換熱器設計指南

1、 換熱器設計指南1 總則1.1 目的 為規(guī)范本公司工藝設計人員設計管殼式換熱器及校核管殼式換熱器而編制。1.2 范圍1.2.1本規(guī)定規(guī)定了管殼式換熱器的選型、設計、校核及材料選擇。1.2.2本規(guī)定適用于本公司所有的管殼式換熱器。1.3 規(guī)范性引用文件下列文件中的條款通過本規(guī)定的引用而成為本規(guī)定的條款，凡注日期的應用文件，其隨后所有的修改單或修改版均不適用本規(guī)定。凡不注日期或修改號（版次）的引用文件，其最新版本適用于本規(guī)定。GB150-1999 鋼制壓力容器GB151-1999 管殼式換熱器HTRI設計手冊Shell & tube heat exchangersJGC石油化工設計手冊 第

2、3卷化學工業(yè)出版社（2002）換熱器設計手冊中國石化出版社（2004）換熱器設計手冊化學工業(yè)出版社（2002）Shell and Tube Heat Exchangers Technical Specification SHESLL (2004)SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGERSBP (1997)Shell and Tube Exchanger Design and SelectionCHEVRON COP. (1989)HEAT EXCHANGERSFLUOR DANIEL (1994)Shell and Tube Heat ExchangersTOTAL（2002

3、）管殼式換熱器工程規(guī)定SEI（2005）2 設計基礎2.1 傳熱過程名詞定義2.1.1 無相變過程加熱：用工藝流體或其他熱流體加熱另一工藝流體的過程。冷卻：用工藝流體、冷卻水或空氣等冷劑冷卻另一工藝流體的過程。換熱：用工藝流體加熱或冷卻另外一股工藝流體的過程。2.1.2 沸騰過程在傳熱過程中存在著相的變化液體加熱沸騰后一部分變?yōu)槠?。此時除顯熱傳遞外，還有潛熱的傳遞。池沸過程：用工藝流體、水蒸汽或其他熱流體加熱汽化大容積設備中的工藝流體過程。流動沸騰：用工藝流體、水蒸汽或其他熱流體加熱汽化狹窄流道中的工藝流體過程。2.1.3 冷凝過程部分或全部流體被冷凝為液相, 熱流體的顯熱和潛熱被冷流體帶走

4、，這一相變過程叫冷凝過程。純蒸汽或混合蒸汽冷凝：用工藝流體、冷卻水或空氣，全部或部分冷凝另一工藝流體。有不凝氣的冷凝：用工藝流體、冷卻水或空氣，部分冷凝工藝流體和同時冷卻不凝性氣體。2.2 換熱器的術語及分類2.2.1 術語及定義換熱器裝置：為某個可能包括可替換操作條件的特定作業(yè)的一個或多個換熱器；位號：設計人員對某一換熱器單元的識別號；有效表面：進行熱交換的管子外表面積；管程：介質流經(jīng)換熱管內(nèi)的通道及與其相貫通部分；殼程：介質流經(jīng)換熱管外的通道及與其相貫通部分；管程數(shù)：介質沿換熱管長度方向往、返的次數(shù)；殼程數(shù)：介質在殼程內(nèi)沿殼體軸向往、返的次數(shù)；公稱長度：以換熱管的長度作為換熱器的公稱長度，

5、換熱管為直管時，取直管長度，換熱管為U形管時取U形管直管段的長度；計算換熱面積： 以換熱管外徑為基準，扣除伸入管板內(nèi)的換熱管長度后，計算得到的管束外表面積，對于U形管式換熱器，一般不包括U形彎管段的面積；公稱換熱面積：經(jīng)圓整后的計算換熱面積；2.2.2 換熱器分類根據(jù)不同的分類方法定義換熱器類型如表2-1所示。表2-1 換熱器類型換熱器的分類換熱器名稱按用途分（3）預熱器加熱器過熱器蒸發(fā)器再沸器冷卻器冷凝器深冷器冷卻冷凝器等按結構型式分(3)管殼式換熱器套管式換熱器螺旋板式換熱器板翅式換熱器板式換熱器夾套式換熱器空冷器等2.3 換熱器的選擇原則根據(jù)工藝條件，采用圖2-1進行初步的換熱器選型。圖

6、2-1換熱器型式初選圖注：本圖及其它圖中的壓力均指絕壓2.4 工藝設計程序2.4.1 設計輸入l 工藝條件管殼式換熱器設計所需數(shù)據(jù)，如流量、溫度、壓力等，需要從如下文件獲得：PFD，包括質量、熱量平衡； 基本的工程設計參數(shù)；PID及總圖； 設備數(shù)據(jù)表；選材及管材。l 輸入數(shù)據(jù)操作參數(shù)：項目號、設備位號、流量、操作條件、物性，樣表如附件1所示。l 結構參數(shù)安裝形式（臥式、立式、傾斜）、設計壓力、設計溫度、材質、腐蝕余量、TEMA等級、適用標準、管口等級及密封面、操作工況。l 設計要求允許壓降、允許流速（若有規(guī)定）。2.4.2 設計輸出l 物熱平衡、計算假設、程序計算結果，如下參數(shù)要填入表中：基于

7、管外表面的管側傳熱膜系數(shù)、垂直方向確定布管型式。l 列管式換熱器數(shù)據(jù)表除上述參數(shù)外，還有：物性（水除外）、混合物V2（采用均相密度）、管嘴尺寸、流體流向、折流板數(shù)量、折流板類型、折流板中心間距。2.4.3 設計步驟l 準備數(shù)據(jù)并輸入如2.4.1說明的數(shù)據(jù)；l 選擇TEMA等級并對換熱器選型；l 通過程序校核計算；l 判定計算結果，如傳熱系數(shù)、壓降等，根據(jù)參數(shù)確定換熱器設備結構；通過調整單程管數(shù)來獲得合適的壓力梯度，若要增大換熱面積，可增大管長、增加并聯(lián)臺數(shù)（只有單臺換熱器很大，且壓降難以克服才使用）或增加管程數(shù)，但典型管程數(shù)為雙管程，增大管程數(shù)會提高壓降；殼側壓力梯度要調節(jié)折流板間距，要增大換

8、熱面積，需增大管長或增加串聯(lián)臺數(shù)。當殼側壓降較大，則將殼體形式從E型變?yōu)镴或X型。當壓降要求嚴格時可考慮采用殼側并聯(lián)/串聯(lián)混合配置、管側采用多管程形式，但此時溫效降低，最低F-因子不低于0.85。l 填寫數(shù)據(jù)表。2.4.4 計算過程 下表列出設計管殼式換熱器計算機程序，HTRI是常用軟件、當客戶和使用者要求時，才使用HTFS。表2-2 常用計算軟件程序編號描述備注HTRIST設計/校核單相管殼換熱器嚴格用于冷凝和再沸CST設計管殼式換熱器用于再沸RKH設計/校核殼側沸騰設備臥式；可計算K式殼體直徑RTF設計/校核管側沸騰設備僅適用于單管程IST校核單相和冷凝器HTFSTASC設計/校核管殼式換

9、熱器注：HTRI:HEAT TRANSFER RESEARCH INC; HTFS:HEAT TRANSFER & FLUID FLOW SERVICE2.5 工藝設計考慮因素TEMA設置了三種換熱器機械標準，反映了不同的嚴格性。對于多數(shù)煉廠，運用最嚴格的R級；對其他諸如化學品廠，運用C或B級；通常R級有較厚的殼體、更大更厚的封頭、較厚換熱管及其他更大的部件。影響換熱流股的最優(yōu)搭配的因素有：夾點溫度、壓降、調控要求下限負荷、占地限制條件、現(xiàn)有設備的改進等。工藝目標值確定后，與設備人員協(xié)作可以高效地設計一個換熱體系。2.5.1 夾點溫度、夾點技術及換熱網(wǎng)絡分析夾點溫度 對單個換熱器而言，

10、換熱的冷、熱流冷端和熱端溫差中較小者稱接近溫差。對一個換熱網(wǎng)絡而言，所有換熱設備的接近溫差中最小值稱為最小接近溫差，也稱夾點溫差。冷熱物流的匹配取決于可達到的溫差，逆流換熱器的夾點溫度是熱物流出口溫度與冷物流入口溫度之差，或熱物流入口溫度與冷物流出口溫度之差，取較小值。一般溫差越小、回收能量越大、換熱面積越大，從而投資越高；因此，夾點溫度要通過能量回收和投資相結合來確定。夾點技術夾點技術是由原英國曼徹斯特大學理工學院教授B.Linnhoff領導下的研究小組在Huang與Elshout及Umeda等分別于1976和1978年提出 “夾點”和“復合線”概念基礎上發(fā)展起來的。這是過程能量綜合領域中一

11、種實用方法，可以優(yōu)化復雜工藝的換熱過程。一個待優(yōu)化的換熱網(wǎng)絡在T-H圖上可用冷、熱流復合線來表示。復合線就是將多個熱流或冷流的T-H線復合在一起的折線，是換熱網(wǎng)絡優(yōu)化合成的“夾點技術”中的一個重要工具。將冷、熱流的復合線畫在一個T-H圖上，熱流的復合線一定要位于冷流的上方。沿橫坐標H左右移動兩條復合線，找到一處兩條線垂直距離最短，該處即為夾點或窄點。夾點技術三個基本原則：不通過夾點傳遞熱量、夾點以上部分不使用冷公用工程、夾點以下熱源部分不使用熱公用工程。如圖2-23所示，當夾點處的傳熱溫差等于給定的夾點溫度時，冷、熱物流復合線的高溫段在水平方向未重疊部分投影于橫坐標上的一段即為對應于給定夾點溫

12、差下的最小熱公用工程消耗Qhu,min；而兩者低溫段未重疊部分則為給定夾點溫差下的最小冷公用工程消耗Qcu,min，而兩條復合線沿橫軸方向重疊部分就是最大熱回收量。熱流冷流HT熱流冷流HTQcu,minQhu,minTmin 圖2-2 復合線示意圖 圖2-3 夾點與最小公用工程消耗圖 夾點將換熱網(wǎng)絡分解為兩個區(qū)域，熱端夾點之上，它包括比夾點溫度高的工藝物流及其間的熱交換，只要求公用設施加熱物流輸入熱量，可稱為熱阱；而冷端包括比夾點溫度低的工藝物流及其間的熱交換，并只要求公用設施冷卻物流取出熱量，可稱為熱源。當通過夾點的熱物流為零時，公用設施加熱及冷卻負荷最小，即熱回收最大。換熱網(wǎng)絡分析換熱網(wǎng)絡

13、的設計越發(fā)復雜，目前已有多種換熱網(wǎng)絡優(yōu)化技術，包括計算機程序，如Hysim,s Pinch。一般設計步驟如下：l 做冷熱物流T-H曲線，生成復合線，確定夾點；l 指定一個最小夾點溫度；l 求出夾點及最小的公用工程；l 計算總投資和年操作費用；l 改變冷熱物流匹配；l 重復上述步驟直到找到最小的年操作費用，確定最優(yōu)網(wǎng)絡。2.5.2 空冷器、水冷器的選擇冷卻器中冷卻介質的選擇需要考慮：水源、水費、電費、安裝費用、維護費用、占地等。水冷工藝出口溫度理論上水冷方式出口溫度受環(huán)境濕球溫度限制，實際上不低于冷卻塔出口溫度（新鮮水49、海水43）。對于塔頂項目，水質等其他因素也會影響出口溫度。因此冷卻水費用

14、是制約因素。空冷工藝出口溫度理論上受環(huán)境干球溫度限制，但高于濕球溫度。同水冷相比，出口溫度稍高。夏季，設計干球溫度接近于濕球溫度，兩者差別由環(huán)境濕度決定。舉例如下表：相對濕度15%30%45%60%濕球溫度-干球溫度-2.82.87.211空冷器空氣出口溫度無上限值，在其他因素合理的情況下，工藝流體出口溫度可達到空氣入口設計溫度。LMTD的提高，導致傳熱面積和摩擦系數(shù)的減小，并且入口空氣流量減小。因此，設備投資及電耗降低。設備費用是空冷器年費用的主要部分，而水冷器中水冷是年費用主要部分。若兩種方式工藝出口溫度相同，空冷費用為水冷方式的11.5倍。空冷水冷相結合的分割溫度若工藝入口溫度較高，適于

15、空冷；工藝出口溫度較低，適于水冷；冷卻負荷足夠大，則空冷與水冷相結合是一種經(jīng)濟設計方法。這樣用空冷以較低公用工程消耗移除較高等級熱量，再用水冷達到工藝流體出口溫度?；谒?、電耗、設備費用等，空冷、水冷分割溫度在5463之間比較經(jīng)濟。除預算設計，應當從經(jīng)濟上用既定項目的數(shù)據(jù)確定該溫度。2.5.3 設計余量從設計的角度，有一定余量的換熱器更好運行。相對于設計值，新?lián)Q熱器污垢很低，面積就有富余。實際操作中通過調節(jié)流量及入口狀態(tài)來消除偏差。污垢熱阻是在設計條件下操作所能達到的極限情況。隨意給定設計余量會帶來各種問題，在此，首先按照設計值計算清潔情況下所需換熱面積，然后根據(jù)污垢或設計規(guī)模增加面積，從而

16、確定余量。因此：面積余量大到不能通過控制手段來消除；熱流體出口溫度比設定值低時，粘度增大，壓降增大；對于冷凝器，余量會造成塔與回流液難以達到平衡；管內(nèi)流速及流動特性同校核工況存在較大差別，如立式熱虹吸式換熱器，在上升管中存在兩相流，流率的變化引起流型的改變，從而導致騰涌和振動；發(fā)現(xiàn)硫磺廠低壓蒸汽廢熱鍋爐的面積余量會引起換熱管內(nèi)柱塞流。業(yè)主從可操作性、進料狀態(tài)的不精確性，或物性不準確性等方面考慮，換熱器需要有一定的余量。2.5.4 換熱器安裝形式實際生產(chǎn)中，換熱器有水平或豎直安裝，特別從經(jīng)濟型和易于維護的角度，水平安裝更常用。立式安裝用于如下情況：大型再沸器受空間限制而采用立式安裝；再沸器管材等

17、級較高，立式安裝因管束緊湊而可以節(jié)省投資。2.6 設計參數(shù)2.6.1設計壓力設計壓力指設定的換熱器管、殼程頂部的最高壓力，與相應的設計溫度一起作為設計載荷條件，其值不低于工作壓力。對于同時受管、殼程壓力作用的元件，僅在能保證管、殼程同時升、降壓時，才可以按壓差設計，否則應分別按管、殼程工作壓力確定設計壓力，并考慮可能存在的最苛刻壓力組合。按壓差設計時，壓差的取值還應考慮在壓力試驗過程中可能出現(xiàn)的最大壓差值，同時設計者應提出壓力試驗的步進程序。管側、殼側設計壓力一般設定為設備安全閥泄放壓力加靜壓頭，若沒有安全閥，則按照如下情況取大值：I 在泵的關閉壓力下，若換熱器能夠關閉，則設計壓力取上游泵的關

18、閉壓力；注：如果在項目前期沒有泵的曲線，則關閉壓力取正常壓差的1.25倍。II 一般上游泵的壓差是泵的泄放吸入壓頭，當確定泵吸入壓頭時考慮泄放狀態(tài)下的壓力曲線；III 遵循如下列表：最大操作壓力MPa全真空或部分真空0-250.172-1.721.72-3.4453.445-6.89>8.9設計壓力，MPa外部0.103/內(nèi)部0.34450.344操作壓力+0.17操作壓力的1.1倍操作壓力+0.3445操作壓力的1.05倍，但不超過最大操作壓力0.89MPaIV 水冷器水側設計壓力為0.89MPa或工藝介質側操作壓力的2/3，兩者取大值。真空換熱器真空側的設計壓力按承受外壓考慮，承受內(nèi)

19、壓且連接在壓縮機入口或其他抽氣設備上的換熱器，外壓設計需要做特殊考慮。預防性的操作指令需成冊，以防沒有泄放設施的換熱器意外長時間堵塞。排凝液很重要，以防外部火災引起超壓。2.6.2設計溫度設計溫度指換熱器在正常情況下，設定元件金屬溫度（沿原件金屬橫截面的溫度平均值）。任何情況下元件金屬的表面溫度不得超過材料的允許使用溫度，設計溫度不得低于元件金屬在工作狀態(tài)可能達到的最高溫度。對于0以下的金屬溫度，設計溫度不得高于元件金屬可能達到的最低溫度。正常情況下，殼側、管側設計溫度遵循下表，特殊情況做特殊分析。對某些大型換熱器，如轉化設備進出口換熱器，殼體的不同部分，設計溫度隨板材、板厚、法蘭等級等有較大

20、差異，因此當法蘭等級、殼體厚度有較大影響時，設計溫度需要精確分段。最大操作溫度107.2107.2-315.6>315.6熱側設計溫度121操作溫度+25操作溫度+50最大操作溫度-9.4環(huán)境溫度-10-23-23-62< -62冷側設計溫度操作溫度-31.7操作溫度-29操作溫度-23操作溫度有時，一臺換熱器必須用兩種不同工況來校核，例如，換熱器正常操作時，溫度、壓力分別為65.6、1.78MPa，而在催化劑再生時，溫度、壓力分別為343、大氣壓。如果兩種工況不同時出現(xiàn)，則應當分別列出。此外，在高溫高壓下，應當選擇高等級法蘭及較厚的材料。2.6.3最小設計金屬溫度MDMT設計金屬

21、溫度需要標示在銘牌上及制造商數(shù)據(jù)表中，相關工藝人員必須將該值體現(xiàn)在所有工藝數(shù)據(jù)表中。最小設計金屬溫度不高于：l 開停車或正常工況下介質最低溫度 考慮到開停車組分不穩(wěn)定，或其它經(jīng)濟優(yōu)勢、系統(tǒng)安全等，一般MDMT要低于正常溫度10l 預期的非設計工況下介質最低溫度正常操作工況的環(huán)境溫度下容器達到平衡（如，壓力容器），MDMT不高于最低設計溫度，且與設計壓力相匹配。若提供了最小設計金屬溫度MDMT，則取與容器設計壓力相一致的最低日平均環(huán)境溫度為MDMT。設計中不可完全遵從如上指導，也可參考操作規(guī)程。2.6.4泄放閥壓力泄放ASME標準要求所有壓力容器安裝壓力泄放裝置以防超壓，當壓力容器的壓力是自外壓

22、，且安全閥與容器之間管段沒有任何閥門時，保護措施可不直接安裝在容器上。相應，多數(shù)換熱器上沒有泄放設施，但其受超壓保護。一般壓力源為泵或壓縮機。 過熱泄放在如下情 況下，ASME標準要求安裝過熱泄放閥：管側或殼側組分因另一端熱量輸入而超壓；組分可通過閥門與關鍵壓力安全閥隔離；組分不受PSV保護。在安全閥泄放過程中，為使熱泄放閥最小，TRV可定為設計壓力的110%（基于ASME標準）。若多個串聯(lián)換熱器之間沒有切斷閥，一個熱泄放閥可作為的它們保護措施。爆破壓力所有低壓側充有液相或氣液兩相的換熱器，應當設置管子破裂安全閥。低壓側的設計壓力等于最大正常操作壓力加上一根換熱管完全破裂的初始騰涌壓力。管子上

23、的泄放設施防止壓力傳遞。管板、殼體、圓筒、管箱等應按照該騰涌壓力設計。主體法蘭也應當符合ASME標準，但不可超過設計壓力下的密封性要求。管子破裂問題在高壓氣體/低壓冷卻水換熱器中尤為突出。2.7 材質2.7.1 選材原則換熱器用鋼的標準、冶煉方法、熱處理狀態(tài)、許用應力均按GB 150-1999第4章及其附錄A的規(guī)定。設計溫度低于或等于-20時，GB 150-1999附錄A選擇低溫用鋼；設計金屬溫度低于-60，由工藝工程師與設備工程師確定用材。鋼板中添加鎳可提高低溫金屬韌性：0.5%Ni承受LT60、1.5%Ni承受LT80、3.5%Ni承受LT80/100、5%Ni承受LT120、9%Ni承受

24、LT196。碳鋼或碳錳鋼的最高設計溫度為425，但超過400，這些材質就不再適用。設計溫度超過425的容器選用1Cr1/2Mo或更高等級的合金鋼。一般不用C1/2Mo鋼，除非另有說明；碳鉬合金鋼不用于含氫系統(tǒng)。換熱器用有色金屬的冶煉方法、熱處理狀態(tài)、許用應力按相應的國家標準、行業(yè)標準或參照GB 150-1999附錄D選取。有色金屬的使用范圍規(guī)定如下：l 鋁和鋁合金設計壓力應不大于8MPa，設計溫度為-269200，當設計溫度高于65時，不宜選用含鎂量大于3%的鎂鋁合金；l 銅和銅合金應在退火狀態(tài)下使用。純銅設計溫度不高于150；銅合金應不高于200；l 純鈦和鈦合金材料的設計溫度不高于300；

25、鈦復合板應不高于350。2.7.2 圓筒及封頭l 用于制造換熱器圓筒或封頭的鋼板應符合GB 150的規(guī)定；l 用作換熱器圓筒的碳素鋼、低合金鋼鋼管應采用無縫鋼管；l 符合GB 150-1998 A4.2的奧氏體不銹鋼焊接鋼管，可用作換熱器圓筒。2.7.3 換熱管l 常用換熱管可按下列標準選用：GB/T 1527銅及銅合金拉制管GB/T 3625換熱器及冷凝器用鈦及鈦合金管GB/T 6893工業(yè)用鋁及鋁合金拉（軋）制管GB/T 8163輸送流體用無縫鋼管GB/T 8890熱交換器用銅合金管GB 9948石油裂化用無縫鋼管GB 13296鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管GB/T 14976流體輸送用

26、不銹鋼無縫鋼管l 符合GB 151-1999附錄C的奧氏體不銹鋼焊接鋼管可用作換熱管，但不得用于極度危害介質的工況，設計參數(shù)為： 設計壓力不大于6.4MPa；使用溫度與相應鋼號的無縫管相同。l 允許使用螺紋管（整體低翅片管）和波紋管等強化傳熱管。當有成熟使用經(jīng)驗時，也可選用其他牌號或其他材料的換熱管。2.7.4 其他特殊選材l 苛刻環(huán)境下的材質濕的酸性介質：碳鋼或碳錳鋼的抗張強度不超過585N/mm2；容器要有應力放松；鋼材硬度不超過248Hv10。有否硫化氫的含氫系統(tǒng)：當氫分壓5bar(a)時定義為含氫物系；對于含氫物系，設計溫度高于230時可用碳錳鋼；根據(jù)氫分壓大小，高于230260可用C

27、r-Mo合金鋼；強化的2 1/4Cr1Mo限制于425；設計溫度介于425454情況，可用2 1/4Cr1Mo或V改性的 Cr Mo合金鋼；設計溫度介于454482情況，可用V改性的 Cr Mo合金鋼；硫化氫濃度超過0.02mole%的含氫系統(tǒng)且設計溫度高于260，將用奧氏體不銹鋼（321或347）。l 高溫硫化氫體系 含硫化氫不含氫物系可用如下材質： 5 Cr 1/2 Mo；9 Cr 1 Mo；405 或 410S；鍍覆奧氏體不銹鋼。這些材質有效防止高溫腐蝕，尤其適用于設計溫度高于280，常用5 Cr 1/2 Mo或碳鋼鍍覆12Cr，最終選用的材質由設計溫度、硫化氫含量、成本等因素決定。l

28、環(huán)烷酸 對于含環(huán)烷酸的油品，設計溫度高于220，采用至少含2.5%鉬的316L合金剛。通常總酸超過0.3mgKOH/g且流速超過50m/s時，采用316L 合金鋼。3 管殼式換熱器的分類和選型3.1無相變管殼式換熱器的分類和選擇3.1.1分類常用的有以下三類：1）固定管板換熱器（管側可以清洗）；2）U型管換熱器（殼側可以清洗）；3）浮頭式換熱器（管側、殼側均可以清洗）。3.1.2管殼式換熱器中流體位置的選擇1）易結垢的流體在管內(nèi)，便于清洗，如冷凝器的冷卻水一般走管內(nèi)；2）流量小的流體在管內(nèi)，可以采用多管程，以便選擇理想流速；3）腐蝕性強的流體，盡可能在管內(nèi)；4）壓力高的流體在管內(nèi)；5）兩流體溫

29、差大時，給熱系數(shù)大的流體在管間，以減小管壁和殼體壁間的溫差；6）與外界溫差大的流體在管內(nèi)；7）相變流宜走殼側，如飽和蒸汽的冷凝在殼側，因為冷凝過程對流速和結垢無要求，且便于冷凝液的排放；8）粘度大的流體一般在殼側，因為低Re數(shù)時殼側的給熱系數(shù)比管內(nèi)高；9）給熱系數(shù)低的流體在殼側，可采用低翅片管強化傳熱；10） 立式熱虹吸式再沸器中，工藝流體走管側，加熱介質走殼側；11） 翅片管換熱器中，高壓、較臟或腐蝕性流體走翅片管，因為它相對便宜，且易于清洗，并比外管有更高的強度。3.1.3選型表3.1.1 無相變換熱器的選型工藝條件換熱器型式E型·殼側*J型·殼側X型·殼側窗

30、中無管·殼側管側壓降：中等壓降低壓降很低壓降很好差差尚可好差尚可好尚可好尚可好很好好好好結垢：低中等結垢嚴重結垢好差尚好差尚好差差尚好差差很好很好注：換熱器型式見最后附圖：管殼式換熱器型式。 表3.2.3中用詞從優(yōu)到劣的排序（表3.3.2、表3.4亦同）：很好好尚好尚可小心（要用心設計）危險（由于相對缺少實驗數(shù)據(jù)）差（即操作性能差）。圖3.1.1 無相變換熱器的選擇3.2再沸器的分類、特點和選型表3.2.1 再沸器的型式及特性類型優(yōu)點缺點池沸釜式容易維護和清洗有汽液分離空間相當于一塊理論板（傳熱面積可以大）需要較多的管線和空間易結垢由于較大的殼體，相對費用較貴內(nèi)置式?jīng)]有殼體費用低需要

31、的管線少和空間小，本身有汽液分離空間容易維護和清洗易結垢因塔徑一定，大小有限制水平熱虹吸不易結垢，（傳熱面積可以大）需要較多的管線和空間只有在高循環(huán)量時，相當于一塊理論板流動沸騰立式熱虹吸配管簡單，緊湊不易結垢需要高的塔裙只有在高循環(huán)量時，相當于一塊理論板清洗困難，管子有沖蝕強制循環(huán)適用于高粘度液體和含有少量顆粒的液體可控制循環(huán)量泵的投資和操作費用較高，泵處有潛在的泄漏可能管子有沖蝕表3.2.2 再沸器的選型工藝條件再沸器型式釜式或內(nèi)置式水平熱虹吸（殼側）垂直E型殼（殼側）垂直熱虹吸（管內(nèi)）強制循環(huán)（管內(nèi)）降膜蒸發(fā)（垂直管內(nèi)）操作壓力： 中等操作壓力 接近臨界壓力 高真空尚可很好尚可好好危險危

32、險尚好危險危險好小心小心尚可尚可尚可尚可危險很好設計溫差： 中等設計溫差 大的設計溫差 小的設計溫差 很小的設計溫差尚可很好好尚好尚好差好好小心好尚好尚好尚好尚好尚好很好尚好小心小心差尚可尚可小心差尚可差好很好結垢：清潔中等重嚴重好小心差差好好小心差尚好尚好小心差好很好很好小心尚可尚可好很好尚可好好好小心混合物沸程：純組分（沸程為零）窄沸程寬沸程很寬沸程（粘性流體）好好差差好好很好好小心尚好尚好尚好尚好好很好好差尚可尚可尚可好好好好好小心圖3.3.1再沸器的選擇 注：* 大熱負荷時選用。圖3.3.2 再沸器的選擇圖3.3.3 再沸器的選擇3.3冷凝器的型式、特點和選型表3.3.1 冷凝器的型式

33、和特點工藝條件冷凝器的型式水平E型殼（殼側）水平J型殼（殼側）水平X型殼（殼側）立式E型殼（殼側）垂直管內(nèi)（向下流）水平管內(nèi)操作壓力:中等接近臨界壓力低高真空很好尚可尚好差差尚可尚可很好尚好差尚可尚可好尚可好很好好尚可尚好差差好好好好很好好很好好尚好過冷/過熱降溫:中等過冷大的過冷大的過熱降溫寬的冷凝范圍尚好好差很好很好尚好好差尚好好好好差尚好好好好好好好很好尚好尚好尚好差尚好尚好不可凝氣體:中等量大量很好很好好好尚好尚好差差好好好尚可尚好好好混合物冷凝范圍:小中等寬冷卻介質結垢冷凝液有銹蝕冷凝液有結凍很好小心很好尚可很好好小心好尚可好尚可小心好尚可尚可尚好好小心好尚可好好尚可很好差很好差好尚

34、可好差尚好好差圖3.4 冷凝器的選擇3.4高效換熱器的特點及選型高效換熱器是指傳熱效率比普通換熱器更高的傳熱設備，它的特點是由于強化了傳熱，導致傳熱面積減少，熱強度提高。尤其在低溫差，低Re數(shù)（高粘度，小流量）時，更具優(yōu)越性。3.4.1主要強化途徑：1） 改變流體的傳熱機理或流態(tài)，如增加擾動，減薄層流邊界層等手段，以達到提高給熱系數(shù)較低一側流體的傳熱，或同時提高兩側流體的給熱系數(shù)（均較低時）；2） 通過擴展表面，增加傳熱表面積（如翅片管，螺紋管等）；3） 采取措施減輕結垢程度。如彈簧在線清洗，壁面加防垢涂層或加大流體對壁面的沖刷，減少死區(qū)，防止污垢沉積。強化措施可以單獨采用，也可以復合在一起。

35、應視具體問題靈活掌握。3.4.2無相變時的強化1） 管外 采用螺旋槽管、螺紋管、翅片管（包括橫翅和縱翅）等；2） 管內(nèi) 加內(nèi)插物（湍流促進器）、內(nèi)波紋管和縱翅管等；3） 管內(nèi)、外同時強化 用縮放管、螺旋扁管及外螺紋內(nèi)波紋管等；4） 管間支撐物 如折流桿、螺旋形折流擋板等；5） 改變流道的幾何形狀 如采用板式換熱器、板翅式換熱器、螺旋板換熱器等。3.4.3沸騰時的強化1） 高熱通量管 沸騰表面采用噴涂多孔表面，特別適用于低溫差沸騰傳熱；2） T型翅片管 用機加工方法改變沸騰表面狀態(tài)，以增加汽化核心和傳熱面積等。3.4.4冷凝時的強化1）改變冷凝表面的物理性質 通過加滴狀冷凝促進劑，冷凝表面鍍貴金

36、屬（金、銀等）和涂高分子材料，冷凝液在表面張力的作用下使冷凝過程呈滴狀冷凝；2）低翅片管（或螺紋管等） 達到增加傳熱面積和改變冷凝液的分布，從而強化冷凝傳熱。4 結構設計管殼式換熱器的結構設計必須考慮許多因素，如材料、壓力、溫度、壁溫差、結垢情況、流體的性質及檢修與清理等來選擇一些適合的結構形式。對同一種型式的換熱器，由于各種條件不同，往往采用的結構亦不相同。在工程設計中，除盡量選用定型系列產(chǎn)品外，也常按其特定的條件進行設計，以滿足工藝需要。4.1 管板與換熱管4.1.1 管板管板是管殼式換熱器的一個重要元件，它除了與管子和殼體等連接外，還是換熱器中的一個主要受壓元件。對于管板的設計，除滿足強

37、度要求外，同時應合理的考慮其結構設計。管板的最小厚度除滿足強度計算要求外，當管板和換熱管采用焊接時，應滿足結構設計和制造的要求，且不小于12mm；若管板采用復合管板，其復層的厚度應不小于3mm；對有腐蝕要求的復層，還應保證距復層表面深度不小于2mm的復層化學成分和金相組織符合復層材料的要求。當管板和換熱管采用脹接時，管板的最小厚度（不包括腐蝕余度）應滿足表4-1；若管板采用復合管板，其復層最小厚度應不小于10mm。并應保證距復層表面深度不小于8mm的復層化學成分和金相組織符和復層材料的要求。表4-1 脹接時管板最小厚度換熱管外徑do，mm25255050最小厚度用于易燃易爆及有毒介質等場合do

38、用于無害介質的一般場合0.75 do0.70 do0.65 do4.1.2 管子規(guī)格換熱管的長度推薦采用：1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0、12.0 m。常用換熱管的規(guī)格見表表4-1 換熱管規(guī)格材料換熱管標準管子規(guī)格外徑厚度碳鋼低合金鋼GB/T 8163143022.5GB 994830502.53.0573.5不銹鋼GB 1329614301.02.0GB 994830502.03.0GB/T 1497657鋁鋁合金GB/T 6893342.03.536505055銅GB/T 1527101.03.011181930銅合金GB/T 889010121.0

39、3.0121818252535鈦鈦合金GB/T 362510300.52.530404050U形管彎段的彎曲半徑R應不小于兩倍的換熱管外徑，常用換熱管的最小彎曲半徑Rmin可按表4-2選取。表4-2 U形彎頭最小彎曲半徑 mm換熱管外徑10121416192022253032353845505557Rmin20243032404045506065707690100110115其中，l 16mm的管子適用于進出料換熱器，操作介質較為干凈；l 19mm的管子適用于以下情況：管側流體的污垢系數(shù)小于或等于0.0003 m2·K/W水做冷卻介質走管內(nèi)，且水的污垢沒有嚴格要求；l 25mm的管子

40、適用于以下情況：管側流體的污垢系數(shù)小于或等于0.00034 m2·K/W；出于工藝設計考慮，如換熱器的允許壓降較小時；l 32mm和38mm的管子只是出于工藝設計考慮，如換熱器的允許壓降較小時：l 未經(jīng)業(yè)主和專利商同意，不得采用小于16mm的管子。為加大管子傳熱面積，常在管子軸向外表面增加低翅以形成螺旋形凹形結構。通常低翅片管只適用于污垢系數(shù)不大于0.00017 m2·K/W的介質，且流體對翅片沒有磨蝕作用。翅片的直徑不應大于其基管直徑，翅片管的壁厚通常指基管的壁厚。在管殼式換熱器中不使用高翅片管，但在套管式和多管式套管換熱器中可以縱向高翅片管。4.1.3 布管形式管子排列

41、方式分30、60、90和45°，選擇原則見表4-3，換熱管中心距不宜小于1.25倍換熱管外徑，常用換熱管中心距見表4-4，其中對于浮頭式換熱器多采用30和60°排列方式。表4-3 排管形式選擇原則形式正三角形轉角正三角形正方形轉角正方形殼側流體不易結垢無限制殼側壓降大于方形排列小于三角形排列大于轉角排列小于正三角形低于轉角正方形高于正方形傳熱系數(shù)大于方形排列小于三角形排列大于轉角排列小于正三角形低于轉角正方形高于正方形表4-4 換熱管中心距外徑（mm）16192022253032353845505557中心管間距（mm）324040455060657076901001101

42、15對于強悍換熱器，要選取適當?shù)膿Q熱管間距以避免焊點重疊，因此強悍換熱器的管間距應當大于等于下式方程所得數(shù)據(jù)：最小允許間距=管外徑+焊接寬度* &；按照標準，焊接寬度一般為3mm。4.1.4 管程數(shù)及程數(shù)分布一般管程數(shù)及程數(shù)分布如下表4-5所示。表4-5 管程數(shù)分布4.2 殼體、管箱及封頭的設計殼體、管箱和封頭共同組成了管殼式換熱器的外殼。管殼式換熱器的殼體通常由管材或板材卷制而成。當直徑400mm時，通常采用管材作殼體和管箱殼體。當直徑400mm時，采用板材卷制殼體和管箱殼體。其直徑系列應與封頭、連接法蘭的系列相匹配，以便于法蘭、封頭的選型。一般情況下，當直徑1000mm時，直徑相差

43、100mm為一個系列；當直徑1000mm時，直徑相差200mm為一個系列；若采用旋壓封頭，其直徑系列的間隔可取為100mm。殼體、管箱和封頭的尺寸由設計者根據(jù)設計參數(shù)確定。在TEMA中，將管殼式換熱器的主要組合部件分為前端管箱、殼體和后端結構（包括管束）三部分，換熱器主要部件分類及代號如圖4-2所示。4.2.1 前端封頭的選擇管箱用于安裝管程流體進出口接管、均勻分配及匯集管程流體和在多管程時改變其流向；”B”型為焊接的封頭管箱，結構簡單，適用于較清潔的介質；“A”、“C”、“N”型的管箱前蓋板可拆下，便于檢查清洗管程，但用材較多；”D”型為鍛造管箱，用于管程壓力超過6.0MPa的場合；管箱上一

44、般均應留有排氣口和殘液排凈口。l 管側污垢熱阻大于0.00035m2K/W時用A型；l 管側污垢熱阻不大于0.00035m2K/W或管側無泄漏時用B型；l 為防止管側流體泄漏，建議用C或N型；l 管側設計壓力高于9800KPa時采用D型。4.2.2 殼體的選型殼體用于容納管束構成殼程，并安裝殼程流體進出口接管，可設置中間隔板使殼程變?yōu)閮沙袒蚴箽こ塘黧w分流。各種分流式殼體用于殼程為大流量、要求低壓降的無相變流體的場合。單殼程”E”型是最常用殼體形式。雙殼程”F”型的壓降是單殼程”E”型壓降的8倍，但當冷熱側流體存在夾點溫度時，它可以減少殼體并聯(lián)的數(shù)量，其應用于：殼側壓降不超過34.3KPa；通常

45、“F”型換熱器具有雙管程，當設計多管程時，要謹慎分析，注意換熱曲線，防止出現(xiàn)溫度交叉?！癎”型和”H”型分流式殼體常用于臥式熱虹吸式再沸器或冷凝器，這時，縱向隔板可抑制殼程液體中輕組分的閃蒸并增進混合，”H”型在流量很大而殼程壓降要求很低時使用。“J”型無隔板分流用于殼側允許壓降特別低的場合，如真空冷凝器，其壓降約為“E”型的1/8。為避免殼程流體出入口處對管束的強烈沖刷，可設置內(nèi)、外導流筒或防沖板。圖4-2 管殼式換熱器主要部件的分類和代號前端管箱型式殼體型式后端結構型式A平蓋管箱E單程殼體L與A相似的固定管板結構M與B相似的固定管板結構F具有縱向隔板的雙程殼體B封頭管箱N與C相似的固定管板

46、結構GH分流P填料函式浮頭可抽管束C用于可拆管束與管板制成一體的管箱雙分流S鉤圈式浮頭JJ1J2無隔板分流(或冷凝器殼體)N與管板制成一體的固定管板管箱T可抽式浮頭K釜式重沸器UU型管束D特殊高壓管箱X錯流W帶套環(huán)填料函式浮頭4.2.3 后端結構的選型 后端結構表示管束、后封頭管和殼體的關系。對于固定管板式，宜選擇”L、M、N”型作為后封頭（該結構換熱器若管殼側金屬壁溫溫差較大，需要加膨脹節(jié)或堵塞接縫）；而對于浮頭式，應選擇”S”型作為后封頭；浮頭式換熱器的殼徑應大于DN300；對于外填料式浮頭”P”和外密封式浮頭”W”型的換熱器不能在中國設計和制造。 后端結構的選擇原則如圖4-3所示。圖4-

47、3 后端結構的選型原則(a) 殼側污垢熱阻低于0.00035 m2K/W或殼側污垢易于化學清洗；(b) 管側污垢熱阻低于0.00035 m2K/W或管側污垢易于化學清洗；(c) 可做到無泄漏；(d) 管側設計壓力高于3920KPa。4.3 其他部件4.3.1 折流板和支撐板折流板可以改變殼程流體的方向，使其垂直于管束流動并提高流速，從而增加流體流動的湍流程度，獲得較好的傳熱效果。折流板一般為等間距布置，管束兩端的折流板盡可能靠近殼程進、出口接管。1） 折流板型式折流板的型式可分為單弓形、雙弓形、三弓形、缺口不管式、盤環(huán)形、孔式和折流圈（折流桿）。弓形折流板適用于無相變的對流傳熱，防止殼程流體平

48、行于管束流動，減少殼程底部液體的沉積。當殼程用于冷凝操作或“F”型換熱器，一般采用豎形折流板。缺口高度可為直徑的10%-40%，相同壓降下，缺口高度為直徑的20%時獲得的傳熱效率最好。為得到較好的錯流和避免流體誘發(fā)振動，常采用缺口不不管形式。盤環(huán)形折流板允許通過的流量大、壓降小，但傳熱效率不如弓形。孔式折流板使流體穿過折流板孔和管子之間的縫隙流動，以增加傳熱效率，這種折流板的壓降大，僅適用于較清潔的流體。折流桿式使流體縱向穿過折流桿與換熱管之間的縫隙，該形式換熱器傳熱效率高、壓降低、防振效果好。2） 折流板間距折流板的間距影響到殼程物流的流向和流速，從而影響到傳熱效率。最小的折流板間距為殼體直

49、徑的1/5，不小于50mm。最大的板間距為殼徑，最好的板間距為殼徑的3060%。折流板或支撐板間距合理，使得最大無支撐管長不超過下表4-6所示數(shù)據(jù)。表4-6 不同換熱管最大無支撐跨距換熱管外徑/mm10121416192532384557最大無支撐跨距鋼管-11001300150018502200250027503200有色金屬管7508509501100130016001900220024002800對于U形管，彎管段半徑加上從支撐板到彎段直管段的距離不超過上表所示數(shù)據(jù)。進出口折流板間距又詳細設計階段工程人員決定，依據(jù)：TEMA、法蘭型式、設計溫度、設計壓力、材料及殼側管嘴尺寸。3） 支撐板

50、當換熱器不需要設置折流板，但換熱管無支撐跨距超過上表規(guī)定時，應設置支撐板，以防止換熱管產(chǎn)生過大擾度。浮頭式換熱器浮頭端宜設置加厚環(huán)板的支撐板。4.3.2 防沖板及導流筒1） 防沖板是為了防止殼側流體對管束的直接沖擊而設置。對于殼側入口是蒸汽或混相介質，應該在殼側入口設置防沖板。對于無相變流體，當入口處的 pV2超過下列值時也應加防沖板， 非腐蝕性，非磨蝕性單相流體 pV2 2230 kg/(m.s2)其他液體，包括沸點下的液體 pV2 740 kg/(m.s2)p流體密度，kg/m3 V流體入口處流速，m/s對于管側流體，下面幾種情況也應做特別考慮，以減少流體對管子末端的磨蝕。l 對于氣體和蒸

51、汽，入口處的pV2超過7000 kg/(m.s2)l 對于液體，入口處的pV2超過9000 kg/(m.s2)。擴大的入口管嘴中不能安裝防沖擋板以避免減少管子，也不能為降低pV2值而在防沖擋板上鉆孔、打洞。2） 換熱器殼側管嘴相對于殼徑較大，或當殼程進出口接管距離板較遠，流體停滯區(qū)過大時，應設置導流筒。然而導流筒的設置加大了腐蝕性流體的腐蝕或塞流發(fā)生聚合。l 倒流帶面積等于導流筒長與帶高的乘積，它等于管嘴面積，或至少為管嘴面積的75%；l 受換熱管長度限制，導流筒長度有限，因此間隙高度可以最大化；l 導流筒設計要以管嘴為中心對稱，使得管嘴周圍槽均勻分布；l 間隙要大于管嘴直徑的0.4倍，最低不低于管嘴直徑的0.3倍；l 總的齒槽面積為管嘴面積的7倍，實際管束入口面積要大大小于總的齒槽面積；l