热交换器的选型和设计指南

2 换热器的分类及结构特点。 1 3 换热器的类型选择 2

4 无相变物流换热器的选择 11 5 冷凝器的选择 13 6 蒸发器的选择 14

7 换热器的合理压力降 17 8 工艺条件中温度的选用 18

9 管壳式换热器接管位置的选取 19 10 结构参数的选取 19

11 管壳式换热器的设计要点 23 12 空冷器的设计要点 32 13 空冷器设计基础数据 35

1 概述

本工作指南为工艺系统工程师提供换热器的选型原则和工艺参数的选取及计算方法。 2 换热器的分类及结构特点。 表 2－1 换热器的结构分类 固定管

板式 刚性结构：用于管壳温差较小的情况(一般≤50°C)，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

管壳式 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：管间容易漏泄，不宜处理易挥发、易爆易燃及压力较高的介质

管 内填料函：密封性能差，只能用于压差较小的场合 式 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，用于传热面较小的冷却器、冷凝器或预热器 螺旋 浸没式 用于管内流体的冷却、冷凝，或者管外流体的加热 盘管式 喷淋式 只用于管内流体的冷却或冷凝

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 板

式 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，可抽出清洗检修，压力不能太高 扩展 板翅式 结构十分紧凑，传热效率高，流体阻力大 表面

式 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、制冷工业

回旋式 盘式 传热效率高，用于高温烟气冷却等 蓄热 鼓式 用于空气预热器等

式 固定格 紧凑式 适用于低温到高温的各种条件 室式 非紧凑式 可用于高温及腐蚀性气体场合

3 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、加工条件、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。 3.1 管壳式换热器

管壳式换热器的应用范围很广，适应性很强，其允许压力可以从高真空到41.5MPa，温度可以从-100°C以下到 1100°C高温。此外，它还具有容量大、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。 3.2 特殊型式的换热器

特殊型式的换热器包括有:板式换热器、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、蛇管式换热器和热管换热器等。它们的使用是受设计温度和设计压力的。在下图中给出了特殊型式的换热器的适用范围，可供参考。

表 3－1 特殊型式换热器的使用范围 3.3 特殊型式的换热管

特殊型式的换热管包括有低翅管、高通量管(UCC)、Thermoexcell-E、C(日立)及槽管等。 3.4 常用换热器

下表中概括地描述了常用换热器的型式及应用条件和特点。 表 3－4 换热器的类型及应用 类 型

Types 换热面积 Size

(m2) 温 度 Temperature

t(°C) 压力(最大) Pressure

(kgf/cm2) 材 料

Material 特 点 和 应 用 Features and Application 1．管 壳 式 换 热 器 管壳式 (标准型)

S&T ≤5000 -270≤t≤1650 600 无 这种类型的换热器被广泛地用在工艺装置中，安全、可靠。可以通过采用特殊类型的换热管来提高其传热性能。 折流杆式

rod baffle ≤5000 -100≤t≤600 300 无 通过折流杆支承换热管来消除 振动。由于壳侧流动是纵向的、和有规律的，因此压力损失较 小，适用于允许压降小的气液 或气体系统。 多管式 multitube

≤50 -100≤t≤600 300 无 因流动为纯逆流，故具有较好 的传热推动力, 当换热面积相 对比较小并且两流体温度交叉

时，可考虑采用此型式。另外，若壳侧传热不好，可使用翅片 管来强化传热。 蛇管式 coiled tube

≤2000 -260≤t≤600 200 铜 铝 不锈钢

碳钢 在低温系统中，因不宜采用铝 材板翅式换热器，而经常使用 蛇管式换热器。 纯逆流流动， 传热可在两股以上流体间进行 高弹性的结构可以克服热应力 在高温的气 气换热时，可采 用不锈钢材料。

2．单 管 式 换 热 器 套管式

double tube ≤10 -100≤t≤600 300 铜 铝 不锈钢

碳钢 当传热面积比较小 m2 )时，一般选用套管式换热 器。流动为纯逆流，制造成本 低，维修容易，但是紧凑性较 差。

长号式 Trombone

≤100 -50≤t≤300 300 铜 铝 不锈钢

碳钢 也称作冲洗式，水被从管侧上 处喷下，加热或冷却管内流体 经常用在利用海水作介质的液 化石油气加热器中。结构简单 并易于维修，但是设备占地面 积较大。 蛇管式

coil ≤10 0≤t≤300 300 铜、铝 不锈钢

碳钢 蛇管式换热管经常被插在罐中 用以加热或冷却罐内的液体。 类 型

Types 换热面积 Size

(m2) 温 度 Temperature t(°C) 压力(最大) Pressure

(kgf/cm2) 材 料

Material 特 点 和 应 用 Features and Application 板式

plate (gasket)

≤2000 -40≤t≤200 25 钛 不锈钢 等

结构紧凑，易维修。 在液液 换热设备中传热系数较高，实 际应用范围广泛。也可于气体 冷却、冷凝或沸腾传热。 螺旋板式

spiral ≤200 -90≤t≤400 20 碳钢 不锈钢钛等

主要有逆流和错流两种形式。当温度存在交叉时，最好选用逆流形式,而当气体冷却或冷凝时,由于错流流动压力损失小，故常采用此形式。另外,要慎重选择流体的流路尽量避免由于两股流体流率不平衡而造成的设备传热性能的降低。 4．翅 片 式 换 热 器 空冷器

air_cooled ≤2000 ≤500

(air temp.: -碳钢

不锈钢

翅片：铝、碳钢 空冷器和管壳式换热器相比， 安装面积大，对空冷器需作包 括结构价格、耗电等因素在内 的综合费用分析。通常当物流 出口温度高于环境温度15°C

或更高时，使用空冷器

较为经济。 板翅式

plate fin ≤10000 －260≤t ≤100(铝) 70 铝 不锈钢

铜 板翅式换热器通常用于低温过程。其传热性能好、重量轻、 结构紧凑，适应性广，可用于 单相流动、冷凝器和蒸发器中 对高温体系中的气 气换热， 目前正逐渐使用材质为不锈钢 的板翅式换热器。对铝合金制 造的板翅式换热器，可利用其 低温延展性和抗拉性好的特点， 特别适用低温或超低温场合。 热管

heat pipe < 2000 -40≤t≤350 不锈钢

铜 流动阻力小、体积小、结构紧凑。由于热管可在热流体和冷 流体两侧通过增加翅片来扩展 受热面，因而大大提高了气 气换热器的传热量，用在气 气换热器中最为有效。 类 型

Types 换热面积 Size

(m2) 温 度 Temperature t(°C) 压力(最大) Pressure

(kgf/cm2) 材 料

Material 特 点 和 应 用 Features and Application

5．特 殊 材 料 的 换 热 器

碳钢 10 石墨

carbon ≤700 ≤160 7 不渗透 性石墨 结构有：管壳式换热器、块状 换热器等。 聚四氟乙烯

teflon ≤80 ≤150 5 聚四氟 乙烯 管壳式和浸泡式换热器，重量

轻、结构紧凑。机械性能较差，只适用于低压工况。 玻璃

glass ≤25 ≤280 9 耐热玻 璃

玻璃换热器有盘管式、喷淋式 管壳式、套管式等型式。常用 在空气预热器或节能装置中， 回收露点以下的排放气热量。 6．特 殊 换 热 管 低翅管

low fin tube ―― ―― ―― 碳钢 不锈钢

铜合金 管子表面的翅片可增大换热面 积2-3倍。与普通管子有着相 同管外径的低翅管经常用作管 壳式换热器的传热管。当壳侧 传热系数低于管侧时，使用低 翅管较为理想。低翅管也同样 可用在冷凝和沸腾传热中。 沸腾用传热强化管 enhanced tube

for boiling ―― ―― ―― 碳钢 不锈钢

铜合金 典型的强化传热管即：高热通 量管(UCC)、Thermoexcell-E

(日立)等。在沸腾传热系数低、温差小(10°C)的蒸发 器中，经常使用强化传热管。

上述管子均可提高传热系数10-20倍。 冷凝用传热强化管 enhanced tube for

condensation

―― ―― ―― 碳钢 不锈钢

铜 典型的强化传热管即：槽管、 Thermoexcell-C(日立)、低翅 管等。使用上述管子均可提高

传热系数2-5倍。

从上表中可以看出在换热器选型时，我们应同时考虑是否选用特殊型式的换热器和采用什么样的换热管为好。当然，我们通常一般首先考虑选用管壳式换热器。另外，认真研究技术规定中的设计要求也是很必要的，而后再选取能最好发挥其特点的合适的换热器。 3.5 管壳式换热器封头和管程数的选取

因管壳式换热器最为常用，下表3－5中给出了其封头选取的一般要求，表3－6，3－7中给出了换热器的管程数值。 表 3－5 TEMA 端部型式的选取 污垢系数：m2.°C /W

污 垢 系 数 管 束 清 洗 方 法(1) 前端固定 尾端封头类型 管 侧 壳 侧 型 式 管 侧 壳 侧 式管箱(2) ≤0.00018 所有 U型管 － － A或B(3) － ≤0.00035 所有 U型管 C － A或B(3) － M(4) － A －

可抽式 C C A或B(3) S或T(5,6) M C A S或T(5,7) C M A或B(3) S或T(5) M M A S或T(5)

≤0.00035 ≤0.00035 固定式 C C A,B或C(8) L,M或N(9,10) M C A L

>0.00035 所有 U型管 M(4) － A － 可抽式 － C A S或T(5) － M A S或T(5)

>0.00035 ≤0.00035 固定式 － C A L 见附图一

(1)C：化学清洗；M：机械清洗，包括高压水力喷射清洗。 (2)A：当管侧或壳侧腐蚀裕度为3.0mm时，首选封头型式。 (3)B：常用的、较为经济的封头型式。

(4)只用于管内侧可用高压水喷射清洗的冷却水系统。 (5)一般使用S形型头，除非有特殊要求时选T型封头。 (6)当壳侧污垢系数≤0.00035时,可以使用不可拆端盖。

(7)当壳侧污垢系数≤0.00035并且管侧可用高压水喷射清洗时，T型封头 可使用不可拆端盖。

(8)B或C：常用型式，比A型经济。 (9)M或N：常用型式，比L型经济。

(10)L：当管侧腐蚀裕度为3.0mm时，首选封头型式。 表 3－6 各类换热器管程数 换 热 器 类 型 管程数

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 拔出浮头式

任意偶数；对于单管程，必须在浮头端加装密封节；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

表 3－7 最 大 管 程 数 壳 内 径 最 大 管 程 数 < 250 4

10

1270 12

3.6 据不同的工艺条件来安排物流

下表从不同的工艺条件出发给出了换热器的一般选型准则。从换热器经济设计的角度考虑，对管、壳式换热器应首先着重考虑物流的安排问题，如果两流体温度交叉(即：高温流体的出口温度低于冷流体的出口温度)，应考虑选流动型式为逆流的换热器。尽管对管壳式换热器可以选F型壳体，但因纵向隔板间会发生热量和流体泄漏，因此多数情况下不推荐使用此种型式的壳体。

表 3 – 8 工艺条件和物流的安排

工 艺 条 件 管 壳 式 换 热 器 推 荐 使 用 的 特 殊 类 型 的 换 热 器 壳 侧 管 侧 高 压 √ U型管式

高 温 √ U型管式、蛇管式 大污垢系数

√ 板式和螺旋板式换热器 高粘度流体

√ 板式和螺旋板式换热器,强化湍流设备(例如扭 管)和静态混和器等

低压力降 √ √ X型壳体、折流杆式换热器和螺旋板式换热器 低流率 √ 板式、螺旋板式、套管式及多管式换热器

腐蚀性流体 √ 选用耐腐蚀材料和特殊材料(石墨、玻璃、聚四 氟乙烯等)的换热器

低温度差 √ √ 逆流型式的换热器。如：单管程、多管式、螺 旋板式及板式换热器等，并可使用强化传热管。

温度交叉 √ √ 逆流型式的换热器，如：单管程、多管式、螺旋板式及板式换热器。

冻结的流体 √ 刺刀式、和带boxorboot的换热器 3.7 冷却系统中换热器的选取

在许多工业过程中，产生的大量热量需要通过冷却系统来排出。过去经常以水作为冷却剂。随着工业的发展，冷却水需求量急剧增加，引起供水困难，因而发展了空气冷却。对一个化工系统，一般包括有水冷系统和空冷系统，或者是这两者的组合系统。当来自冷却器或冷凝器的工艺流体的出口温度较高时，应该考虑选择空气冷却器。通常空冷器比其它类型的换热器经济，设备回收期短，当工艺流体的出口温度高于大气环境温度或更高时，选择空冷器比较理想。当然对空冷器需做包括结构价格、耗电等因素等在内的综合费用分析。而使用水冷系统时也应考虑包括供水、处理、循环使用及废水处理等费用。根据技术经济比较，在气候适宜的地方，当工艺物料的最低温度大于65°C，选用空冷最为合适；而当工艺

物料的最低温度小于 50°C，则宜用水冷；在这两温度之间，则应作详细的经济分析，以确定用何种型式。一般来说，当工艺流体温度较低时，使用空冷器和管壳式水冷器的混合系统比较合理，通常高于60°C的部分热量用空冷器取走，其余部分热量用水冷器取走。 3.7.1 选用空冷器的原则

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，特别是化工厂，将热水排入环境的热污染也应注意。 3.7.2 符合下列条件时，选用空冷更为有利: 1) 空气进口温度设计值 < 38°C

2) 热流体出口温度与空气进口温度之差 > 15°C 3) 有效对数平均温差 ≥ 40°C 4) 热流体凝固温度 < 0°C

5) 热流体出口温度的允许波动范围 6) 管侧允许压力降 > 10kpa

7) 管内介质的传热膜系数 < 2300w/m2.K 8) 冷却水污垢系数 > 0.0002m2.°C/W

4 无相变物流换热器的选择

4.1 无相变流动的换热器应遵循表 3－8 中的通用规则。

4.2 在大多数情况下，单相流动可以选用特殊型式的换热器，这些换热器可以达到节省设备结构造价和降低能耗的目的。在设备选型时可参考下表中不同类型换热器的传热系数值。

常用换热器的总传热系数Kcal/(h.m2.°C)

流 股 A 流 股 B 管壳式 板式 螺旋板 其 它 型 式 水 冷却水 700 4000 1500 选板式换热器较理想 烃类

(μ<1cp) 冷却水 500 1500 1000 考虑板式换热器或空冷器 烃类

(5cp<μ<10cp) 冷却水 250 1000 600 气体(1bar) 冷却水 70 200 80

a.若选用低翅片管，总传热系数 可增大两倍以上。U＝150 (气体1bar)

b.折流杆式换热器的压力损失小。 另外，X型壳体、和螺旋 板式的压力损失也较小

气体(5bar) 冷却水 150 200 200 c.为防止管子振动破坏，可选用 气体(10bar) 冷却水 260 200 300 折流杆式换热器、管窗内不排管 气体(20bar) 冷却水 330 ―― ―― 的管壳式换热器 d.如果气侧设计压力低 5kgf/cm2 (g),考虑用高翅片管

e.空冷器和管壳式换热器的总传 热系数相当

流 股 A 流 股 B 管壳式 板式 螺旋板 其 它 型 式

烃类

(5cp<μ<10cp) 烃类 (5cp<μ<

10cp 150 600 400 若在管壳式换热器中流动为层流，则使用板式换热器较为理想、合理。 气体

(1bar) 气体

(1bar) 40 ―― ―― a.热管换热器的总传热系数 ?400(5kgf/cm2) 气体

(5bar) 气体

(5bar) 100 ―― ―― 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U相近。 气体

(10bar) 气体

(10bar) 180 ―― ―― c.紧凑式换热器：板翅式换热器 (铝材或不锈钢)。 气体

(20bar) 气体

(20bar) 250 ―― ―― d.高温工况：板翅式(不锈钢)蛇管式换热器(总传热系数和管壳

式换热器相近)。 气体

(1bar) 烃类

(μ＝10cp) 60 ―― 70 对高粘度流体可选用螺旋板式 换热器。

气体(5bar) 烃类

(μ＝5cp) 130 ―― 150 气体

(20bar) 烃类

(μ<1cp) 330 ―― ――

蒸气 冷却水 900 ―― 1500 选错流型式的螺旋板式换热器。 蒸气 烃类 700 ―― 1200 选错流型式的螺旋板式换热器。

4.3 对水－水系统(包括海水)首选板式换热器。板式换热器在价格、重量、紧凑性方面都是最好的。但要注意污垢系数应小于任何管壳式换热器，它的传热性能通常决定于厂商提供的板片形式。

4.4 当冷却器出口温度高于大气环境温度或更高时，考虑用空冷器。

4.5 对管壳式换热器，经常使用低翅管来增强壳侧的传热。一般壳侧传热系数会有两倍或三倍的提高。特别当壳侧传热系数低于管侧一半时，采用低翅管特别有效。当某一流体在管侧的传热系数过低时，则考虑变换管侧流动为壳侧流动，并选用低翅管。当流体较脏时，会有

很多未知因素造成换热器的严重结垢，因此不要使用低翅片换热管。

5 冷凝器的选择

5.1 一个冷凝器的传热性能很大程度上取决于换热器的型式、流体的分布以及冷凝侧的工艺条件。对冷凝器的选取应在考虑了3-8表中的通用选型规定外，并同时考虑下表中的工艺条件。

冷 凝 器 选 型 指 南

管 侧 冷 凝 壳 侧 冷 凝

工艺条件 水 平 垂 直 方 向 水 平 方 向 垂 直 方 向 方 向 向下流 向上流 错 流 折 流 向下流 向上流 单组份 好 好 尚好－不好 好 好 好 尚好－不好 多组份 好 好 尚好－不好 不好 好 好 尚好－不好 含不凝气 好 好 不好 尚好 好 尚好 不用 过冷气 不好 好 不用 不好 不好 尚好 不用 压力降

高 好 好 不用 尚好 好 好 不用 低 尚好 好 尚好 好 尚好 尚好 尚好 冷却剂

液体 好 好 好 好 好 好 好 气体 好 好 好 好 好 好 好 沸腾 好 好 好 不好 不好 好 好 5.2 当冷凝器的冷凝温度高于环境温度或更高时，考虑使用空冷器。 5.3 特殊类型的换热器有时也可用做冷凝器，下表中给出了几个常用的实例。 换热器类型 应用实例

板式换热器 冷冻剂冷凝器、蒸汽冷凝器和烃类冷凝器 螺旋板式换热器 蒸汽冷凝器和烃类冷凝器 (常用在塔顶馏出物冷凝器中)

板翅式换热器 冷冻剂冷凝器(用于低温系统) 蛇管式换热器 冷冻剂冷凝器

5.4 对可能会有冷冻发生的冷凝器，当物流在壳侧冷凝时，通常要考虑加大管间距，并需要注意考虑金属温度、冷凝液流动和不凝气的放空等问题。也可使用专门的防冻剂冷凝器或刺刀式和带有冷凝液排出箱的冷凝器。

5.5 在冷凝器中为了强化传热，也常常使用强化传热管，如：低翅管、Thermonexcell-C(日立)和槽式管(垂直使用)。低翅管较普遍地用于工艺装置中。而其它两种则更多地用于空调生产中。这些管可强化传热，提高传热系数两倍至五倍。但应高度重视它们的结垢问题。 6 蒸发器的选择

6.1蒸发器或再沸器可以分成(1)内置式、(2)釜式、(3)卧式热虹吸式、(4)立式热虹吸式、(5)强制循环式。在下表中列出了各种蒸发器的特点。蒸 发 器 的 类 型 及 特 点 类型沸 腾 模 型 特点

(1)内置式 壳侧池内沸腾 不需要壳体和接管，因此设备造价低。由于是塔内置的形式，管束长度受蒸馏塔直径，故尺寸有限。换热面积大，换热率低，易结垢。

(2)釜式 壳侧池内沸腾 尽管需要有较大的壳径来分离气体和液体，但因管线系统简单，设备造价并不高。容易维修和清洗，容易操作和控制。但换热面积大、换热率低，易结

垢，用短粗管束时蒸汽会覆盖换热管。

(3)卧式热虹吸式 壳侧沸腾 为获得好的流体分布，通常使用多个接管，这样造成了管线系统的复杂，提高了设备价。有较高的换热率，容易维修和清洗，可控制性好，不易结垢。

(4)立式热虹吸式 管侧沸腾 设备被直接安装在塔旁由于管线系统简单,故设备造价低。换热率很大，不易结垢，占地面积小，可用于真空和低压系统。为获得好的循环，可能需要比较高的塔裙高度。管长通常受塔裙高度、传热面积的。维修和清洗困难，不能用于有过流量和突然脉动可能的系统，当沸点有较高的提升时会使蒸汽的发生率较低。 (5)强制循环式 壳侧或管侧沸腾

用泵使液体流动并进行循环。它可以维持很高的循环率，因此结垢较少。它们也适用于粘性和固体－润滑液体，沸腾传热可以发生在管内也可以在管外，能够处理粘性较大的流体。管内强制循环再沸器更适用于结垢性、粘性和有悬浮粒子的液体以及低压系统。在多数系统中一般适合采用外沸腾管束。另外，循环率是受到泵控制的，因此要考虑泵动力消耗的费用，可以通过流体的循环体积、首期投资和操作费用来优化计算循环率。

6.2 对蒸发器或再沸器，传热性能可能会因设备型式的选择、沸腾侧的工艺条件而有很大变化。因此，在选择一个合适的蒸发器或再沸器时，除了要考虑前面所说的通用规则外，还应考虑下表中所列的操作压力、设计温差、污垢系数及混合液沸腾范围在内的工艺条件。 蒸发器或再沸器选型指南 工 艺 条 件 再 沸 器 类 型 釜 式 或

内 置 式 卧 式 壳侧热虹吸式 立 式 管侧热虹吸式 强制流动 操作压力

常压 E G B E

接近临界压力 B-E R Rd E 真空 B R Rd E 设计温差

适中 E G B E 大 B R G-Rd E

小(对混和物) F F Rd P 非常小(纯组份) B F P P 污垢

清洁 G G G E 中度 Rd G B E 严重 P Rd B G 非常严重 P P Rd B 混合液沸腾范围

纯组份 G G G E 窄馏分物质 G G B E 宽馏分物质 F G B E

非常宽的馏分物(粘性液) F-P G-Rd P B

B(best):最好;G(good):好的;F(fair):尚好,但可选更好的;Rd(riskydesign):危险的，除非小心设

计，但在有些工况下可做其它更好的选择;R(risky)：由于数据不充分，冒险;P(poor):不好的操作；E:(operable)可行，但是增加了不必要的费用。

6.3 对卧式循环式的蒸发器或再沸器，为了避免在壳侧两相流动的流体气－液相分离，推荐使用G型壳体或H型壳体，而当使用E型壳体或J型壳体时，应选择横向流动，并尽量使管长与壳径之比等于5或小于5。

6.4 对立式热虹吸再沸器，有两种形式的出口接管。(1)塔侧面与再沸器顶部相连型式，(2)塔和再沸器直接相连的型式。对纯组份的沸腾，(1)、(2)两种接管型式均可。而对混合物的沸腾，最好选用(1)形式的接管。热虹吸再沸器的循环是靠入口和出口管道之间 的水力静压差来维持的。为了达到较高的循环率并且很好地控制它，应该减小管道中的压力降。这就需要慎重地选择管道直径、材料、布置方式、阀门、弯头及其它管件。

6.5 当在立式或卧式热虹吸再沸器中，热介质为单相流时，逆流和平行流动都是可行的，应通过对温度差、循环率和传热性能的综合考虑来选择何种为最好。

6.6 特殊型式的换热器用于蒸发器或再沸器的情况并不多，在下表中列出了几个应用实例。

换热器的型式 应用实例 板式换热器 冷冻剂蒸发器

板翅式换热器 LNG和LPG蒸发器 蛇管式换热器 冷冻剂蒸发器 热管换热器 壳侧蒸发器

6.7 高热通量管(UCC)、Thermonexcell-E(日立)等特殊型式的换热管也常用于蒸发器中，一般可提高传热系数10到20倍。当平均温差较小(Tm＜10°C)、沸腾传热系数低时，应考虑利用以上特殊型式的换热管。 7 换热器的合理压力降

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。在下表中给出了常用的换热器的压降值，可供计算时参考。 管壳式换热器、空冷器和套管式换热器

物 流 压 降 值 气体和蒸汽(高压 气体和蒸汽(低压 气体和蒸汽(常压 蒸汽(真空) < 3.5Kpa 蒸汽(真空塔冷凝器.6Kpa 液体 F型壳体，壳侧压降 （Max.）

板翅式换热器

物流 压 降 值 气体和蒸汽 液体

对管壳式换热器也可按下表选取合理的压力降 操作情况 操作压力 合理的压力降 减压操作 P＝

低压操作 P＝表) P/2 P＝表) 35Kpa 中压操作(包括用泵) P＝表 较高压操作 P＝表

8 工艺条件中温度的选用

8.1 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。 8.2 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。 8.3 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。

8.4 在对反应物进行冷却时，为了控制反应，应维持反应物流和冷却剂之间的温差不应低于10°C。

8.5 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。

8.6 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。

8.7 换热器的设计温度应高于最大操作温度，一般高详见-94)。 9 管壳式换热器接管位置的选取

换热器接管位置建议遵循下列原则：

1) 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 2) 被冷凝的流体，不论是在管侧或壳侧，应从上向下流动 3) 被冷却流体的流动方向，应从管线经济角度考虑而定 10 结构参数的选取 10.1换热管的选取

管子必须能够承受：内、外侧的压力；两侧的温度；由管、壳膨胀差所引起的热应力；管侧和壳侧流体的腐蚀性。 10.1.1管型

常用换热管为光管和外翅片管，近几年一种新型换热管－波节管也常被用于采暖、供热上，另外，高通量强化管也被用于某些特定的场合。在选取换热管时要充分考虑其可用性、适应范围及管材价格。管壳式换热器通常惯例使用光管作换热管，它可以用任何材料做成，并满足有较宽的管壁范围，这种型式的换热管适用于所有管壳式换热器。低翅管的翅片可将光管的外表面积增大约2.5倍。当壳侧污垢系数小于0.00053m2.K/W时使用低翅管较为经济，但它不可用在腐蚀速率超过0.05mm/年的场合，由于此时翅片的寿命将只有3年或更短。对同样长度和壁厚的光管来说，翅片管的价格要高出其，因此，只有当光管的管外总阻力与管内总阻力之比大于或等于3时，需要采用外翅片管。这种情况经常会发生在用蒸汽加热的再沸器、预热器、水冷器和处理有机流体的冷凝器中。但若光管的管外总阻力与管内总阻力之比小于3时，可作一下具体的经济比较，因若采用外翅管可减小壳径，降低成本，故哪种管型较合理需具体情况具体分析。翅片管的另一个特殊用途是解除瓶颈问题，扩大现有设备的能力。而当传热壁两侧传热膜系数都很小时，宜用两面带翅的设备，如板翅式换热器或外翅管内加麻花条或螺旋线强化器。 10.1.2 管长

管长的选取是受到两方面因素的，一个是材料费用，另一个是可用性。长一点的管

子(12.2m的碳钢管，21.3m的铜合金管)通常只在美国可以得到。但是6m长的换热管则是很普遍的。无相变换热时，管子较长则传热系数也增加，在相同传热面时，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，因此，一般选用的换热管。对于大面积、或无相变的换热器可以选用

的管长。在冷凝器中选用长管子的一个缺点是会增大设备放置平台的钢结构，增加费用。另外，长管束也需要有较大的管子抽出空间，因此需要增加设备的占地面积。 10.1.3 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，直接火加热时多采用76mm的管径。常用国内换热管的规格见表10－1。

表 10－1 常用国内换热管的规格 材 料 钢 管 标 准 外径 x 厚度mm 10 x 1.5 14 x 2 19 x 2 25 x 2

碳 钢 GB8163-87 25 x 2.5 32 x 3 38 x 3 45 x 3 57 x 3.5 10 x 1.5 14 x 2 19 x 2

不 锈 钢 GB2270-80 25 x 2 32 x 2 38 x 2.5 45 x 2.5 57 x 2.5 10.2. 折流板的选取

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。 10.2.1 折流板型式

折流板的型式有圆缺形、环盘形和孔流性等。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。在要求压降小的情况下，也可选用环盘形折流板，但传热较差，应用较少。孔流形折流板使流体穿过折流板孔和管子之间的缝隙流动，压降大，仅适用于清洁流体，应用更少。 10.2.2 折流杆

折流杆换热器是由许多折流杆在不同位置支撑管子的结构。杆子之间用圆环相连，四个圆环组成一组，因而能牢固地将管自支撑住，有效地防止管束的振动。同时又起到了强化传热、防止污垢沉积和减小阻力的作用，其应用正在不断增加。 10.2.3 折流板圆缺位置

水平放置的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。

10.2.4 折流板圆缺高度

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％。

10.2.5 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。 10.3 防旁流设施 10.3.1 密封条

密封条也称旁路挡板，主要防止物流由壳体和管束之间的旁流。密封条沿着壳体嵌入到已铣好的凹槽的折流板内，它一般是成对设置的，数量推荐如下： 公称直径DN≤500mm时，一对挡板； 500mm固定管板式和U型管式换热器不必使用密封条，因为这些设备壳体于OTL的间隙不大。在有相变发生的设备中，即使间隙很大也不使用密封条，因为密封条会影响汽相和液相的分离，而且再沸器与冷凝器等设备的性能主要不是由错流流动决定的。 10.3.2盲管

可防止中等或大型换热器壳程中部物流的旁流，设置于分程隔板槽背面两管板之间，一般与换热管的规格相同，可于折流板点焊固定，也可用拉杆（带定距管或不带定距管）代替。

10.3.3 缓冲挡板

当非腐蚀性液体在壳程入口管处的动能 ρυ2>2230kg/m2.s, 腐蚀性液体ρυ2>740 kg/m2.s，且进入的物流为气体和饱和水蒸汽或者为气－液混和物时，这些物流将对入口处的管子进行冲击，引起振动和腐蚀。为了保护这部分管子应设置缓冲挡板。

11 管壳式换热器的设计要点

换热器的设计过程包括计算换热面积和选型两个方面。有关换热器的选型问题，前面已经讲过了，下面主要介绍管壳式换热器的设计要点及如何分析计算结果、调整计算，而设计出满足工艺需要的、传热效率高的换热器。 11.1设计计算的基本模型及换热器的性能参数

换热器的性能主要是通过下列公式来描述的。 a.冷、热两流体间热量平衡

Qreq=(WCpΔT)hot=(WCpΔT)cold W--流体质量流量 Cp--流体的比热 hot--热流体 cold--冷流体

ΔT--进出口温度差 b.传热率方程

Qact=(A)(ΔTm)(1/ΣR)

ΣR=(1/hi)o+(1/ho)o+(Rf)o+(Rw)o ΣR--总热阻 A--传热面

hi、ho--分别为两流体的传热膜系数 Rf--两流体的污垢热阻 Rw--金属壁面热阻 ΔTm--平均温度差

O--通常换热计算以换热管外表面为基准 c. 传热率的估算 Qact≥Qreq

d. 对压力降的条件 (ΔPi)act≤(ΔPi)allow (ΔPo)act≤(ΔPo)allow ΔP--压力降 下标i表示管内 下标o表示管外 11.2 换热器的计算类型

换热器的计算类型常分为设计计算和校核计算两大类。换热器计算一般需要三大类数据：结构数据、工艺数据和物性数据，其中结构数据的选择在换热器中最为重要。在管壳式换热器的设计中包含有一系列的选择问题，如壳体型式、管程数、管子类型、管长、管子排列、折流板型式、冷热流体流动通道方式等方面的选择。工艺数据包括冷、热流体的流量、进出口温度、进口压力、允许压降及污垢系数等。物性数据包括冷、热流体在进出口温度下的密度、比热容、粘度、导热系数、表面张力。 a.设计计算 Design

设计计算就是通过给定的工艺条件，来确定一台未知换热器的结构参数，并使其结构最优、尺寸最小。对设计计算应先确定下列基本的几何参数： －－管长 －－管间距 －－流向角

－－换热管外径及管壁厚 b.校核计算 Rating

校核计算就是评估一台已知换热器的传热性能，即通过校核设备的几何尺寸来看其 是否能满足传热要求。校核计算应已知下列基本的几何参数： －－管程数

－－壳内径/管数

－－折流板间距/折流板数 －－管长/管间距 －－流向角

－－管内径/管壁厚 11.2.1设计元素的选取

设计计算时应考虑下列的几个基本设计元素： －－壳体型式：TEMAE，F，G，J，K，X。 －－壳内径：通常最大为2米。 －－换热管几何尺寸：光管、翅片管

管径(19mm,25.4mm等)

管长系列(3m,5m,6m,7.2m等) －－管子排列角：30°，60°，45°，90° －－管间距：倍的管子外径

－－折流板型式：单圆缺、双圆缺、管窗内不排管及为防止管子振动而加的支承板。 11.3 最终计算结果的分析

目前，换热器计算常用的计算软件为美国的HTRI和英国的HTFS，这两大软件均为在国际上享有盛誉的传热设备专用计算软件。当设计计算结束后，如何根据实际的工况，来判断计算结果是否满足要求，出现问题后如何解决，这对设计者来说都是很重要的,在评价最终设计计算时应考虑并校核以下各项。 11.3.1 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，但有时根据实际需要，长、径之比可增到15或20，但不常见。对立式热虹吸再沸器，要控制其长、径比在之内。 11.3.2 热阻大小

首先根据流体的物系及实际经验来推断一下传热系数值是否合理，应特别注意管内雷诺数的大小。在层流流动(管侧Re<2000,壳侧Re<300)和过渡区流动中，应使用分段计算的方式(HTFS程序无此功能)，以确保传热系数值计算的正确。在评估计算结果的同时，应考虑程序计算的精确度。如果热阻在管侧和壳侧分布平衡，则该设计是好的，如果一侧热阻值过大，应该分析原因，分析管、壳侧冷、热流体的分布是否合理，如果是由于某一侧污垢系数过大而引起的，则可不必进一步修改原设计。 11.3.3 设计余量

换热器设计计算时设计余量值的大小取决于计算精度、实际经验及对现场的操作控制等。例如：对冷却水换热器，当水流速大于1.5m/s时，没必要给出过大的设计余量，过大的余量反而会造成水流速的降低。但对层流和过渡区流动，由于计算精度不好，故需要给出较大的设计余量，通常需要在考虑了传热阻力值的大小和程序的计算精度后决定。对再沸腾器，过大的设计余量反而是无益的，特别是在设备运转初期，会发生如控制困难等操作问题。另外，有些设计计算，为了满足允许压降值的，可能会造成设计余量较大，此时应根据实际经验来判定计算结果是否正确或对允许压降值的大小作适当的调整。 11.3.4 压降的利用和分布

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。在校核了计算所得压降值是否小于允许值之后，应对压降的分布作进一步的校核，这其中包括有进、出口接管处压降、错流和管窗流的压降,压力降必须大部分分布在换热率高的地方，如横掠管束的错流流动处；如果在接管或管窗处的压降占总压降的比例较

大，应考虑增大接管尺寸及折流板间距。一般对进、出口接管的压降希望控制在总压降的30％左右。特别对有轴向接管的换热器，接管部分的压降最好控制在总压降的30％以下，否则会造成管子进口处的偏流。为防止物流对壳程入口处的管子进行冲击，引起振动和腐蚀，一般均在换热器壳程进口处设置防冲板或分布器，在计算压降时要有所考虑。另一个必须记住的事实是，允许压降是人为给定的，所以，如果在设计中允许压降得到了充分利用，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。 11.3.5 流速

需校核管子进出口处、壳侧进口处和接管内的流速。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。对冷却水系统，设计计算时可参考下表中推荐的值(碳钢管)。

最 小 流 速 最 大 流 速 推 荐 值 管 侧 1.0 m/s 3.0 m/s 大于 1.5m/s 壳 侧 如果冷却水的流速低于上表中的最小流速，最好征得工艺工程师的同意增大允许压降或变化冷却水的流率。

对冷却水以外的单相和两相流用ρv2值判断。对壳侧进口流速，按TEMA规定ρv2值不能超过5950 Kg/MS2(碳钢管)。对管窗内不排管换热器，管窗流速应为错流速度的倍，气体和蒸汽的流速可在之间。 11.3.6 壳侧流路分析

HTRI程序在计算结果中对壳侧各流路给出了较详细的分析，可以参考下表中给 A,B,C,E,F流的推荐值。

流路A－－折流板管孔和管子之间的泄漏流路； 流路B－－错流流路；

流路C－－管束外围和壳内壁之间的旁流流路； 流路E－－折流板与壳内壁之间的泄漏流路； 流路F－－管程分程隔板处的中间穿流流路。 流路名称 Flow Fraction B 错流 >0.6(湍流，Re>300)

>0.4(层流，Re>300) B流路对传热有利，其值应尽量大。 C

F 旁流 0.1 C，F值最好不超过 0.1,为满足这一条 件，可使用密封装置。对浮头式或小壳 径壳体的换热器，如果C值较大，应使 用密封装置。对U型管或管程数较多的 换热器，通常F值会较大，应考虑在管 程分程隔板处使用密封装置(如密封垫 或密封杆)或改变管子排列方式和折流 板圆缺位置。

A 泄漏流 0.15 应尽量减少泄漏，但当污垢系数超过 0.0008m2h°C/kcal时，由于污垢可能会

将管子和折流板管孔之间的间隙堵塞，因此，A值较大也无妨，但此时对壳侧压 力损失应留有余量，最好计算一下。一 但间隙被堵塞，壳侧压降为多大。

E 泄漏流 0.05 E值会造成温度剖面的变形，如果E值大 于0.15,可使用双圆缺折流板。

最大限度地加大B－stream(错流)，减少泄漏流，而事实上漏流不可能也不必要被全 部阻止，因为安装换热器时总需要有间隙。 11.3.7对折流板的设计分析

单圆缺和双圆缺折流板为管壳式换热器中常用的折流板型式，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。

a. 从流体流动、传热和污垢系数等方面考虑，最好将折流板的圆缺高度控制在壳体直径的％，而板间距则控制在壳体直径％之间,并不应小于50mm。 b. 避免大圆缺小间距或小圆缺大间距的设计。应优化选取折流板圆缺的大小和板间距大小，通常β值(折流板圆缺修正系数)最好在之间。

c. 除了管窗内不排管以外，流体的错流速度和在管窗内的流动速度不应相差太大，流体在 X－flow 和 Window 内的速度大并且越接近越好。

d. 如果壳侧压降受到允许压降的，考虑使用双圆缺折流板，若还是不行，考 虑变化壳体型式，选用TEMA的J、G、H、X型壳体。 11.3.8 有效平均温差

在HTRI程序中是这样描述有效平均温差的: EffectiveMTD=(LMTD)(F)(DELTA)

其中：LMTD为对数平均温差 F＝(TUBE)(BAFFLES)(F/G)(HOT/COLD)

TUBE:即Ft，是对管侧多管程流动的修正系数。通常设计计算时应保证Ft大于0.8。当Ft小于0.8时,换热器的经济效益是不合理的，此时应另选其它流动型式，以提高 Ft值。如：增加管程数或壳程数，或着用几台换热器串联，必要时亦可调整温度条件。但在特殊情况下，如温度有交叉时，Ft＝0.75,也能接受。

BAFFLE:即折流板数修正系数。当折流板数较少时，壳侧流体的混合流动性能较低，故需进行修正。通常此值等于1.0。 DELTA: 温度变形系数。这个系数是用来计算E流对温度差的影响大小的。设计计算时希望

若应考虑采用E流路小的折流板型式，也可增加换热器的串联数。

HOT/COLD：是对由于物性参数变化而造成的总传热系数变化的修正，通常为。 F/G：在TEMAF型壳体和G型壳体中，有一纵向横隔板，F/G就是对通过此板的热量泄漏的修正。如果考虑使用保温板或增加壳程串联数。 11.3.9 总传热系数

首先从流体的相态、物性和以往经验上来分析计算结果是否合理。另外，污 垢系数的选取对传热系数也有很大的影响，对计算结果应综合分析，并结合实际经验来评定。 11.3.10 管子振动

换热管的管束属于弹性体，被流过的流体扰动，离开其平衡位置，管子产生振动。在壳侧，拉杆和隔板也有振动的倾向，但这些部件的刚性比管子大，所以不容易被激起振动。设计计算结束后为保证换热器的稳定操作，应校核计算结果中的有关管振动各项数值，如：临界流动速度(criticalvelocity)、涡流脱落(vortexshedding)、湍流抖振(turbulentbuffeting)、声音共振(acousticresonance)和振幅等。通常当折流板间距(包括进、出口处)超过400mm时，

有可能发生管子振动。当壳侧物流为液体时，需仔细检查临界流动速度及涡流脱落频率值的大小；而当壳侧物流是气体时，应仔细检查临界流动速度、涡流脱落、湍流抖振、声音共振和振幅等值是否满足无振动的要求。如果因为在进、出口处的折流板间距过大而造成了振动，可通过在接管口下增加支撑板来避免。另外为避免振动的发生，折流板间距应小于TEMA最大不支撑长度的80％。

11.4 如何调整设计方案，得到最佳计算结果 通常情况下，象温度、压降和传热系数等设计计算控制要素很少彼此较好地相配合，经常是某一设计要素为设计计算的控制因素，由于一个简单的设计变更能带来设备尺寸的减小，因此找出控制因素能尽快有效的帮你解决问题。 11.4.1传热系数为控制因素时

总传热阻力的大小主要是由壳侧、管侧、污垢和管子的金属阻力来决定的，为了提高总传热系数的大小，应分析是哪一侧的传热系数影响了它，采用何种方法，可以提高传热系数值。

a.提高壳侧传热系数的方法 －使用低翅管

－减小换热管外径和管间距

－提高B流速度(可使用密封设备或减小壳体和折流板之间的间距) －选用F型或G型壳体 b.提高管侧传热系数的方法 －减小管外径 －增加管长

－变换流动分布，管侧流动改为壳侧流动 11.4.2 压力降为控制因素时

a.可通过下述方法来减小壳侧压力降 －使用双圆缺折流板或管窗内不排管 －选用TEMA J型壳体 －增加管间距

－改变流向角，可选用45°或90° b.可通过下述方法来减小管侧压力降 －增大管子外径 －减小管长

11.4.3 温差推动力为因素时

为提高温差推动力，最好选用纯逆流型设备。 －增加壳程数

－减小E流的大小

11.4.4设计中预料到振动时应采取什么措施

应采取以下措施中的一种或多种，以降低扰动频率或增加自然频率。 1) 减小管子跨距长度：这可以增加自然频率同时也使错流速度增加。

2) 减小壳侧流体速度：可以用减小流量和改变管距或流向角的方法达到这个目的，结果是使扰动频率降低。

3) 改变折流板型式：折流板窗中无管的设计，使所有的管子都受到支撑，因此，将折流板改变成这种形式，可以减少最长跨距的管子，因而可以增加自然频率。

4) 降低壳体入口流速：如果对进口区域的可靠性有疑问，应使用较大的进口管直径、防冲板，并环绕壳体安装一个挡板，以便提供较大的进口面积，这样可以减少干扰频率。

5) 增加折流板厚度。

6) 将管与折流板孔之间的间隙减至最小。 7) 折流板材料不应比管子材料硬。 8) 使用厚壁管并使管子紧固。

9) 如果预计有声学振动，则可采用解谐隔板。 10) 堵塞所有旁路流和流程分隔漏流，因为这些地方流速高(由于流动阻力)，可能局部损坏管子。 在上面项中，换热器的热力性能和压降都必须重新计算。第项不明显影响换热器的热力性质。第项增加了自然频率。第10)项可以加强热力性能。 12 空冷器的设计要点

空冷器主要由管束、风机和构架组成。设计计算的目的是要估算出换热面积的大小、设备占地面积及电机功率。空冷器的管束通常是由几排以30度角排列的管子组成的矩形管束，与空气进行逆流传热，即热流体进入管束的上部，而空气则垂直向上通过管束，设计计算时要考虑运输条件对管束最大宽度和层数的，通常单片管束的宽度可到3.6米，最大层数为8。尽管在管子系列中可供选择的管子有很多，但多数情况下常选用9 米长的换热管。另外，选长管子和多管层的管束在单位面积上所占的空间较小。 12.1 空冷器的优缺点

在3.7.1中已对空冷器的选用原则作了描述，为进一步了解空冷器的优缺点，选择合适的空冷器，现将其优缺点列表如下：

优 点 缺 点

1.空气不计费用，随地可取 1.空气比热小，要求换热面积大

2.装置地点不受气源 2.只能冷却到干球温度，热流体出口温度较高 3.空气很少有腐蚀性，不需要防

垢和清扫 (海边情况除外) 3.风机有噪音和振动 4.操作费用低，因为压降仅为12 水柱 4.受气候影响大

5.对环境污染少 5.安装时要考虑周围其他设备或建筑物的影响， 防止形成热环流

6.维修费用低，仅为水冷的

30％ 6.热流体出口温度波动较大，精确控制较困难 7.设计时技巧性强 12.2 风机型式

空冷器按通风方式分类有鼓风式(forced draft)和引风式(induced draft)两种，每种型式都有其特点，在选用前要仔细权衡考虑。 鼓风式空冷器的优点: 1) 当空气侧温升大于28°C时，风机功率通常较小;

2) 风机可设于地面，装置紧凑，维修方便，并因风机和V形皮带组合件不暴露于装置

出口的热空气流中，结构费用较低，机械使用寿命较长;

3) 空气侧传热膜系数由于风扇叶片的扰动而增大，相对可节省功率消耗; 4) 可通过控制空气的再循环，来避免冷冻物和凝固物的产生; 5) 当空气出口温度超过93°C或进口工艺物料的温度超过121°C时，推荐使用鼓风式风机，而在空气出口温度较高，风机停止或在低空气流量的情况下运行时，若选用引风式风机会造成叶片、轴承和V形皮带的损坏；

6) 在冷气候下易采用热空气再循环调节。 鼓风式空冷器的缺点:

1) 在整个管束上的空气分配不均；

2) 由于出口流速低，造成热风循环，受气候因素的影响较大;

3) 当由于停电或其他原因造成风机不工作时，由于缺少自然抽力，故自然通风不好; 4) 管束全部暴露在雨水、冰雹和阳光下，对工艺物料温度的控制和稳定性操作造成困难。 引风式空冷器的优点:

1) 当空气侧温升小于28°C时，风机功率通常较小; 2) 在整个管束上气流分布均匀;

3) 由于出口风速大(是鼓风式出口空气速度的倍)，热风循环小;

4) 在突然的温度变化可能引起产品破坏和损失的操作中，引风式装置可给予更好的防护， 由于引风式的烟囱自然抽力作用比较大，增强了风扇故障时的抽气能力。另外，与鼓风式相比仅有小部分表面暴露于太阳、降雨、冰雹和雪中。 引风式空冷器的缺点：

1) 空气出口温度不得超过93°C，以保护放在管束上方的风机叶片、轴承和V形皮带不受损 坏;

2) 由于风扇安装在热空气中，要求风机的功率较大，安装较困难;

3) 如果将风机、齿轮和V形皮带放在管束下方，则风机的轴被设计成通过管束，这样将要增大管束的宽度。 12.3 管束

管束的主要部件是翅片管和顶盖。管束的迎风面积是它的长度乘宽度，空气通过管束的净有效面积约为管束迎面面积的50％。标准空气的迎面速度(FV) 是标准空气穿过管束的速度，通常的变化范围为。 12.4 管子

常用的管子外径为25.4mm，翅片高度为 ，翅片间距为，管子三角形节距为 。扩展表面与光管外表面的比值约为 。管子的长度是不同的，可以长达18.3 米，当管长超过12.2 米时，在每个机区通常安装三台通风机，经常使用的管长为米。 12.5 翅片管结构

通常应用的翅片管结构如下：

1. 嵌入型(mechanically embedded fin)：在拉力作用下缠绕的矩形截面的铝翅片，用机械方法被嵌入深的凹槽中，呈螺旋形切入管子外表面，金属设计温度低于399°C。 2. 整体型(extruded fin)：用机械方法将已挤压成型的由翅片制成的铝外管结合在内管或衬管上，金属设计温度低于288°C。

3. 重叠L型(overlapped footed tension wound fin)：将L型铝翅片在拉力作用下缠绕在管子外表面上，同时管子被在翅片下边和两翅片之间的重叠根部所完全覆盖，金属设计温度低于232°C。

4. L型：(footed tension wound fin)将L型铝翅片在拉力作用下，缠绕在管子的外表面上，

同时管子被两翅片间的根部完全覆盖，金属设计温度低于177°C。 12.6 风机

风机通常装有四或六个叶片，较大的风机可能有更多的叶片，风机直径通常较机区的宽度略小些，总的风机效率约为75％。可通过调整叶片角和转动速度，变化空气流量。叶片角可以是固定的；手动调整的或是自动调整的。风机安装，对于送风式空冷器，在风机和地面之间，最低应保持在直径的二分之一到四分之三距离；对于抽风式空冷器，管子和风机之间，最低距离应保持在直径的二分之一。 12.7 风机驱动装置

最常用的是电动机或蒸汽透平，用齿轮或V形皮带连接。V形皮带传动一般用于风机直径小于3米、功率小于22.4KW的电动机；而直齿轮传动则用于风机直径超过3米的风机，对于超过22.4KW的电动机，用蒸汽透平驱动。 13 空冷器设计基础数据 13.1 空冷器设计温度的选取

设计计算时应对空气入口温度选择合理，使得空冷器面积在夏天不会太紧张，而冬天又不致太富裕。一般有以下几种选择 ： 1. 最热月最高温度的平均值

2. 设计温度较大气最球温度低 3. 在全年最热三个月中处于设计温度以上的时间占 5％ 天)，考虑到涡流的影响还要加上 4. 全年 ％时间处于设计温度以上

5. 7、8两月中，日最高气温的月平均值，再加上该值的10％ 在下表中给出了不同地区空气设计温度的参考值： 地 区 最大干球 温度 年干球温度或超过

这个温度的时间 年平均干 球温度 推荐设计 温度

1％ 2％ 3％

Beaumont ,Texas 102 93 91 90 69 91 Victoria, Texas 110 96 95 71 96 New Orleans, La. 102 92 91 70 91 Wilmington,Del. 106 88 85 84 55 85 Grand Rapids, Mich. 99 83 80 78 47 80 注：1％＝ 88小时，2％＝175小时，3％＝263小时

气 温

每年不超过5天的最高气温

城 市

极端最高 最热月、日最高 气温的月平均值 最热月、日平均

气温的月平均值 干 球 湿 球

哈尔滨 36.4 28.2 23.3 28.8 24.1

北 京 39.6 30.9 26.1 31.1 26.4

上 海 38.9 32.3 27.2 32.4 28.6

武 汉 39.4 33.0 28.8 34.0 28.5

广 州 38.7 32.6 28.3 31.6 27.8

成 都 37.3 30.2 26.4 30.0 26.5

昆 明 31.5 24.3 20.1 24.4 19.9

西 安 40.8 32.3 27.6 33.0 25.8

兰 州 39.1 29.7 22.8 28.3 20.2

乌鲁木齐 38.1 29.0 23.8 29.6 18.1

拉 萨 29.4 23.0 20.5 13.2 注：设计周围环境空气温度通常认为是干球温度。

13.2 空气再循环

空冷器组应放在较开扩地带，远离热源，至少距离高大建筑物或妨碍空气进入的物体 31 米，使空气再循环减至最低程度。如果距离近，排出的热空气造成的热风循环会将进口空气的温度提高，或高于现场无障碍物时的空气环境温度。如果在拥挤的场地上风速较高，由于空气再循环，应将温度升高。在一个机组里，所有的空冷器应是一种型式，即全是鼓风式或引风式。 13.3 冬天操作

为避免因低温空气进入空冷器而引起工艺流体的操作问题，安装防寒装置是设计本身、工艺规程或系统的预防措施。这些操作问题通常包括：液体冻结、固化、结蜡、形成水合物、滞流和在露点凝结(可引起腐蚀)。有些有机化合物的水溶液，在冬季作业期间，会凝结在空冷器中。烷烃和烯烃的气体，当冷却时，被水蒸汽饱和形成水合物，这些水合物是固体结晶，它可能聚积起来，堵塞换热管。另外对大雨、强风及水分在叶片上的凝结等也应采取预防措施。常用的措施是：使用双速电机、变速驱动器、可控的风机间距、手动或自动可调百叶窗，以及空气再循环。 13.4 噪音

两个同样的风机具有的噪音水平比一个风机高3分贝，而八个同样的风机的噪音水平比一个单独的风机高9分贝。空冷器的广泛应用，对工厂噪音水平有较大的影响。 13.5 空气侧的污垢

翅片管外侧的污垢通常是很小的，设计计算时一般可忽略，但应认识到翅片侧的污垢通常只有在之间才是安全的。翅片表面应定期清扫，以防止过多的灰尘、油膜和其他物质的沉积。 13.6 大气腐蚀

空冷器不应安装在排气管排出的腐蚀性蒸汽和烟雾将要穿过的地方。

13.7 在询价或设计计算时，应阐明希望得到的温度操作范围，并应指明系统中的临界温度 或特殊重要的温度点。 13.8 安全措施

空气冷却装置中的漏气是直接散到大气中，可能引起火灾事故或有毒烟雾事故。但是，大量空气流过空冷器，大大降低了任何有毒气体的浓度。一般来说，将安置在其风向下游的设备的数量减至最小程度。 13.9 逼近温度

逼近温度是工艺流体出口温度和设计的干球空气温度之差，其实际的最小值为。当需要较低的过程流体出口温度时，可以设置空气增湿室，降低入口空气温度，使其接近于湿球温度。

13.10平均温差(MTD)校正因子

当两个流体温度出口温度相同时，对于单程空冷器，该因子为0.91，双程时为0.96，而三程时，当通道排列成逆流时，因子为0.99。 13.11 维修费用

空气冷却的维修费用，大约为水冷装置维修费用的。 13.12 操作费用

如果采用适当的气流控制方法，空冷器的需用功率可较夏天的设计条件为低。空冷器的年需用功率是和气流控制方法、空冷器操作、空气温升和逼近温度相关的。

所谓换热器传热强化或增强传热是指通过对影响传热的各种因素的分析与计算，采取某些技术措施以提高换热设备的传热量或者在满足原有传热量条件下，使它的体积缩小。换热器传热强化通常使用的手段包括三类：扩展传热面积（F ）；加大传热温差；提高传热系数（K ）。

1 换热器强化传热的方式

1.1 扩展传热面积F

扩展传热面积是增加传热效果使用最多、最简单的一种方法。在扩展换热器传热面积的过程中，如果简单的通过单一地扩大设备体积来增加传热面积或增加设备台数来增强传热量，不光需要增加设备投资，设备占地面积大、同时，对传热效果的增强作用也不明显，这种方法现在已经淘汰。现在使用最多的是通过合理地提高设备单位体积的传热面积来达到增强传热效果的目的，如在换热器上大量使用单位体积传热面积比较大的翅片管、波纹管、板翅传热面等材料，通过这些材料的使用，单台设备的单位体积的传热面积会明显提高，充分达到换热设备高效、紧凑的目的。

1.2 加大传热温差Δt

加大换热器传热温差Δt是加强换热器换热效果常用的措施之一。

在换热器使用过程中，提高辐射采暖板管内蒸汽的压力，提高热水采暖的热水温度，冷凝器冷却水用温度较低的深井水代替自来水，空气冷却器中降低冷却水的温度等，都可以直接增加换热器传热温差Δt。

但是，增加换热器传热温差Δt是有一定限度的，我们不能把它作为增强换热器传热效果最主要的手段，使用过程中我们应该考虑到实际工艺或设备条件上是否允许。例如，我们在提高辐射采暖板的蒸汽温度过程中，不能超过辐射采暖允许的辐射强度，辐射采暖板蒸汽温度的增加实际上是一种受的增加，依靠增加换热器传热温差Δt只能有限度的提高换热器换热效果；同时，我们应该认识到，传热温差的增大将使整个热力系统的不可逆性增加，降低了热力系统的可用性。所以，不能一味追求传热温差的增加，而应兼顾整个热力系统的能量合理使用。

1.3 增强传热系数（K）

增强换热器传热效果最积极的措施就是设法提高设备的传热系数（K）。

换热器传热系数（K）的大小实际上是由传热过程总热阻的大小来决定，换热器传热过程中的总热阻越大，换热器传热系数（K）值也就越低；换热器传热系数（K）值越低，换热器传热效果也就越差。

换热器在使用过程中，其总热阻是各项分热阻的叠加，所以要改变传热系数就必须分析传热过程的每一项分热阻。如何控制换热器传热过程的每一项分热阻是决定换热器传热系数的关键。

上述三方面增强传热效果的方法在换热器都或多或少的获得了使用，但是由于扩展传热面积及加大传热温差常常受到场地、设备、资金、效果的，不可能无的增强，所以，当前换热器强化传热的研究主要方向就是：如何通过控制换热器传热系数（K）值来提高换热器强化传热的效果。我们现在使用最多的提高换热器传热系数（K）值的技术就是：在换热器换热管中加扰流子添加物，通过扰流子添加物的作用，使换热器传热过程的分热阻大大的降低，并且最终来达到提高换热器传热系数（K）值的目的。

2 .换热器上扰流子强化传热的使用

换热器在传热过程中，影响换热器传热系数（K）的主要因素包括：换热器内、外部液体的流动状态，换热面的形状及尺寸等。为了提高换热器的传热系数，强化换热器的传热效率，国内外出现了多种强化元件及强化措施，主要包括在换热器中使用螺纹管、横纹管、缩放管、大导程多头沟槽管、整体双面螺旋翅片管以及在换热管中加扰流子来强化管内换热等。其中，在换热管中加扰流子添加物进行强化传热在工业上已使用了多年，它可以使换热器总的传热系数出现明显的提高，可以大大节省换热器的传热面积，降低设备重量，节约大量金属材料，它的许多优点已日益引起人们的重视。

将对换热器扰流子强化传热的原理及特点作以下详细论述

2.1 扰流子强化元件的种类和共同特点

扰流子强化元件有多种形式，现在使用最多的包括:金属丝制元件、金属螺旋圈、盘状构件、麻花铁、翼形物等。这些扰流子强化元件有一个共同的特点就是：在换热器换热管中这些扰流子添加物可以有效降低换热器传热过程中的总热阻，大大地提高换热器的传热系数（K）值，对换热器的传热效果增强明显。

2.2 扰流子强化传热的原理

研究表明，加入到换热器换热管中的扰流子添加物可以使换热管内流动的液体产生明显的螺旋运动。换句话说，在换热器换热管中加入扰流子添加物，就相当于在换热器换热管中加入空隙率ε≥95%的多孔体，当换热器换热管中流动的液体流经这些扰流子添加物以后，流道内将产生明显的弥散流动效应，在低雷诺数下（Re≥300），由于弥散流动的促进，使换热器换热管中的液体转变为湍流。湍流状态的流动液体其总热阻是所有流态液体中最小的，由于换热器换热管中湍流状态的流动液体热阻非常小，所以，换热器的传热系数（K）值将大大增加。在高的传热系数（K）值状态下，换热器中扰流子强化传热的效果就会非常明显。

当然换热器中的扰流子对流经换热管的不同介质，其强化传热的效果是有区别的。并且，换热管内扰流元件的形状和在传热面上的安装方法，对传热和流阻都有影响，一般可通过实验确定其最佳形式。例如试验表明：在管道的全长填满螺旋形金属丝与间断设置螺旋圈相比，后者在传热性能不变时可减小流阻。

关于扰流子强化传热的原理，还有许多其它见解，有的专家认为扰流子强化传热是基于加大了传热面积和粗糙度，这无疑是正确的。但试验表明，即使不紧贴壁面安装，则轴向固定在流道中心的扰流子也能使α值加大，有人解释为填充物能产生持续不断的涡流，并沿流向产生一个中心旋转流，在离心力的影响下使管中心的流体与壁面边界层流体充分混合。从而减薄了边界层，强化了传热。总的看，有关扰流子强化传热的理论还不完备和一致，一些数据仅来自实验，有待于更多的科研人员开发和利用。

2.3 扰流子强化传热的特点

在换热器换热管中加扰流子添加物，最明显的特点就是大大增强了换热管内侧的换热系数。试验表明，在换热器换热管中加扰流子添加物，换热管内侧换热系数可比光管提高3.5倍以上。

扰流子强化传热除了减少金属消耗，它还可以提高工厂热能利用效率，降低能耗。目前，一些设计追求高热强度，而管壳式换热器由于传热效率低，设计中采用的主要手段是选择提高对数平均温差，这要导致能耗的大幅度增加。以炼油厂常减压装置为例，传热温差为60℃，以热—冷流体260～200℃计算，传热占热流21.5%，如果将温差降至33℃，传热损可降至10%采用扰流子强化传热的换热器，在保证换热强度不变的情况下，可以显著降低传热温差，从而降低了热损更好地实现能级匹配，达到节能降耗的目的。 采用扰流子强化传热，另一优点就是可有效地抑制污垢的生成。结垢是换热器非常棘手的问题。污垢使传热效率下降，它的导热性能差，只有钢的1/30～1/50。对碳钢管油冷却器，当水垢厚度达到2mm时，将比新制无垢时的运行效率下降30%。美国传热研究公司对换热器的污垢问题进行了多年的研究，发现污垢的形成、生长，主要与介质温度和流速有关，介质温度越高，介质与壁面温差越大，流速越低，越易形成污垢。为了消除管侧污垢，国外一些厂家通过提高管内流速（V＝2～3m/s），但这带来过高的压降，能耗很大。采用扰流子强化传热的换热器，设备管侧的污垢显著减少。首先，由于流体的弥散流动，介质的温度梯度较小，抑制了污垢的形成、生长；其次，由于弥散流紊动度很高（扰流子强化相当于静态搅拌器），流体中的杂质不易沉积成垢。

使用扰流子强化传热换热器的清洗十分方便。短时期清洗时，可不抽出强化元件，用水速为V＞0.8m/s的清洗水冲刷管程即可。实验表明。当水速达到0.8m/s时，水流将产生强烈的弥散涡流，对管壁有很强的冲刷效应。因此，可以比较干净地除掉扰流子及管壁上的垢物。如果长时间运行后清洗，可抽出强化元件，分别清洗扰流子与管壁，这也很便于实施。 1、强化弱侧的给热系数； 2、有效降低污垢热阻。

比如，合理使用强化换热管，会使该侧流体，在较低的流速下达到湍流，大幅度改善给热状态。在壳侧使用合理的轴向流或螺旋流可以减少换热死区，在较小的压降下获得较高流速，使污垢难以落地扎根，减缓结垢速度，使设备长期在低垢状态下运行，也会大大改善传热。