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”限制的结果。
下面我将为您详细拆解这个过程，并以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。
一：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)。这是关键也是复杂的参数。
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，计算两侧的传热系数 h 和压降 ΔP。
校核计算出的 U 值与假设值接近，热负荷 Q 能满足。
检查压降 ΔP 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。
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。
