1概述
换热器是化工厂中重要的化工设备之一，换热器的类型很多，特点不一，可根据生产工艺要求进行选择。在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。 换热器按用途不同可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器、过热器等。 依据传热原理和实现热交换的方法可分为间壁式、混合式、蓄热式三类。其中间壁式换热器应用最广泛，按照传热面的形状和结构特点又可分为管壳式换热器、板面式换热器和扩展表面式换热器。
换热器的类型很多，特点不一，可根据生产工艺要求进行选择。
在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。 1.1换热器设计和选型要求
（1）合理地实现所规定的工艺条件
传热量、流体的热力学参数（温度、压力、流量、相态等）与物理化学性质（密度、粘度、腐蚀性等）是工艺过程所规定的条件。根据这些条件进行热力学和流体力学的计算，经过反复比较，使所设计的换热器具有尽可能小的传热面积，在单位时间内传递尽可能多的热量。
①增大传热系数K: 在综合考虑流体阻力及不发生流体诱发振动的前提下，尽量选择高的流速。
②提高平均温差: 对于无相变的流体，尽量采用接近逆流的传热方式。因为这样不仅可提高平均温差，还有助于减少结构中的温差应力。在允许的条件时，可提高热流体的进口温度或降低冷流体的进口温度。
③妥善布置传热面S 例如在管壳式换热器中，采用合适的管间距或排列方式，不仅可以加大单位空间内的传热面积，还可以改善流体的流动特性。错列管束的传热方式比并列管束的好。如果换热器中的一侧有相变，另一侧流体为气相，可在气相一侧的传热面上加翅片以增大传热面积，更有利于热量的传递。
（2）安全可靠
换热器是压力容器，在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时，应遵照我国《钢制石油化工压力容器设计规定》与《钢制管壳式换热器设计规定》等有关规定与标准。这对保证设备的安全可靠起着重要的作用。
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（3）有利于安装、操作与维修
直立设备的安装费往往低于水平或倾斜的设备。设备与部件应便于运输与装拆，在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的妨碍，根据需要可添置气、液排放口，检查孔与敷设保温层。 （4）经济合理
评价换热器的最终指标是：在一定的时间内（通常为1年）固定费用（设备的购置费、安装费等）与操作费（动力费、清洗费、维修费等）的总和为最小。在设计或选型时，如果有几种换热器都能完成生产任务的需要，这一指标尤为重要。
1.2列管换热器结构的确定 1.2.1列管换热器型式的选择
列管换热器中常用的是固定管板式和浮头式两种。一般要根据物流的性质、流量、腐蚀性、允许压降、操作温度与压力、结垢情况和检修清洗等要素决定选用列管换热器的型式。从经济角度看，只要工艺条件允许，应该优先选用固定管板式换热器。 1.2.2 换热管规格的选择
a.管子外形 列管换热器的管子外形有光滑管和波纹管两种。本设计按光滑管设计。
b.管子的排列方式 相同壳径时，采用正三角形排列比正方形排列可多布管子，是单位产热面积的金属耗量降低。一般壳程流体不易结垢或可以进行化学清洗的场合下，推荐用正三角形排列。必须进行机械清洗的场合，则采用正方形排列。
c.管子直径 直径小的管子可以承受更大的压力，而管壁较薄，有利传热；相同的壳径，可以排较多的小管子，使传热面积增大，单位传热面积的金属耗量降低。
d.管长 壳径较大的换热器采用可较长的管子可降低单位传热面积的金属耗量，更为经济。
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1.2.3 壳程数和台数
换热器的壳径越大，传热面积也越大，单位传热面积的金属耗量越低，采用一台较大的换热器比采用多台小换热器更经济，阻力也更小，且变于操作管理。
1.3工艺条件的选择 1.3.1流体流入空间的选择
设计列管换热器之前，要先考虑哪一种流体[5]走管程或壳程，这关系到设备使用是否合理。
a易结垢流体应走易于清洗的一侧。对于管板式、浮头式换热器，一般应使易结垢流体流经管程，而对于U型换热器，易结垢流体应走壳程。
b有时在设计上需要提高流体的速度，以提高其表面传热系数，在这种情况下，应将需要提高流速的流体放在管程。这是因为管程流通截面积一般较小，且易采用多管程结构以提高流速。
c具有腐蚀性的流体应走管程，这样可以节约耐腐蚀材料用量，降低换热器成本。
d压力较高的流体应走管程。这是因为管子直径小，承压能力强，能够避免采用耐压的壳体和密封措施。
e具有饱和蒸汽冷凝的换热器，应使饱和蒸汽走壳程，便于排出冷凝液。 f粘度大的流体应走壳程，因为壳程的流体在折流板的作用下，流通截面和方向都不断变化，在较低的雷诺数下就可以达湍流状态。 1.3.2 流体流向的选择
参与换热的两种流体在间壁两侧的流向有四种类型。 a.并流 两种流体在传热面两侧分别以相同的方向流动 b.逆流 两种流体在传热面两侧分别以相对的方向流动 c.错流 两种流体在传热面两侧分别以此成直角方向流动
d.折流 简单折流时，一流体沿一个方向流动，另一个流体反复折流流动；复杂折流时，两流体均作折流流动，并流与逆流或错流交替存在。
一侧流体的变温（无相变化），另一侧流体恒温（有相变化）时，并流和逆流时的对数平均温差是相等的；两侧流体都变温，若进出口温度一定时，逆
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流时的对数平均温差比并流的大。因此，在两侧流体均有温度变化时，生产上都选择逆流操作。若物流的温度有所限制，如冷流体被加热时不得超过某一温度，或热流体被冷却时不得低于某一温度时，宜采用并流操作。 1.3.3 流速的选择
流体流速的大小将影响设备的操作费用，是换热器设计中的一个重要因素。选择流速时应注意以下几点。
a. 流速高则传热系数也高，同时压力降增大，能耗随之增加。特别对含 有泥沙或沉积物的流体，以及易结垢的流体，当流速低时，可能导致管子堵塞，垢层热阻增大，严重影响设备使用。
b. 粘度大的流体，其摩擦损失与传热速率相比一般较小，可适当提高流速；而密度小的气体，因给热系数也小，克服阻力所需动力消耗较大，在考虑提高流速时，应权衡得失。
c. 流体应尽可能在湍流流动下操作，粘度大的流体可按层流设计以减少阻力损失。
表1 列管式换热器的常用流速
流体类型 一般液体
海水河水等易结垢的液体 气体
管内/（m/s）
0.5～3 ＞1 5～30
管间/（m/s） 0.2～1.5 ＞0.5 3～15
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2设计任务与设计条件 2.1.设计任务
设计一个处理能力为2.5×104t/a的换热器。 2.2设计条件
(1)正戊烷、冷凝温度为51.7℃，冷凝液于饱和液体下离开冷凝器； (2)冷却介质，循环水，入口温度：22℃，出口温度36℃； (3)允许压强降，不大于105Pa；
(4)每年按330天计；每天24 h连续运转。 2.3 管壳程流体的确定
正戊烷和循环水两流体均不发生相变的传热过程，因循环水的对流传热 系数较大，且较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降。另外黏度大的液体应走壳程，因为壳程内的流体在折流板的作用下，流通截面和方向都不断变化，在较低的雷诺数下就可达湍流状态。所以从总体考虑，应使循环水走管程，正戊烷走壳程。
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