工业用换热器选型知识

说大嘎达

工业用换热器选型

工业用换热器选型
单丽娟山东豪迈化工技术
引言换热器作为工艺过程中必不可少的设备之一，在工业生产过程中，被应用于加热或冷却流体，经过换热器的能量转换，实现能量的有效利用。换热器作为节能措施中的关键设备，无论从工业的发展，还是从能源的有效利用，换热器的合理设计、选型和操作都具有十分重要的意义。

1 换热器的分类换 热器根据热量传递方式可以分为三类：
(一)间壁式换热器，冷、热流体被固体壁面隔开，互不接触，热量由热流体通过壁面传递给冷流体，是最常用的换热器类 型，也是本文重点讨论的换热器类型，如管壳式、板式、管式、液膜式等，冷热流体可以是工艺物料、烟气、蒸汽、空气、水等。

(二)直接接触式换热器，冷、热 流体直接接触，相互混合传递热量，传热效率高。只适用于冷、热流体允许混合的场所。如凉水塔、洗涤塔、文氏管及喷射冷凝器等工业生产中。

(三)蓄热式换热 器，借助于热容量较大的固体蓄热体，将热量由热流体传给冷流体。适用于高温气体热量的回收与冷却，常被用于回收燃烧气体的废热，在废热再生器中是切实可行 有效地回收废热的方式。

换 热器根据传热面形状和结构可以分为:
(一)管式换热器,即通过管子壁面进行传热的换热器。根据传热管的结构形式可分为管壳式换热器、蛇管式换热器、套管式换热器、翅片式换热器等。该类换热器 应用最广。
(二)板式换热器，即通过板面进行传热的换热器。根据传热板的结构形式可分为平板式、螺旋板式、板翅式、热板式换热器等。(三)特殊形式换热 器，根据特殊工艺要求而设计的具有特殊结构的换热器，如回转式、热管、同流式换热器等。

2 管式换热器的结构形式管式换热器大致可以分为四类，重点讨论管壳式换热器。2.1管壳式换热器管壳式换热器是石油、化工等行业中应用最广泛的间壁式传热型换热器，它既可以是一种单元设备，如加热器、凝汽器等；又可以是某一工艺设备的组成部分，如塔顶、塔底的换热器，管壳式换热器作为化工生产中重要的单元设备，占市场65%以上的份额，因此，对于工程设计人员来说，管壳式换热器的设计计算是十分重要的。应用比较多的是使用HTRI进行计算选型。

管 壳式换热器结构紧凑，单元体积所具有的传热面积大，传热效果佳，操作弹性大，高温、高压和大型装置中应用比较普遍。它由壳体、传热管束、管板、折流板和管 箱等部件组成，由于管内外流体的温度不同，进而使管壳程受热程度不同，导致他们的热膨胀程度出现差别。当两侧流体的温差超过50℃时，需要从结构上考虑热 膨胀的影响，采取相应的热补偿措施。根据热补偿方式的不同，可以分为以下三类。2.1.1固定管板式换热器

1-挡板  2-补偿圈 3-放气嘴这 种补偿方式比较简单，适用于两流体的温差小于70℃，壳程压力比较小的场合。该结构的特点是两端管板和壳体连接在一起，结构简单，造价低廉。存在壳程清 洗、检修困难的问题，温差稍大时，可以在壳体的适当位置焊接补偿圈，通过补偿圈得到弹性变形来补偿掉外壳和管束的不同程度的变形。2.1.2浮头式换热器这种补偿方式结构复杂，可以完全消除热应力，造价高，应用普遍。该结构的特点是一端管板与壳体相连，另一端不与壳体固定连接，可以沿轴向自由浮动。清洗和检修时可以整个管束从壳体中抽出。

1-  U形管  2-壳程隔板 3-管程隔板这种补偿方式结构简单，适用于高温高压，存在一个缺陷就是管程不易清洗，每根管子弯成U型，两端固定在同一管板的两侧，管板用隔板分成两室。管子需要一定的曲率半径，管板利用率不高。3 管式换热器的结构形式的确定原则根据工艺条件和介质的性质换热器的结构形式可按下列确定原则[1]：Ⅰ.通常情况选择浮头式换热器；Ⅱ.当操作介质压力较高，或管壳程介质相混合会导致产品变质，或影响安全操作时，通常选用U型管换热器；Ⅲ.壳程为洁净流体，并且冷热流流体进出口介质温差小于110℃，通常选用固定管板式换热器，然后通过实际的结构计算考虑补偿圈的设置。Ⅳ.当介质的流速、传热面积较小，操作温度、压力较高或者介质含有固体颗粒时，通常选择套管式换热器。Ⅴ.当洁净介质的流速、操作压力、温度均较低时，通常选用板式换热器。3.1压力降增加流速可以增加换热器的传热系数，但是压降与流速息息相关，只能在压降许可的情况下，尽量让流速高些。或者也可以通过在结构上做一些调整来降低压降，如通过调整管程数、管长、折流板间距等等。表3-1 允许的压力降范围

3.2温度通常，在设计几个换热器时，如果它的对数平均温差确定了，则其热性能也基本确定了。所以，对数平均温差是设计者考虑的重要因素。Ⅰ.初选的原则是冷热端介质温差均不宜小于20℃；Ⅱ.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℃。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 之间的温差不低于10℃。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℃。换热器的设计温度应高于最大使用温度，一 般高15℃。3.3流速管程内液体流速一般取1.0~2.5m/s，最大不超过3.0 m/s。当换热器选型对流速要求不严格时，一般根据压降来确定流速。一般情况下，水冷设备为了避免结垢，对流速要求比较严格，不宜低于0.8m/s。3.4物流的安排一般走管程的物流：Ⅰ.考虑到管内清洗方便，不洁净和易结垢的物流宜走管程；Ⅱ.考虑到泄漏的问题，有毒物流宜走管程；Ⅲ.考虑到承压的问题，高压物流宜走管程；Ⅳ.考虑到腐蚀，为了防止壳管程同时受到腐蚀，腐蚀物流宜走管程，且维修、清洗方便；Ⅴ.考虑到保温的问题，高温物流宜走管程；Ⅵ. 对压力降有特定要求的工艺物流宜走管程，因管程的传热系数和压降计算误差小。一般走壳程的物流：Ⅰ.考虑到冷却效果，被冷却的物流宜走壳程；Ⅱ.流量较小的物流宜走壳程，易使物流形成湍流状态，从而增加传热系数；Ⅲ. 考虑到提高传热膜系数，传热膜系数较小的物流（如气体）宜走壳程；Ⅳ. 粘度较大的物流宜走壳程，在壳程中可以得到较高的传热系数；另外，污垢系数的选取也是换热器设计中非常重要的考虑因素，目前主要还是通过常用物流的经验数据来确定。

小结总之，要根据生产的需要，选择合适的换热器，正确操作，以延长换热器的使用寿命提高生产效率，真正达到对经济效益的有效提高。

参考文献[1]中国石化集团北京设计院.炼油装置工艺设计规范[S].北京：国家石油和化工工业局，2001.