换热器的设计 和选型
王 勇
主要内容
一 二 三 四 五
换热器的分类及结构特点 管壳式换热器 再沸器设计要点 冷凝器设计要点 计算
2011年12月18日
第2页
1. 换热器的分类及结构特点
换热器分类
管式
板式
扩展表面式
蓄热式
管壳式 套管式 螺旋盘管式
板式 螺旋板 伞板式 板壳式
板翅式 管翅式
回旋式 固定格室式
2011年12月18日
第3页
-
1.1 特殊型式的换热器 板(框)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 热管式换热器
2011年12月18日
第4页
不同形式换热器使用范围
2011年12月18日
第5页
1.2 各种形式换热器示例
2011年12月18日
第6页
管壳式换热器
2011年12月18日
第7页
管壳式换热器 (内部结构)
2011年12月18日
第8页
空冷器
2011年12月18日
第9页
空冷器 （蒸汽凝汽器）
2011年12月18日
第10页
板(框）式 换热器
2011年12月18日
第11页
板式换热器 板片
2011年12月18日
第12页
板壳式换热器
2011年12月18日
第13页
2011年12月18日
第14页
2011年12月18日
第15页
螺旋板式换热器
2011年12月18日
第16页
多管式换热器
2011年12月18日
第17页
¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾
2. 管壳式换热器 2.1 管壳式换热器设计参数： 热负荷及流量大小 流体的性质 温度、压力及允许压降的范围 对清洗、维修的要求 设备结构、材料、尺寸及重量 价格、使用安全性和寿命
2011年12月18日
第18页
2.2 管壳式换热器适用范围 - 应用范围广，适应性强 - 允许压力：高真空－41.5MPa - 温度：-100o C－1100o C - 容量大、结构简单、造价低廉，清洗方便 目标：优化设计及安全运行
2011年12月18日
第19页
2.3 特殊型式的换热管 １）表面上车出或铸出各种形式等高、等深的脊或 沟槽； - 低翅管、 高翅管、 槽管、波节管。 ２）表面敷有特殊加工层。 - 高通量管、 镍基涂层管。
2011年12月18日
第20页
¾ ¾ ¾
2.4 管壳式换热器的类型和规格 标准 美国的TEMA标准（管式换热器厂商协会标准） HEI 标准（美国换热器研究所标准） GB151 (中华人民共和国国家标准） 规格:根据公称壳径和管长规定 公称壳径：最外层壳体的最大内径 直管段的管长：相隔最远的两个管板之间的距离。 如：AES，BEM，AEU等。
¾ ¾
2011年12月18日
第21页
¾ ¾ ¾
2.5 管壳式结构的基本类型 固定管板式（L，M，N） U-形管式 （U） 浮头式 （P，S，T，W）: 套环式，内浮头式，外密封浮头式和拔出浮头式。
TEMA - E 管壳式换热器
2011年12月18日
第22页
管 壳 式 换 热 器 I 封 头 形 式
2011年12月18日 第23页
管 壳 式 换 热 器 I 封 头 形 式
2011年12月18日 第24页
管壳式换热器－壳体形式
2011年12月18日
第25页
¾
¾ ¾
2.6 管材、管壁厚度和管长的选取 管子：承受内、外侧的压力；两侧的温度；热应 力和两侧流体的腐蚀性 管子厚度：U形弯头 管长：标准规定，设备布置等
2011年12月18日
第26页
2.6 管壳式换热器工艺物流的安排
工艺条件 高压 高温 大污垢系数 高粘度流体 低压力降 低流率 腐蚀性流体 低温度差 温度交叉 冻结的流体
冻
壳侧
管侧 √ √ √
√ √ √ √ √ √ √ √ √
√
第27页
2011年12月18日
3 再沸器的设计要点 3.1再沸器型式 再沸器型式： ¾ 内置式 ¾ 釜式 ¾ 卧式热虹吸式 ¾ 立式热虹吸式 ¾ 强制循环 按沸腾模型区分： ¾ 壳侧沸腾 ¾ 管侧沸腾
第28页
2011年12月18日
3.2 管壳式再沸器的布置 管壳式再沸器通常为卧式，但下列情况下最好选 用立式布置： ¾ 管侧热虹吸式再沸器 ¾ 管侧降膜蒸发器 ¾ 管侧冷凝器 ¾ 管侧蒸发器
2011年12月18日
第29页
卧式再沸器布置
2011年12月18日
第30页
立式再沸器布置
2011年12月18日
第31页
卧式布置的釜式再沸器
2011年12月18日
第32页
再沸器按照高度示例
2011年12月18日
第33页
3.3 热虹吸再沸器安装高度计算 在设计塔底热虹吸式(自循环)再沸器时，工艺工 程师要计算出塔底裙座与再沸器的相对标高。 现在这一工作，通常在做换热器设计时，由专门 的程序(HTRI)计算出来，无需再手工计算。 了解其中的依据、原理，就可以快捷、方便地校 核、验证有关外来的数据。 热虹吸式再沸器是利用入口段液相与出口段气液 混相的密度差实现自然循环操作的。
2011年12月18日
第34页
热虹吸再沸器安装高度计算
△Pout
HD
△Pch-out △Ptp △Psc △Pch-in
HD
△Pin
2011年12月18日 立式热虹吸再沸器
第35页 釜式热虹吸再沸器
以立式热虹吸为例,只有当阻力小于推动力时，热 虹吸再沸器才能自然循环、动平衡运转起来。 系统的阻力△P =△Pin+△Pch-in+△Psc+△Ptp+ △Pch-out+△Pout 9 △Pin为塔釜至再沸器入口管线中的压降，Kg/cm2 9 △Pch-in为再沸器入口管箱内的压降，Kg/cm2 9 △Psc为再沸器中过冷段中的压降，Kg/cm2 9 △Ptp为再沸器中两相汽化段中的压降，Kg/cm2 9 △Pch-out为再沸器出口管箱内的压降，Kg/cm2 9 △Pout为再沸器出口至塔入口管线的压降,Kg/cm2 系统的推动力为塔釜液面至再沸器中汽化面上的 静压头Phd,Pa。
2011年12月18日 第36页
根据压头转换式得 静压头Phd = HD×ρ×g 式中: ¾ HD为塔釜液面至再沸器中汽化面的垂直距离,m ¾ ρ为釜液的密度，Kg/m3 ¾ g为重力加速度，9.8067(m/s2) 在工程设计中简略为静压头,Kg/cm2 静压头Phd=HD×ρ/10000 当Phd≥△P时，热虹吸再沸器能够自
然循环、运 转起来，据此可以确定再沸器安装标高。 工程设计中通常根据Phd＝△P计算HD，然后再取 HD的1.0～1.25倍作为安全裕量。
2011年12月18日 第37页
4. 冷凝器的设计要点 冷凝器形式： - 管侧、壳侧冷凝 - 流动方向(向上流，向下流) 当冷凝器的冷凝温度高于环境温度15℃-20℃或更 高时，可以考虑使用空冷器； 空冷选用原则： 1)冷却水供应困难，水冷的运行费用过高； 2)水冷引起结垢和腐蚀严重； 3)水冷引起环境污染。
2011年12月18日
第38页
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5. 计算 冷、热两流体间热量平衡 Qreq=(WCpΔT)hot=(WCpΔT)cold 传热率方程 Qact=K A (ΔTm) 或 Qact=(A)(ΔTm)(1/ΣR) R=(1/hi)o+(1/ho)o+(Rf)o+(Rw)o 传热率的估算 Qact≥Qreq 对压力降的限制条件 (ΔPi)act≤(ΔPi)allow (ΔPo)act≤(ΔPo)allow
第39页
¾ ¾
¾ ¾ ¾
目前最常用的换热器计算软件：HTRI HTRI拥有的程序和技术资料 Xace (空冷器设计、校核及模拟) Xist (管壳式换热器－单相、两相流的设计、 校核及模拟。包括釜式再沸器、热虹吸 再沸器，降膜蒸发器及回流冷凝器) Xphe (板式换热器设计、校核及模拟) Xtlo (管板图) Xvib (严格分析在换热器管束中由流动引起的 振动问题)
第40页
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换热器的设计 和选型
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主要内容
一 二 三 四 五
换热器的分类及结构特点 管壳式换热器 再沸器设计要点 冷凝器设计要点 计算
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1. 换热器的分类及结构特点
换热器分类
管式
板式
扩展表面式
蓄热式
管壳式 套管式 螺旋盘管式
板式 螺旋板 伞板式 板壳式
板翅式 管翅式
回旋式 固定格室式
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1.1 特殊型式的换热器 板(框)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 热管式换热器
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不同形式换热器使用范围
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1.2 各种形式换热器示例
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管壳式换热器
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管壳式换热器 (内部结构)
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空冷器
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空冷器 （蒸汽凝汽器）
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板(框）式 换热器
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板式换热器 板片
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板壳式换热器
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螺旋板式换热器
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多管式换热器
2011年12月18日
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2. 管壳式换热器 2.1 管壳式换热器设计参数： 热负荷及流量大小 流体的性质 温度、压力及允许压降的范围 对清洗、维修的要求 设备结构、材料、尺寸及重量 价格、使用安全性和寿命
2011年12月18日
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2.2 管壳式换热器适用范围 - 应用范围广，适应性强 - 允许压力：高真空－41.5MPa - 温度：-100o C－1100o C - 容量大、结构简单、造价低廉，清洗方便 目标：优化设计及安全运行
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2.3 特殊型式的换热管 １）表面上车出或铸出各种形式等高、等深的脊或 沟槽； - 低翅管、 高翅管、 槽管、波节管。 ２）表面敷有特殊加工层。 - 高通量管、 镍基涂层管。
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2.4 管壳式换热器的类型和规格 标准 美国的TEMA标准（管式换热器厂商协会标准） HEI 标准（美国换热器研究所标准） GB151 (中华人民共和国国家标准） 规格:根据公称壳径和管长规定 公称壳径：最外层壳体的最大内径 直管段的管长：相隔最远的两个管板之间的距离。 如：AES，BEM，AEU等。
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2.5 管壳式结构的基本类型 固定管板式（L，M，N） U-形管式 （U） 浮头式 （P，S，T，W）: 套环式，内浮头式，外密封浮头式和拔出浮头式。
TEMA - E 管壳式换热器
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管 壳 式 换 热 器 I 封 头 形 式
2011年12月18日 第23页
管 壳 式 换 热 器 I 封 头 形 式
2011年12月18日 第24页
管壳式换热器－壳体形式
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2.6 管材、管壁厚度和管长的选取 管子：承受内、外侧的压力；两侧的温度；热应 力和两侧流体的腐蚀性 管子厚度：U形弯头 管长：标准规定，设备布置等
2011年12月18日
第26页
2.6 管壳式换热器工艺物流的安排
工艺条件 高压 高温 大污垢系数 高粘度流体 低压力降 低流率 腐蚀性流体 低温度差 温度交叉 冻结的流体
冻
壳侧
管侧 √ √ √
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3 再沸器的设计要点 3.1再沸器型式 再沸器型式： ¾ 内置式 ¾ 釜式 ¾ 卧式热虹吸式 ¾ 立式热虹吸式 ¾ 强制循环 按沸腾模型区分： ¾ 壳侧沸腾 ¾ 管侧沸腾
第28页
2011年12月18日
3.2 管壳式再沸器的布置 管壳式再沸器通常为卧式，但下列情况下最好选 用立式布置： ¾ 管侧热虹吸式再沸器 ¾ 管侧降膜蒸发器 ¾ 管侧冷凝器 ¾ 管侧蒸发器
2011年12月18日
第29页
卧式再沸器布置
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立式再沸器布置
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卧式布置的釜式再沸器
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再沸器按照高度示例
2011年12月18日
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3.3 热虹吸再沸器安装高度计算 在设计塔底热虹吸式(自循环)再沸器时，工艺工 程师要计算出塔底裙座与再沸器的相对标高。 现在这一工作，通常在做换热器设计时，由专门 的程序(HTRI)计算出来，无需再手工计算。 了解其中的依据、原理，就可以快捷、方便地校 核、验证有关外来的数据。 热虹吸式再沸器是利用入口段液相与出口段气液 混相的密度差实现自然循环操作的。
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热虹吸再沸器安装高度计算
△Pout
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△Pch-out △Ptp △Psc △Pch-in
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2011年12月18日 立式热虹吸再沸器
第35页 釜式热虹吸再沸器
以立式热虹吸为例,只有当阻力小于推动力时，热 虹吸再沸器才能自然循环、动平衡运转起来。 系统的阻力△P =△Pin+△Pch-in+△Psc+△Ptp+ △Pch-out+△Pout 9 △Pin为塔釜至再沸器入口管线中的压降，Kg/cm2 9 △Pch-in为再沸器入口管箱内的压降，Kg/cm2 9 △Psc为再沸器中过冷段中的压降，Kg/cm2 9 △Ptp为再沸器中两相汽化段中的压降，Kg/cm2 9 △Pch-out为再沸器出口管箱内的压降，Kg/cm2 9 △Pout为再沸器出口至塔入口管线的压降,Kg/cm2 系统的推动力为塔釜液面至再沸器中汽化面上的 静压头Phd,Pa。
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根据压头转换式得 静压头Phd = HD×ρ×g 式中: ¾ HD为塔釜液面至再沸器中汽化面的垂直距离,m ¾ ρ为釜液的密度，Kg/m3 ¾ g为重力加速度，9.8067(m/s2) 在工程设计中简略为静压头,Kg/cm2 静压头Phd=HD×ρ/10000 当Phd≥△P时，热虹吸再沸器能够自
然循环、运 转起来，据此可以确定再沸器安装标高。 工程设计中通常根据Phd＝△P计算HD，然后再取 HD的1.0～1.25倍作为安全裕量。
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4. 冷凝器的设计要点 冷凝器形式： - 管侧、壳侧冷凝 - 流动方向(向上流，向下流) 当冷凝器的冷凝温度高于环境温度15℃-20℃或更 高时，可以考虑使用空冷器； 空冷选用原则： 1)冷却水供应困难，水冷的运行费用过高； 2)水冷引起结垢和腐蚀严重； 3)水冷引起环境污染。
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5. 计算 冷、热两流体间热量平衡 Qreq=(WCpΔT)hot=(WCpΔT)cold 传热率方程 Qact=K A (ΔTm) 或 Qact=(A)(ΔTm)(1/ΣR) R=(1/hi)o+(1/ho)o+(Rf)o+(Rw)o 传热率的估算 Qact≥Qreq 对压力降的限制条件 (ΔPi)act≤(ΔPi)allow (ΔPo)act≤(ΔPo)allow
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目前最常用的换热器计算软件：HTRI HTRI拥有的程序和技术资料 Xace (空冷器设计、校核及模拟) Xist (管壳式换热器－单相、两相流的设计、 校核及模拟。包括釜式再沸器、热虹吸 再沸器，降膜蒸发器及回流冷凝器) Xphe (板式换热器设计、校核及模拟) Xtlo (管板图) Xvib (严格分析在换热器管束中由流动引起的 振动问题)
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