为层流,则使用板式换热器较为合理 |
气体(1bar) | 气体(1bar) | 46.52 | a.热管型换热器的总传热系数462.5(4.9bar)
b.低压降型式 的换热器:折流杆式、X型壳体这两种型式的总传热系数相近 c.紧凑式换热器:板翅式换热器(铝材或不锈钢) d.高温工况:板翅式(不锈钢)蛇管式换热器(总传热系数和管式换热器相近 |
||
气体(5bar) | 气体(5bar) | 116.3 | |||
气体(10bar) | 气体(10bar) | 209.34 | |||
气体(20bar) | 气体(20bar) | 290.75 | |||
气体(1bar) | 烃类μ=10cp | 69.78 | 81.41 | 对高粘度流体可选用螺旋式换热器 | |
气体(5bar) | 烃类μ=5cp | 151.2 | 174.45 | ||
气体(20bar) | 烃类μ<1 | 383.8 | |||
蒸汽 | 冷却水 | 1046.7 | 1744.5 | 选错流型式的螺旋板换热器 | |
蒸汽 | 烃类 | 814.1 | 1395.6 | 选错流型式的螺旋板换热器 |
管、壳程数
2-4型换热器
为提高管内流体速度:在两端封头设置适当隔板
为提高管外流体速度:在壳体内安装纵向隔板使流体多次通过壳体空间
各类换热器管程数限制如下表
换热器类型 | 管程数限制 |
U型管式 | 任意偶数,分程隔板只装在换热器前端 |
固定管板式 | 任意数,前、后两端均有分程隔板 |
拔出封头式 | 任意偶数,对于单程管,必须在浮头端加密封节;一般不用于单管程换热器 |
带外密封套环的浮头式 | 单管程或双管程,因为尾部没有分程隔板 |
带双开卡环的浮头式 | 任意偶数,单管程时浮头端要加装密封节 |
带填料函的浮头式 | 任意数 |
壳内径 | 最大管程数 |
<250 | 4 |
250~510 | 6 |
510~760 | 8 |
760~1020 | 10 |
1270 | 12 |
合理压降
物流 | 压降值 |
气体和蒸汽(高压) | 35-70Kpa |
气体和蒸汽(低压) | 15-35Kpa |
气体和蒸汽(常压) | 3.5-14Kpa |
蒸汽(真空) | <3.5Kpa |
蒸汽(真空冷凝塔) | 0.4-1.6Kpa |
液体 | 70-170Kpa |
F型壳体,壳侧压降 | 35-70Kpa |
板翅式换热器
物流 | 压降值 |
气体和蒸汽 | 5-20Kpa |
液体 | 20-55Kpa |
管壳式换热器的设计要点
2.计算换热面积,初选换热器型号
①根据换热任务,计算传热量
②确定流体在换热器中的流动途径
③确定流体在换热器中两端的温度,计算定性温度,确定在定性温度下流体物性
④计算平均温度差,并根据温度差校正系数不小于0.8的原则,确定壳程数或调整加热介质或冷却介质的终温
⑤根据两流体的温差和设计要求,确定换热器的型式
⑥依据换热流体的性质及设计经验,选取总传热系数值K(选)
⑦依据总传热速率方程,初步算出传热面积S,并确定换热器的基本尺寸或按照系列标准选择设备规格
3.计算管壳压降
若压降不符合要求,要调整流速,再确定管程和折流挡板间距
4.核算总传热系数
计算管、壳对流传热系数,确定污垢热阻Rsi和Rso,再计算总传热系数K(计算)然后与K(选)比较,若K计/K选=1.15~1.25则初选的换热器合适。
5.计算类型
①物性数据:冷热流体的进出口温度,定性温度下的密度,比热容,粘度,导热系数,表面张力
②工艺数据: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
③结构数据:使其结构最优,尺寸最小
④壳体形式:管程数,管子类型,管长,管子排列,壳内径
⑤折流挡板型式:冷热流体流动通道方式
计算前先确定下列基本参数
①管长(3、5、6、9)
②管间距(1.25-1.5管外径)
③流向角 管子排列角(30°,45°,60°,90°)
④换热管外径及管壁厚(19、25)
校核计算项目:
①管程数
②壳内径/管数
③折流板间距/折流板数 型式
④管长/管间距
⑤流向角
⑥管内径/壁厚
最终计算
①总体设计尺寸
②热阻大小
③设计余量:水流速>1.5m/s时,不必余量太大,否则流速降低,换热系数下降
④压降的利用和分布—要增加在提高K上
压降来源:㈠ 进出口管口处,不宜消耗在此,控制占总压降的30%以下。
㈡ 横向管束错流,有利于传热
㈢ 防冲板、分布器流速,在压降允许范围内,尽量提高,因为提高流速以获得较大的K和较小的污垢热阻。
⑤有效平均温差
6.调整设计方案
㈠ 传热系数为控制因素时:
提高壳侧传热系数的方法
①使用低翅片(提高流动状态)
②减少换热管外径和管间距(提高壳侧流速)
③提高壳侧流体速度(减少折流板间距)
④选用F型G型(壳侧多分流)
提高管侧给热系数
①减少管外径
②增加管长
③变换流动分布
㈡ 压力降成为控制因素时:
降低壳侧压力降
①使用双圆缺折流板或管窗内部排管
②选用J型壳体,无隔板分流
③增加管间距
④改变流向角 45°/90°
降低管侧压力降
①增大管径
②减少管长
㈢ 温度推动力为限制因素时
①选用纯逆流型
②增加壳程数
③减少管侧流体量
㈣ 减少振动—降低扰动频率或增加自然频率
①减小管子跨距长度
②减小壳侧流体速度
③改变折流板型式
④降低壳体流速
⑤增加折流板厚度
⑥将板与折流板孔之间的间距调到最小
⑦折流板材料不应比管子硬
⑧使用壁厚管并使管子紧固
⑨采用解滞隔板
⑩堵塞所有旁路流和流程分隔滞流
㈤ 冷热流体通道的选择
①不洁净和结垢的液体宜走管程,因管内清洗方便
②腐蚀性流体宜走管程,避免管束和壳体同时受到腐蚀
③压强高的流体宜走管内,以免壳体承受压力
④饱和蒸汽宜走壳程,因饱和蒸汽比较干净,给热系数与流速无关且冷凝液易排出
⑤被冷却的流体宜走壳程,便于散热
⑥若两流体温差较大,对于刚性结构的换热器,宜将给热系数大的流体通入壳程,以减少热应力
⑦流量小而粘度大的流体一般以壳程为宜,因在壳程Re>100即可达到湍流,但不是绝对的,如果流体流动阻力损失允许,将这种流体通入管内,并采用多管程结构,反而能得到更高的给热系数。