本書主要講述液化天然氣（LNG）及天然氣領域內12類通用換熱裝備的設計計算方法。主要涵蓋不同類型換熱器的換熱工藝計算過程及結構設計過程，包括LNG氣化器、板翅式換熱器、螺旋折流板式換熱器、空氣冷卻器、板式換熱器、浮頭式換熱器、螺旋板式換熱器、U形管式換熱器、板殼式換熱器、燃燒式氣化器、纏繞管式換熱器、蒸髮式冷凝器12個類別，內含低溫換熱基礎研究與產品設計計算過程。涉及產品可應用於液化天然氣、天然氣、石油化工、煤化工、空氣液化與分離、製冷及低溫工程等領域。本書不僅可供從事天然氣、液化天然氣、化工機械、製冷及低溫工程、石油化工、動力工程及工程熱物理領域內的研究人員、設計人員、工程技術人員參考，還可供高等學校化工機械、能源化工、石油化工、低溫與製冷工程、動力工程等專業的師生參考。






張周衛

蘭州交通大學，教授，男，國家「萬人計劃」領軍人才，國家級創新創業人才，國家科技專家庫專家，環境科學博士后，動力工程及工程熱物理博士，畢業於西安交通大學能源與動力工程學院製冷及低溫工程系，高級工程師，教授，主要從事空間低溫製冷技術、壓縮機械、真空低溫設備、LNG過程式控制制裝備、多股流纏繞管式換熱裝備、螺旋壓縮膨脹製冷機等研究，涉及系統耦合傳熱及傳熱數值模擬計算，低溫節流減壓裝置、低溫系統換熱裝備、低溫冷屏蔽系統、高超聲速飛行器空間低溫製冷機理研究等；先後參與北京航空航天大學863系統項目子項目「天然氣渦旋壓縮機」、清華大學航天航空學院973系統子項目「空間氣流組織測試模擬環境室」、總裝備部「空間低溫紅外輻射冷屏蔽系統研究」、真空低溫國防重點實驗室「空間低溫流體流動特性實驗研究」、國家重點實驗室「空間低溫流體自密封加註系統研究」等，先後參與國家級項目20多項，主持國家自然基金及國家創新基金等6項、甘肅省創新基金4項、甘肅省自然基金等項目4項，與企業合作4項等；主持申報發明專利46項，發表論文30多篇，出版學術專著3部等；帶領創新創業團隊獲得省級二等以上獎勵54人次，廳級以上獎勵80多人次，2013年入選江蘇省啟東市「東疆英才扶持計劃」，2014年入選「國家創新人才推進計劃」，2016年入選國家「特殊人才支持計劃」。

第1章 緒論
1.1 LNG氣化器 / 001
1.2 天然氣用板翅式換熱器 / 002
1.3 天然氣用螺旋折流板式換熱器 / 003
1.4 天然氣用幹式空冷器 / 004
1.5 天然氣用板式換熱器 / 004
1.6 天然氣用浮頭式換熱器 / 005
1.7 天然氣用螺旋板式換熱器 / 006
1.8 天然氣用U形管式換熱器 / 006
1.9 天然氣用板殼式換熱器 / 007
1.10 LNG用燃燒式氣化器 / 008
1.11 天然氣用纏繞管式換熱器 / 008
1.12 天然氣用表面蒸發空冷器 / 008
參考文獻 / 009

第2章 LNG氣化器的設計計算
2.1 LNG氣化器設計目的與意義 / 011
2.2 氣化器初步設計 / 012
2.2.1 結構設計 / 012
2.2.2 換熱管的總換熱量 / 013
2.2.3 空氣的物性參數 / 013
2.2.4 對流換熱係數 / 014
2.2.5 判斷設置肋片是否合理 / 014
2.2.6 肋片數的確定 / 014
2.2.7 換熱管的換熱能力計算 / 014
2.2.8 所需換熱管總長 / 014
2.2.9 管子佈置 / 014
2.3 液化天然氣傳熱分析 / 015
2.3.1 液化天然氣的傳熱特性 / 015
2.3.2 LNG氣化機理分析 / 015
2.3.3 LNG氣化特點分析 / 016
2.3.4 兩相流與對流沸騰換熱分析 / 016
2.3.5 流動沸騰換熱 / 018
2.3.6 管外空氣側對流傳熱分析 / 019
2.4 天然氣熱物性計算 / 021
2.4.1 氣樣組成 / 021
2.4.2 泡點和的計算 / 021
2.4.3 混合物熱物性計算的方法 / 022
2.4.4 氣態天然氣熱物性計算 / 024
2.5 氣化器換熱計算 / 026
2.5.1 空溫式氣化器的參數確定與計算 / 026
2.5.2 換熱模擬的簡化假設 / 026
2.6 考慮結霜情況下氣化器的換熱計算 / 033
2.6.1 霜層熱阻的計算 / 033
2.6.2 翅片管外表面與空氣的換熱 / 035
2.6.3 翅片管內表面與工質的換熱 / 036
2.6.4 結霜工況下LNG空溫式氣化器整體換熱分析 /037
參考文獻 / 042

第3章 板翅式換熱器的設計計算
3.1 板翅式換熱器的設計概述 / 043
3.1.1 板翅式換熱器的發展概況 / 043
3.1.2 板翅式換熱器的設計目的及意義 / 044
3.1.3 板翅式換熱器的應用 / 044
3.1.4 板翅式換熱器的優點 / 045
3.1.5 板翅式換熱器的缺點 / 045
3.2 板翅式換熱器的結構與傳熱機理 / 045
3.2.1 翅片的作用與形式 / 046
3.2.2 整體結構 / 047
3.3 板翅式換熱器設計計算 / 048
3.3.1 已知參數和其他參數 / 048
3.3.2 熱負荷及製冷劑流量計算 / 048
3.3.3 翅片選擇與尺寸計算 / 049
3.3.4 流體通道數的排列與計算 / 051
3.3.5 準則數Re、St的計算以及j和f因數的確定 / 051
3.3.6 給熱係數α的計算 / 052
3.3.7 翅片效率和表面效率 / 052
3.3.8 對數溫差的計算 / 057
3.3.9 傳熱係數的計算 / 057
3.3.10 傳熱面積和換熱器有效長度的確定 / 058
3.4 板翅式換熱器的結構與流體流動阻力 / 059
3.4.1 結構設計 / 059
3.4.2 流體流動阻力的計算 / 059
3.5 板翅式換熱器的強度計算 / 061
3.5.1 強度計算方法 / 061
3.5.2 具體強度計算 / 063
3.5.3 換熱器板束尺寸計算 / 064
參考文獻 / 064

第4章 螺旋折流板式換熱器的設計計算
4.1 概述 / 065
4.2 主要技術參數 / 067
4.2.1 選擇換熱器的類型 / 067
4.2.2 流速及物性參數的確定 / 067
4.2.3 計算總傳熱係數 / 068
4.2.4 傳熱管排列和殼體內徑的確定 / 069
4.2.5 傳熱係數的確定 / 070
4.2.6 傳熱面積的計算 / 071
4.2.7 螺旋折流板的設計計算 / 072
4.2.8 接管的設計計算 / 073
4.2.9 熱量核算 / 074
4.2.10 換熱器內流體的流動阻力 / 076
4.3 螺旋折流板式換熱器的結構設計 / 077
4.3.1 筒體的計算 / 077
4.3.2 封頭和管箱的計算 / 078
4.3.3 進出口接管的設計 / 079
4.3.4 接管法蘭選擇 / 082
4.3.5 接管與筒體、管箱殼體的連接 / 082
4.3.6 接管（或介面）的一般要求 / 083
4.3.7 管板的選擇 / 083
4.3.8 換熱管 / 084
4.3.9 換熱管與管板的連接 / 085
4.3.10 螺旋折流板 / 086
4.3.11 拉杆 / 087
4.3.12 支座 / 088
4.4 螺旋折流板式換熱器的強度計算 / 089
4.4.1 設計條件 / 089
4.4.2 結構尺寸參數 / 089
4.4.3 殼體上開孔補強計算 / 090
4.4.4 受壓元件材料及資料 / 092
4.4.5 封頭、筒體校核計算 / 092
4.4.6 管板計算 / 093
4.4.7 管板的校核 / 095
4.4.8 校核支座 / 097
4.5 換熱器的腐蝕、製造與檢驗 / 097
4.5.1 換熱器的腐蝕 / 097
4.5.2 換熱器的製造與檢驗 / 097
參考文獻 / 099

第5章 空氣冷卻器的設計計算
5.1 概述 / 101
5.1.1 換熱器背景 / 101
5.1.2 翅片管換熱器概述 / 101
5.1.3 空氣冷卻器的構造和工作原理 / 101
5.1.4 空氣冷卻器的分類 / 103
5.1.5 空冷與水冷的比較 / 103
5.2 設計依據的標準及主要設計參數 / 104
5.2.1 設計依據的標準 / 104
5.2.2 主要設計參數 / 105
5.2.3 總體設計應考慮的事項 / 105
5.2.4 空冷器的方案計算 / 107
5.2.5 空冷器的選型設計 / 110
5.2.6 空冷器的詳細工藝計算 / 113
5.2.7 翅片膜傳熱係數的計算 / 114
5.2.8 管壁溫度的計算和管內膜傳熱係數的校正 / 116
5.2.9 各項熱阻的計算和選取及總傳熱係數計算 / 116
5.2.10 傳熱溫差和傳熱面積計算 / 117
5.3 空冷器工藝計算 / 118
5.3.1 管內阻力計算和管外空氣阻力計算 / 118
5.3.2 風機功率的計算 / 120
5.3.3 風機的過冬計算和風機的雜訊估算 / 121
5.4 空冷器主要部件設計及強度計算 / 122
5.4.1 管箱設計條件 / 122
5.4.2 管箱筒體厚度的計算 / 123
5.4.3 螺栓的選用 / 124
5.4.4 管板厚度計算和法蘭厚度的選取 / 125
5.4.5 翅片管與管板的連接 / 126
5.5 參數選型 / 127
5.5.1 翅片管的選取 / 127
5.5.2 配管 / 127
5.5.3 其他附件 / 128
5.5.4 設計結果匯總 / 129
參考文獻 / 129

第6章 板式換熱器的設計計算
6.1 概述 / 132
6.1.1 板式換熱器發展簡史 / 132
6.1.2 我國設計製造應用情況 / 132
6.1.3 國外廠家及其產品 / 133
6.2 板式換熱器的基本構造 / 137
6.2.1 板式換熱器的工作原理 / 137
6.2.2 板式換熱器的類型 / 138
6.2.3 板式換熱器的結構 / 139
6.2.4 板式換熱器的流程及附件 / 140
6.3 板式換熱器熱力計算方法及程式 / 141
6.3.1 計算類型、方法及工程設計一般原則 / 141
6.3.2 計算的類型及方法 / 141
6.3.3 工程設計、計算的一般原則 / 144
6.4 板式換熱器的設計計算 / 145
6.4.1 設計條件 / 145
6.4.2 確定物性資料 / 146
6.4.3 板式換熱器的設計計算過程 / 147
6.5 板式換熱器的優缺點及其應用 / 149
6.5.1 板式換熱器的優點 / 149
6.5.2 板式換熱器的缺點 / 150
6.5.3 板式換熱器的結構技術特點 / 150
6.5.4 板式換熱器的應用 / 151
6.6 板式換熱器的設計注意問題及優化方向 / 151
6.6.1 板式換熱器選型時應注意的問題 / 151
6.6.2 板式換熱器的優化設計方向 / 152
6.6.3 板式換熱器安裝要點 / 154
參考文獻 / 154

第7章 浮頭式換熱器的設計計算
7.1 概述 / 155
7.1.1 浮頭式換熱器簡介 / 155
7.1.2 浮頭式換熱器優缺點 / 155
7.2 浮頭式換熱器工藝計算 / 156
7.2.1 原始資料 / 156
7.2.2 定性溫度和物性參數計算 / 156
7.2.3 溫差計算 / 157
7.2.4 傳熱量計算 / 157
7.2.5 總傳熱係數的計算 / 158
7.2.6 計算總傳熱面積 / 161
7.2.7 換熱管數及管長的確定 / 161
7.2.8 換熱管排列方式 / 162
7.2.9 壓力降的計算 / 163
7.2.10 換熱器壁溫計算 / 165
7.3 換熱器結構設計與強度計算 / 166
7.3.1 殼體與管箱厚度的確定 / 166
7.3.2 換熱管的設計計算 / 167
7.3.3 管板設計計算 / 168
7.3.4 折流板的設計計算 / 170
7.3.5 拉杆與定距管的設計計算 / 171
7.3.6 防沖板的選取 / 172
7.3.7 保溫層的設計計算 / 172
7.3.8 法蘭與墊片的設計計算 / 172
7.3.9 鉤圈式浮頭的設計計算 / 173
7.3.10 分程隔板的設計計算 / 175
7.3.11 接管的小位置 / 175
7.4 強度設計 / 175
7.4.1 筒體計算 / 175
7.4.2 前端管箱筒體計算 / 176
7.4.3 前端管箱封頭計算 / 176
7.4.4 後端管箱側封頭計算 / 177
7.5 換熱器的腐蝕、製造與檢驗 / 177
7.5.1 換熱器的腐蝕 / 177
7.5.2 換熱器的製造與檢驗 / 178
參考文獻 / 180

第8章 螺旋板式換熱器的設計計算
8.1 概述 / 182
8.1.1 螺旋板換熱器的發展概況 / 182
8.1.2 螺旋板換熱器的優缺點 / 183
8.2 傳熱工藝計算 / 184
8.2.1 設計參數及任務 / 184
8.2.2 確定設計方案 / 184
8.2.3 傳熱量的計算 / 185
8.2.4 螺旋通道與當量直徑的計算 / 186
8.2.5 雷諾數Re和普朗特數Pr / 187
8.2.6 給熱係數α的計算 / 188
8.2.7 總傳熱係數K / 190
8.2.8 對數平均溫差Δtm / 190
8.2.9 螺旋板換熱器傳熱面積F / 191
8.2.10 螺旋板的有效換熱長度LY / 191
8.3 幾何設計 / 191
8.3.1 螺旋板有效圈數NY / 191
8.3.2 螺旋板圈數NB / 192
8.3.3 螺旋體長軸外徑D0 / 192
8.4 流體壓力降 / 192
8.4.1 種計算壓力降的方法 / 193
8.4.2 第二種計算壓力降的方法 / 193
8.4.3 第三種計算壓力降的方法 / 194
8.4.4 確定壓力降 / 195
8.5 螺旋板的強度與剛度 / 195
8.5.1 螺旋板的強度 / 196
8.5.2 螺旋板的撓度 / 197
8.6 螺旋板換熱器的結構設計 / 198
8.6.1 密封結構 / 198
8.6.2 定距柱尺寸 / 198
8.6.3 換熱器外殼 / 199
8.6.4 壓力試驗 / 199
8.6.5 中心隔板尺寸 / 200
8.6.6 接管 / 201
8.6.7 法蘭 / 202
8.6.8 鞍座支座選取及安裝位置 / 203
8.6.9 半圓端板 / 203
8.7 螺旋板換熱器的穩定性及強度校核 / 204
8.7.1 設備校核 / 204
8.7.2 筒體校核 / 204
8.7.3 殼體接管開孔補強的校核 / 205
8.8 螺旋板式換熱器的製造簡介 / 206
8.8.1 螺旋板式換熱器製造品質的控制 / 206
8.8.2 製造工藝程序 / 206
參考文獻 / 207

第9章 U形管式換熱器的設計計算
9.1 列管式換熱器概述 / 208
9.2 傳熱工藝計算 / 209
9.2.1 原始資料 / 209
9.2.2 定性溫度及物性參數 / 209
9.2.3 傳熱量與迴圈水量 / 210
9.2.4 有效平均溫差 / 210
9.2.5 管程換熱係數計算 / 210
9.2.6 校核流速 / 211
9.2.7 工藝結構尺寸 / 212
9.2.8 殼程換熱係數的計算 / 212
9.2.9 總換熱係數計算 / 213
9.2.10 折流板 / 214
9.2.11 管壁溫度校核計算 / 215
9.2.12 管程壓力降校核 / 216
9.2.13 殼程壓力降校核 / 216
9.3 結構設計 / 217
9.3.1 壁厚的確定 / 217
9.3.2 管箱圓筒短節設計 / 218
9.3.3 殼體圓筒設計 / 218
9.3.4 封頭設計 / 219
9.3.5 換熱管設計 / 222
9.3.6 管板設計 / 224
9.3.7 管箱結構設計 / 229
9.4 換熱器其他各部件結構 / 230
9.4.1 進出口接管設計 / 230
9.4.2 管板法蘭設計 / 237
9.4.3 拉杆與定距管 / 243
9.4.4 防沖與導流 / 244
9.4.5 雙殼程結構 / 245
9.4.6 防短路結構 / 245
9.4.7 鞍座 / 246
參考文獻 / 247

第10章 板殼式換熱器的設計計算
10.1 換熱器簡介 / 248
10.1.1 換熱器概述 / 248
10.1.2 板殼式換熱器介紹 / 249
10.2 工藝計算 / 251
10.2.1 設計條件 / 252
10.2.2 換熱器板束結構設計 / 252
10.2.3 傳熱的有關計算 / 254
10.2.4 壓力降的計算 / 258
10.2.5 換熱器壁溫的計算 / 259
10.2.6 接管直徑的計算 / 260
10.2.7 換熱器的初步選型 / 261
10.3 換熱器結構設計與強度計算 / 261
10.3.1 殼體、管箱的設計 / 261
10.3.2 封板的設計 / 266
10.3.3 進出口的設計 / 267
10.3.4 膨脹節的設計 / 274
10.3.5 支持板和拉杆 / 279
10.3.6 防沖與導流的設計 / 280
10.3.7 保溫層的設計 / 281
10.3.8 保溫層的設計 / 282
10.3.9 支座的設計 / 283
參考文獻 / 285

第11章 燃燒式氣化器的設計計算
11.1 氣化器的介紹 / 287
11.1.1 氣化器分類 / 287
11.1.2 LNG的物性 / 288
11.1.3 SCV簡介 / 289
11.2 SCV設計實例參數 / 289
11.2.1 換熱管結構選擇 / 289
11.2.2 設計參數 / 289
11.3 SCV計算過程 / 290
11.3.1 實際換熱面積Ac / 290
11.3.2 管內流體對流傳熱係數αi / 291
11.3.3 管外流體對流傳熱係數α0 / 293
11.3.4 氣相、液相傳熱係數 / 294
11.3.5 氣相、液相有效平均溫差 / 295
11.3.6 氣相、液相理論換熱面積 / 296
11.3.7 氣相、液相管內壓降 / 297
11.3.8 總傳熱係數 / 297
11.4 擴散燃燒器的設計計算步驟 / 298
11.4.1 計算火孔出口速度 / 298
11.4.2 計算火孔總面積 / 299
11.4.3 盤管和夾套 / 299
11.4.4 煙氣盤管設計計算 / 299
11.4.5 燃燒器頭部燃氣分配管截面積 / 301
11.4.6 燃燒器前燃氣所需壓力 / 301
11.4.7 節流面積 / 301
11.5 校核計算 / 302
11.5.1 法蘭受力分析 / 302
11.5.2 管箱法蘭與殼體法蘭的受力分析 / 302
11.5.3 操作工況法蘭受力分析 / 303
11.5.4 螺栓載荷 / 304
11.5.5 設計參數 / 304
11.5.6 墊片參數 / 304
11.5.7 許用應力與彈性模量 / 305
11.5.8 校核 / 305
11.5.9 法蘭力矩 / 306
11.5.10 法蘭設計力矩 / 306
11.5.11 管道強度校核 / 307
11.5.12 換熱管校核計算 / 308
參考文獻 / 310

第12章 纏繞管式換熱器的設計計算
12.1 緒論 / 311
12.1.1 研究背景 / 311
12.1.2 外研究動態 / 311
12.1.3 在該領域目前存在的問題 / 312
12.2 纏繞管換熱器的設計計算 / 313
12.2.1 已知設計參數及有關計算 / 313
12.2.2 纏繞管計算 / 315
12.2.3 結構設計 / 322
12.2.4 強度計算 / 325
參考文獻 / 340

第13章 蒸發式冷凝器的設計計算
13.1 概述 / 343
13.1.1 蒸發式冷凝器 / 343
13.1.2 蒸發式冷凝器的優缺點 / 344
13.2 蒸發式冷凝器的設計計算 / 345
13.2.1 設計條件 / 345
13.2.2 物性參數 / 346
13.2.3 估算換熱面積 / 347
13.2.4 管程換熱係數計算 / 347
13.2.5 結構的初步設計 / 348
13.2.6 殼程換熱係數計算 / 348
13.2.7 傳熱係數計算 / 348
13.2.8 管壁溫度校核計算 / 349
13.2.9 管程壓降校核計算 / 349
13.2.10 選型設計 / 350
13.3 強度計算 / 354
13.3.1 可卸蓋板管箱的計算 / 354
13.3.2 管箱強度校核 / 355
13.3.3 螺栓計算 / 358
13.4 噴淋裝置的設計計算 / 359
13.4.1 噴嘴的選擇 / 359
13.4.2 噴管的選擇與計算 / 360
13.4.3 水泵的選擇與計算 / 361

參考文獻 / 361

致謝