如何计算出管壳式换热器和板式换热器的长宽高，江苏睿翌

确定换热器的长、宽、高（更准确地说，是确定其关键尺寸）是一个系统性的设计过程，而不是简单的计算。它需要综合考虑热力学、流体力学、材料学和实际工况要求。

简单来说，换热器的尺寸是由“工艺要求”驱动，通过“设计计算”确定，并受“制造约束”和“安装空间”限制的最终结果。

下面我将为您详细拆解这个过程，并以最常用的管壳式换热器为例进行说明。

核心决定因素：工艺要求

一切尺寸计算的起点都是用户提出的工艺要求，通常包括：

热负荷(Q)：需要交换的总热量，单位通常是kW或kcal/h。这是最核心的参数。

流体流量(m)：冷、热两种流体的质量流量，单位是kg/h或kg/s。

进出口温度(T_in, T_out)：冷、热流体各自的进口和出口温度。

压降要求(ΔP)：允许流体通过换热器产生的压力损失最大值。

流体物性：包括密度、比热容、粘度、导热系数等。这些决定了流体的传热和流动特性。

污垢系数：考虑到流体结垢对传热的影响而预留的余量。

尺寸确定的设计计算流程

确定了以上工艺要求后，工程师会遵循以下步骤进行设计计算，这个过程通常是迭代的，并借助专业软件（如HTRI, ASPEN EDR）完成。

第一步：计算概略尺寸-传热面积(A)

这是所有尺寸的基础。根据传热基本方程：

Q = U×A× ΔTm

Q：已知的热负荷。

A：我们需要求的传热面积。

ΔTm：对数平均温差。根据两种流体的进出口温度计算得出，是传热的驱动温差。

U：总传热系数，单位是W/(m²·K)。这是最关键也是最复杂的参数。

如何确定总传热系数U？

U不是猜出来的，而是通过计算冷、热两侧流体的对流传热系数（h_hot, h_cold）以及管壁和污垢的热阻得出的。其倒数关系为：

1/U = 1/h_hot + R_foul_hot +δ/λ+ R_foul_cold + 1/h_cold

h_hot, h_cold：通过流体流速、物性、流道几何形状等计算得出（使用迪图斯-贝尔特公式等经验公式）。

R_foul：根据流体类型和经验值选取。

δ/λ：管壁厚度除以管壁材料的导热系数，通常是一个较小的值。

因此，设计过程是：

先初步假设一个U值（基于经验数据库），估算出所需的传热面积A。

根据这个估算的A，初步布局换热管的数量、长度等，从而确定流速。

根据流速等参数，精确计算两侧的传热系数h和压降ΔP。

校核计算出的U值是否与假设值接近，热负荷Q是否能满足。

检查压降ΔP是否在允许范围内。

如果不满足，则调整尺寸参数（如管长、壳径、折流板间距等），重新计算，直到所有条件都满足为止。这是一个迭代过程。

第二步：将传热面积A转化为具体尺寸（以管壳式为例）

现在我们有了所需的传热面积A，接下来就需要用管子把这个面积“搭建”起来。

管径(D_tube)：常用Φ19mm或Φ25mm的管子。小管径可提高紧凑度，但易堵塞。

管长(L_tube)：这是一个非常关键的尺寸，直接影响换热器的长度。标准管长有1.5, 2.0, 3.0, 6.0, 9.0m等。选择更长的管子可以减少管口和封头的数量，降低成本，但受运输和安装空间限制。

管数(N_tube)：传热面积A =π ×D_tube×L_tube×N_tube。在确定了管径和管长后，就能计算出需要的管子数量。

管数N_tube决定了壳体的直径（宽度/高度）。

壳径(D_shell)：所有管子要bundle起来放入壳体内。壳体直径取决于：

管数N_tube

管子排列方式（三角形、正方形）

管间距（通常是管径的1.25倍）

是否需要设置分程（在封头内加隔板，使管程流体多次往返）

折流板的类型和切割率（决定了流体的流动方式和速度）

壳径通常需要通过查《换热器设计手册》中的“管数-壳径对照表”来确定，或者由设计软件直接给出。

第三步：确定其他部件尺寸，得到总长宽高

总长度(L_total)：

管束长度：即管长L_tube。

封头空间：如果是有封头的类型（如BEM），两端封头会占用额外长度。

法兰厚度：连接管道法兰的厚度。

总长L_total≈L_tube + 2×封头深度+ 2×法兰厚度

总宽度/高度(W_total / H_total)：

对于卧式换热器，宽度和高度通常就是壳体外径加上保温层厚度和一些附件。

但如果换热器有较大的支座或有立式安装的管道，需要额外考虑。

管口（喷嘴）的尺寸和位置也会影响整个设备的空间包络线。

总结与简化示例

长（Length）： 主要取决于管长，并由运输限制（如集装箱长度）和安装空间决定。

宽/高（Width/Height）： 主要取决于壳径，壳径由管数决定，管数由传热面积决定。

传热面积（A）： 由热负荷（Q）、温差（ΔTm）和传热系数（U） 共同决定。

举个简化的例子：

任务：冷却一台发动机的润滑油。

已知：热负荷Q = 100 kW，油流量10 m³/h，入口温度90°C，需要冷却到70°C，冷却水入口30°C，出口40°C。

计算对数平均温差ΔTm≈33.7°C。

根据油和水的特性，初步估计总传热系数U≈250 W/(m²·K)。

计算所需传热面积A = Q / (U× ΔTm) = 100,000 / (250×33.7)≈11.87 m²。

选用Φ19mm的管子，单根管面积= 3.14×0.019×1（假设管长1m）≈0.06 m²。

所需管数N = 11.87 / 0.06≈198根。

查表，198根管子按三角形排列，需要的壳径大约为400 mm。

此时检查流速和压降，发现压降太大。于是调整方案，将管长增加到2米。

单管面积变为0.119 m²，所需管数N = 11.87 / 0.119≈100根。

所需壳径减小到约325 mm。

流速降低，压降满足要求。

最终主要尺寸：

长度：管长2m +两端封头法兰约0.5m≈2.5m

直径（宽/高）：壳体直径325mm +保温约75mm≈0.4m

这样就得到了一个长约2.5米，直径约0.4米的圆柱形换热器。

其他类型换热器

板式换热器：尺寸由板片数量、板片尺寸和板片波纹形式决定。其“长宽高”更灵活，通常成“书本状”的立方体。

空冷器：类似一个大风扇，尺寸（长宽）由管束面积决定，高度由风扇和驱动机构决定。