本书主要讲述液化天然气（LNG）及天然气领域内12类通用换热装备的设计计算方法。主要涵盖不同类型换热器的换热工艺计算过程及结构设计过程，包括LNG气化器、板翅式换热器、螺旋折流板式换热器、空气冷却器、板式换热器、浮头式换热器、螺旋板式换热器、U形管式换热器、板壳式换热器、燃烧式气化器、缠绕管式换热器、蒸发式冷凝器12个类别，内含低温换热基础研究与产品设计计算过程。涉及产品可应用于液化天然气、天然气、石油化工、煤化工、空气液化与分离、制冷及低温工程等领域。
本书不仅可供从事天然气、液化天然气、化工机械、制冷及低温工程、石油化工、动力工程及工程热物理领域内的研究人员、设计人员、工程技术人员参考，还可供高等学校化工机械、能源化工、石油化工、低温与制冷工程、动力工程等专业的师生参考。

在LNG工业领域，大力发展LNG产业，提高天然气能源在消费中的比例是调整我国能源结构的重要途径，LNG既是天然气远洋运输的主要方法，也是天然气调峰的重要手段。随着国内众多LNG工厂的相继投产及沿海LNG接收终端的建设，我国LNG工业进入了高速发展时期，与之相关连的LNG通用换热器装备技术也得到相应快速发展。

本书涉及液化天然气（LNG）、化工机械、制冷及低温工程领域内通用换热装备12类，是目前液化天然气（LNG）及天然气领域内可通用互换的换热设备。这12类换热器属换热设备领域内通用的具有有一定技术设计难道的换热装备系列化产品研发项目，主要应用于液化天然气（LNG）、天然气、煤化工、石油化工、低温制冷、空间低温制冷等多个领域，也可用于大型LNG液化系统、低温甲醇洗、低温液氮洗等重点工艺系统中的主要换热设备。

《液化天然气装备设计技术：通用换热器卷》共收集张周卫、苏斯君、张梓洲、田源等主持设计研发的液化天然气通用换热装备12项，主要涵盖换热器工艺换热工艺计算过程及结构设计过程，包括液化天然气（LNG）气化器、天然气板翅式换热器、天然气螺旋折流板式换热器、空气冷却器、天然气板式换热器、天然气浮头式换热器、天然气螺旋板式换热器、天然气U 形管式换热器、天然气板壳式换热器、LNG 燃烧式气化器、天然气缠绕管式换热器、天然气蒸发式冷凝器12 个类别，内含低温换热基础研究与产品设计计算过程。涉及产品可应用于液化天然气、天然气、石油化工、煤化工、空气液化与分离、制冷及低温工程等领域。

本书共分13章，其中，第2章、第11章所列研发产品主要涉及LNG气化器的研发及产业化内容，主要包括LNG气化器、LNG燃烧式气化器2类低温换热器，主要应用于-162℃LNG气化领域，将液化后的LNG气化为天然气。

第3章、第4章、第6～10章、第12章所列研发产品主要涉及天然气板翅式换热器、天然气螺旋折流板式换热器、天然气板式换热器、天然气浮头式换热器、天然气螺旋板式换热器、天然气U 形管式换热器、天然气板壳式换热器、天然气缠绕管式换热器8 类通用换热器，主要用于压缩后的天然气换热过程，也可作为LNG低温换热器使用，书中主要给出了各类换热器工艺计算过程及结构设计过程。

第5章、第13章涉及天然气空气冷却器、天然气蒸发式冷凝器的研发及产业化内容，主要应用于压缩后高温天然气的冷却过程，主要用途是将高温天然气通过空冷的方式降温至常温天然气。其中，天然气蒸发式冷凝器采用喷漆水表面蒸发加空气强制对流换热模式，可加速天然气的冷却过程，适用于气候干燥的西北部地区。

以上12类换热器属换热设备领域内通用的具有一定技术设计难度的换热装备系列化产品研发项目，主要应用于液化天然气（LNG）、天然气、煤化工、石油化工、低温制冷、空间低温制冷等多个领域，也可用于大型LNG液化系统、低温甲醇洗、低温液氮洗等重点工艺系统中的主要换热设备。从基础研发及设计技术等方面来讲均已成熟，从装备设计制造层面来讲，已能够推进涉及各大工艺系统系列装备的国产化及产业化进程。

本书第1～4章、第10章、第12章由张周卫负责撰写并整理，第5～7章由苏斯君负责撰写并整理，第8章、第9章、第11章、第13章由张梓洲、田源负责撰写并整理，全书由张周卫统稿，张梓洲、田源、殷丽、王军强协助编辑校正，苏斯君审定。

本书受国家自然科学基金（编号：51666008）、甘肃省财政厅基本科研业务费（编号：214137）、甘肃省自然科学基金（编号：1208RJZA234）等支持。

本书涉及项目产品由兰州交通大学、兰州兰石换热设备有限责任公司、甘肃中远能源动力工程有限公司技术科研人员联合开发，按照目前项目开发现状，文中重点列出LNG领域内12类通用换热装备设计计算内容，与相关行业内的研究人员共同分享，以期全力推进LNG领域内通用换热技术装备的创新研究及产业化进程。由于水平有限、时间有限及其他原因，本书中难免有不足之处，希望同行及广大读者批评指正。

兰州交通大学

兰州兰石换热设备有限责任公司

甘肃中远能源动力工程有限公司

张周卫 苏斯君 张梓洲 田源

2017年11月16日

张周卫，兰州交通大学，教授，男，国家“万人计划”领军人才，创新创业人才，国家科技专家库专家，环境科学博士后，动力工程及工程热物理博士，毕业于西安交通大学能源与动力工程学院制冷及低温工程系，高级工程师，教授，主要从事空间低温制冷技术、压缩机械、真空低温设备、LNG过程控制装备、多股流缠绕管式换热装备、螺旋压缩膨胀制冷机等研究，涉及系统耦合传热及传热数值模拟计算，低温节流减压装置、低温系统换热装备、低温冷屏蔽系统、高超声速飞行器空间低温制冷机理研究等；先后参与北京航空航天大学863系统项目子项目“天然气涡旋压缩机”、清华大学航天航空学院973系统子项目“空间气流组织测试模拟环境室”、总装备部“空间低温红外辐射冷屏蔽系统研究”、真空低温国防重点实验室“空间低温流体流动特性实验研究”、国家重点实验室“空间低温流体自密封加注系统研究”等，先后参与项目20多项，主持国家自然基金及国家创新基金等6项、甘肃省创新基金4项、甘肃省自然基金等项目4项，与企业合作4项等；主持申报发明专利46项，发表论文30多篇，出版学术专著3部等；带领创新创业团队获得省级二等以上奖励54人次，厅级以上奖励80多人次，2013年入选江苏省启东市“东疆英才扶持计划”，2014年入选“国家创新人才推进计划”，2016年入选国家“特殊人才支持计划”。

第1章 绪论
1．1 LNG气化器 / 001
1．2 天然气用板翅式换热器 / 002
1．3 天然气用螺旋折流板式换热器 / 003
1．4 天然气用干式空冷器 / 004
1．5 天然气用板式换热器 / 004
1．6 天然气用浮头式换热器 / 005
1．7 天然气用螺旋板式换热器 / 006
1．8 天然气用U形管式换热器 / 006
1．9 天然气用板壳式换热器 / 007
1．10 LNG用燃烧式气化器 / 008
1．11 天然气用缠绕管式换热器 / 008
1．12 天然气用表面蒸发空冷器 / 008
参考文献 / 009
第2章 LNG气化器的设计计算
2．1 LNG气化器设计目的与意义 / 011
2．2 气化器初步设计 / 012
2．2．1 结构设计 / 012
2．2．2 换热管的总换热量 / 013
2．2．3 空气的物性参数 / 013
2．2．4 对流换热系数 / 014
2．2．5 判断设置肋片是否合理 / 014
2．2．6 肋片数的确定 / 014
2．2．7 换热管的换热能力计算 / 014
2．2．8 所需换热管总长 / 014
2．2．9 管子布置 / 014
2．3 液化天然气传热分析 / 015
2．3．1 液化天然气的传热特性 / 015
2．3．2 LNG气化机理分析 / 015
2．3．3 LNG气化特点分析 / 016
2．3．4 两相流与对流沸腾换热分析 / 016
2．3．5 流动沸腾换热 / 018
2．3．6 管外空气侧对流传热分析 / 019
2．4 天然气热物性计算 / 021
2．4．1 气样组成 / 021
2．4．2 泡点和露点的计算 / 021
2．4．3 混合物热物性计算的方法 / 022
2．4．4 气态天然气热物性计算 / 024
2．5 气化器换热计算 / 026
2．5．1 空温式气化器的参数确定与计算 / 026
2．5．2 换热模拟的简化假设 / 026
2．6 考虑结霜情况下气化器的换热计算 / 033
2．6．1 霜层热阻的计算 / 033
2．6．2 翅片管外表面与空气的换热 / 035
2．6．3 翅片管内表面与工质的换热 / 036
2．6．4 结霜工况下LNG空温式气化器整体换热分析 / 037
参考文献 / 042
第3章 板翅式换热器的设计计算
3．1 板翅式换热器的设计概述 / 043
3．1．1 板翅式换热器的发展概况 / 043
3．1．2 板翅式换热器的设计目的及意义 / 044
3．1．3 板翅式换热器的应用 / 044
3．1．4 板翅式换热器的优点 / 045
3．1．5 板翅式换热器的缺点 / 045
3．2 板翅式换热器的结构与传热机理 / 045
3．2．1 翅片的作用与形式 / 046
3．2．2 整体结构 / 047
3．3 板翅式换热器设计计算 / 048
3．3．1 已知参数和其他参数 / 048
3．3．2 热负荷及制冷剂流量计算 / 048
3．3．3 翅片选择与尺寸计算 / 049
3．3．4 流体通道数的排列与计算 / 051
3．3．5 准则数Re、St的计算以及j和f因子的确定 / 051
3．3．6 给热系数α的计算 / 052
3．3．7 翅片效率和表面效率 / 052
3．3．8 对数温差的计算 / 057
3．3．9 传热系数的计算 / 057
3．3．10 传热面积和换热器有效长度的确定 / 058
3．4 板翅式换热器的结构与流体流动阻力 / 059
3．4．1 结构设计 / 059
3．4．2 流体流动阻力的计算 / 059
3．5 板翅式换热器的强度计算 / 061
3．5．1 强度计算方法 / 061
3．5．2 具体强度计算 / 063
3．5．3 换热器板束尺寸计算 / 064
参考文献 / 064
第4章 螺旋折流板式换热器的设计计算
4．1 概述 / 065
4．2 主要技术参数 / 067
4．2．1 选择换热器的类型 / 067
4．2．2 流速及物性参数的确定 / 067
4．2．3 计算总传热系数 / 068
4．2．4 传热管排列和壳体内径的确定 / 069
4．2．5 传热系数的确定 / 070
4．2．6 传热面积的计算 / 071
4．2．7 螺旋折流板的设计计算 / 072
4．2．8 接管的设计计算 / 073
4．2．9 热量核算 / 074
4．2．10 换热器内流体的流动阻力 / 076
4．3 螺旋折流板式换热器的结构设计 / 077
4．3．1 筒体的计算 / 077
4．3．2 封头和管箱的计算 / 078
4．3．3 进出口接管的设计 / 079
4．3．4 接管法兰选择 / 082
4．3．5 接管与筒体、管箱壳体的连接 / 082
4．3．6 接管（或接口）的一般要求 / 083
4．3．7 管板的选择 / 083
4．3．8 换热管 / 084
4．3．9 换热管与管板的连接 / 085
4．3．10 螺旋折流板 / 086
4．3．11 拉杆 / 087
4．3．12 支座 / 088
4．4 螺旋折流板式换热器的强度计算 / 089
4．4．1 设计条件 / 089
4．4．2 结构尺寸参数 / 089
4．4．3 壳体上开孔补强计算 / 090
4．4．4 受压元件材料及数据 / 092
4．4．5 封头、筒体校核计算 / 092
4．4．6 管板计算 / 093
4．4．7 管板的校核 / 095
4．4．8 校核支座 / 097
4．5 换热器的腐蚀、制造与检验 / 097
4．5．1 换热器的腐蚀 / 097
4．5．2 换热器的制造与检验 / 097
参考文献 / 099
第5章 空气冷却器的设计计算
5．1 概述 / 101
5．1．1 换热器背景 / 101
5．1．2 翅片管换热器概述 / 101
5．1．3 空气冷却器的构造和工作原理 / 101
5．1．4 空气冷却器的分类 / 103
5．1．5 空冷与水冷的比较 / 103
5．2 设计依据的标准及主要设计参数 / 104
5．2．1 设计依据的标准 / 104
5．2．2 主要设计参数 / 105
5．2．3 总体设计应考虑的事项 / 105
5．2．4 空冷器的方案计算 / 107
5．2．5 空冷器的选型设计 / 110
5．2．6 空冷器的详细工艺计算 / 113
5．2．7 翅片膜传热系数的计算 / 114
5．2．8 管壁温度的计算和管内膜传热系数的校正 / 116
5．2．9 各项热阻的计算和选取及总传热系数计算 / 116
5．2．10 传热温差和传热面积计算 / 117
5．3 空冷器工艺计算 / 118
5．3．1 管内阻力计算和管外空气阻力计算 / 118
5．3．2 风机功率的计算 / 120
5．3．3 风机的过冬计算和风机的噪声估算 / 121
5．4 空冷器主要部件设计及强度计算 / 122
5．4．1 管箱设计条件 / 122
5．4．2 管箱筒体厚度的计算 / 123
5．4．3 螺栓的选用 / 124
5．4．4 管板厚度计算和法兰厚度的选取 / 125
5．4．5 翅片管与管板的连接 / 126
5．5 参数选型 / 127
5．5．1 翅片管的选取 / 127
5．5．2 配管 / 127
5．5．3 其他附件 / 128
5．5．4 设计结果汇总 / 129
参考文献 / 129
第6章 板式换热器的设计计算
6．1 概述 / 132
6．1．1 板式换热器发展简史 / 132
6．1．2 我国设计制造应用情况 / 132
6．1．3 国外著名厂家及其产品 / 133
6．2 板式换热器的基本构造 / 137
6．2．1 板式换热器的工作原理 / 137
6．2．2 板式换热器的类型 / 138
6．2．3 板式换热器的结构 / 139
6．2．4 板式换热器的流程及附件 / 140
6．3 板式换热器热力计算方法及程序 / 141
6．3．1 计算类型、方法及工程设计一般原则 / 141
6．3．2 计算的类型及方法 / 141
6．3．3 工程设计、计算的一般原则 / 144
6．4 板式换热器的设计计算 / 145
6．4．1 设计条件 / 145
6．4．2 确定物性数据 / 146
6．4．3 板式换热器的设计计算过程 / 147
6．5 板式换热器的优缺点及其应用 / 149
6．5．1 板式换热器的优点 / 149
6．5．2 板式换热器的缺点 / 150
6．5．3 板式换热器的结构技术特点 / 150
6．5．4 板式换热器的应用 / 151
6．6 板式换热器的设计注意问题及优化方向 / 151
6．6．1 板式换热器选型时应注意的问题 / 151
6．6．2 板式换热器的优化设计方向 / 152
6．6．3 板式换热器安装要点 / 154
参考文献 / 154
第7章 浮头式换热器的设计计算
7．1 概述 / 155
7．1．1 浮头式换热器简介 / 155
7．1．2 浮头式换热器优缺点 / 155
7．2 浮头式换热器工艺计算 / 156
7．2．1 原始数据 / 156
7．2．2 定性温度和物性参数计算 / 156
7．2．3 温差计算 / 157
7．2．4 传热量计算 / 157
7．2．5 总传热系数的计算 / 158
7．2．6 计算总传热面积 / 161
7．2．7 换热管数及管长的确定 / 161
7．2．8 换热管排列方式 / 162
7．2．9 压力降的计算 / 163
7．2．10 换热器壁温计算 / 165
7．3 换热器结构设计与强度计算 / 166
7．3．1 壳体与管箱厚度的确定 / 166
7．3．2 换热管的设计计算 / 167
7．3．3 管板设计计算 / 168
7．3．4 折流板的设计计算 / 170
7．3．5 拉杆与定距管的设计计算 / 171
7．3．6 防冲板的选取 / 172
7．3．7 保温层的设计计算 / 172
7．3．8 法兰与垫片的设计计算 / 172
7．3．9 钩圈式浮头的设计计算 / 173
7．3．10 分程隔板的设计计算 / 175
7．3．11 接管的最小位置 / 175
7．4 强度设计 / 175
7．4．1 筒体计算 / 175
7．4．2 前端管箱筒体计算 / 176
7．4．3 前端管箱封头计算 / 176
7．4．4 后端管箱侧封头计算 / 177
7．5 换热器的腐蚀、制造与检验 / 177
7．5．1 换热器的腐蚀 / 177
7．5．2 换热器的制造与检验 / 178
参考文献 / 180
第8章 螺旋板式换热器的设计计算
8．1 概述 / 182
8．1．1 螺旋板换热器的发展概况 / 182
8．1．2 螺旋板换热器的优缺点 / 183
8．2 传热工艺计算 / 184
8．2．1 设计参数及任务 / 184
8．2．2 确定设计方案 / 184
8．2．3 传热量的计算 / 185
8．2．4 螺旋通道与当量直径的计算 / 186
8．2．5 雷诺数Re和普朗特数Pr / 187
8．2．6 给热系数α的计算 / 188
8．2．7 总传热系数K / 190
8．2．8 对数平均温差Δtm / 190
8．2．9 螺旋板换热器传热面积F / 191
8．2．10 螺旋板的有效换热长度LY / 191
8．3 几何设计 / 191
8．3．1 螺旋板有效圈数NY / 191
8．3．2 螺旋板圈数NB / 192
8．3．3 螺旋体长轴外径D0 / 192
8．4 流体压力降 / 192
8．4．1 第一种计算压力降的方法 / 193
8．4．2 第二种计算压力降的方法 / 193
8．4．3 第三种计算压力降的方法 / 194
8．4．4 确定压力降 / 195
8．5 螺旋板的强度与刚度 / 195
8．5．1 螺旋板的强度 / 196
8．5．2 螺旋板的挠度 / 197
8．6 螺旋板换热器的结构设计 / 198
8．6．1 密封结构 / 198
8．6．2 定距柱尺寸 / 198
8．6．3 换热器外壳 / 199
8．6．4 压力试验 / 199
8．6．5 中心隔板尺寸 / 200
8．6．6 接管 / 201
8．6．7 法兰 / 202
8．6．8 鞍座支座选取及安装位置 / 203
8．6．9 半圆端板 / 203
8．7 螺旋板换热器的稳定性及强度校核 / 204
8．7．1 设备校核 / 204
8．7．2 筒体校核 / 204
8．7．3 壳体接管开孔补强的校核 / 205
8．8 螺旋板式换热器的制造简介 / 206
8．8．1 螺旋板式换热器制造质量的控制 / 206
8．8．2 制造工艺程序 / 206
参考文献 / 207
第9章 U形管式换热器的设计计算
9．1 列管式换热器概述 / 208
9．2 传热工艺计算 / 209
9．2．1 原始数据 / 209
9．2．2 定性温度及物性参数 / 209
9．2．3 传热量与循环水量 / 210
9．2．4 有效平均温差 / 210
9．2．5 管程换热系数计算 / 210
9．2．6 校核流速 / 211
9．2．7 工艺结构尺寸 / 212
9．2．8 壳程换热系数的计算 / 212
9．2．9 总换热系数计算 / 213
9．2．10 折流板 / 214
9．2．11 管壁温度校核计算 / 215
9．2．12 管程压力降校核 / 216
9．2．13 壳程压力降校核 / 216
9．3 结构设计 / 217
9．3．1 壁厚的确定 / 217
9．3．2 管箱圆筒短节设计 / 218
9．3．3 壳体圆筒设计 / 218
9．3．4 封头设计 / 219
9．3．5 换热管设计 / 222
9．3．6 管板设计 / 224
9．3．7 管箱结构设计 / 229
9．4 换热器其他各部件结构 / 230
9．4．1 进出口接管设计 / 230
9．4．2 管板法兰设计 / 237
9．4．3 拉杆与定距管 / 243
9．4．4 防冲与导流 / 244
9．4．5 双壳程结构 / 245
9．4．6 防短路结构 / 245
9．4．7 鞍座 / 246
参考文献 / 247
第10章 板壳式换热器的设计计算
10．1 换热器简介 / 248
10．1．1 换热器概述 / 248
10．1．2 板壳式换热器介绍 / 249
10．2 工艺计算 / 251
10．2．1 设计条件 / 252
10．2．2 换热器板束结构设计 / 252
10．2．3 传热的有关计算 / 254
10．2．4 压力降的计算 / 258
10．2．5 换热器壁温的计算 / 259
10．2．6 接管直径的计算 / 260
10．2．7 换热器的初步选型 / 261
10．3 换热器结构设计与强度计算 / 261
10．3．1 壳体、管箱的设计 / 261
10．3．2 封板的设计 / 266
10．3．3 进出口的设计 / 267
10．3．4 膨胀节的设计 / 274
10．3．5 支持板和拉杆 / 279
10．3．6 防冲与导流的设计 / 280
10．3．7 保温层的设计 / 281
10．3．8 保温层的设计 / 282
10．3．9 支座的设计 / 283
参考文献 / 285
第11章 燃烧式气化器的设计计算
11．1 气化器的介绍 / 287
11．1．1 气化器分类 / 287
11．1．2 LNG的物性 / 288
11．1．3 SCV简介 / 289
11．2 SCV设计实例参数 / 289
11．2．1 换热管结构选择 / 289
11．2．2 设计参数 / 289
11．3 SCV计算过程 / 290
11．3．1 实际换热面积Ac / 290
11．3．2 管内流体对流传热系数αi / 291
11．3．3 管外流体对流传热系数α0 / 293
11．3．4 气相、液相传热系数 / 294
11．3．5 气相、液相有效平均温差 / 295
11．3．6 气相、液相理论换热面积 / 296
11．3．7 气相、液相管内压降 / 297
11．3．8 总传热系数 / 297
11．4 扩散燃烧器的设计计算步骤 / 298
11．4．1 计算火孔出口速度 / 298
11．4．2 计算火孔总面积 / 299
11．4．3 盘管和夹套 / 299
11．4．4 烟气盘管设计计算 / 299
11．4．5 燃烧器头部燃气分配管截面积 / 301
11．4．6 燃烧器前燃气所需压力 / 301
11．4．7 节流面积 / 301
11．5 校核计算 / 302
11．5．1 法兰受力分析 / 302
11．5．2 管箱法兰与壳体法兰的受力分析 / 302
11．5．3 操作工况法兰受力分析 / 303
11．5．4 螺栓载荷 / 304
11．5．5 设计参数 / 304
11．5．6 垫片参数 / 304
11．5．7 许用应力与弹性模量 / 305
11．5．8 校核 / 305
11．5．9 法兰力矩 / 306
11．5．10 法兰设计力矩 / 306
11．5．11 管道强度校核 / 307
11．5．12 换热管校核计算 / 308
参考文献 / 310
第12章 缠绕管式换热器的设计计算
12．1 绪论 / 311
12．1．1 研究背景 / 311
12．1．2 国内外研究动态 / 311
12．1．3 在该领域目前存在的问题 / 312
12．2 缠绕管换热器的设计计算 / 313
12．2．1 已知设计参数及有关计算 / 313
12．2．2 缠绕管计算 / 315
12．2．3 结构设计 / 322
12．2．4 强度计算 / 325
参考文献 / 340
第13章 蒸发式冷凝器的设计计算
13．1 概述 / 343
13．1．1 蒸发式冷凝器 / 343
13．1．2 蒸发式冷凝器的优缺点 / 344
13．2 蒸发式冷凝器的设计计算 / 345
13．2．1 设计条件 / 345
13．2．2 物性参数 / 346
13．2．3 估算换热面积 / 347
13．2．4 管程换热系数计算 / 347
13．2．5 结构的初步设计 / 348
13．2．6 壳程换热系数计算 / 348
13．2．7 传热系数计算 / 348
13．2．8 管壁温度校核计算 / 349
13．2．9 管程压降校核计算 / 349
13．2．10 选型设计 / 350
13．3 强度计算 / 354
13．3．1 可卸盖板管箱的计算 / 354
13．3．2 管箱强度校核 / 355
13．3．3 螺栓计算 / 358
13．4 喷淋装置的设计计算 / 359
13．4．1 喷嘴的选择 / 359
13．4．2 喷管的选择与计算 / 360
13．4．3 水泵的选择与计算 / 361
参考文献 / 361
致谢