列管式换热器的设计 一、概述
在化工、石化、石油炼制等工业生产中，换热器被广泛使用。在一般化工的建设中，换热器约占总投资的11％。在炼油厂的常、减压蒸馏装置中，换热器约占总投资的20%。若按工艺设备重量统计，换热器在石油、化工装置中约占40%左右。
随着化工、石化、炼油工业的迅速发展，各种新型换热器不断出现，一些传统的换热器的结构也在不断改进、更新。今后换热器的发展趋势将是不断增加紧凑性、互换性，不断降低材料消耗，提高传热效率和各种比特性，提高操作和维护的便捷性。
换热器的类型很多．特点各异，分类方法也不尽相同。苦按其用途分，有加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。技其结构类型分，有列管式、板式、螺旋板式、板翅式、板壳式利翅片管式等。若按传热原理和热交换方式分，有直接混合式、蓄热式和间壁式三类，列管式换热器是间壁式换热器的主要类型，也是应用最普遍的一种换热设备。
列管式换热器发展较早，设计资料和技术数据较完整．目前在许多国家中都已有系列化标准产品。虽然在换热效率、紧凑件、材料消耗等方面还不及一些新型换热器，但它具有结构简单、牢固、耐用，适应性强，操作弹性较大，成本较低等优点，因而仍是化工、石化、石油炼制等工业中应用最广泛的换热设备,也是各类换热器的主要类型。
二、列管式换热器的结构、固定及各种性能参数 1．列管式换热器的结构
列管式换热器主要由壳体、换热管束、管板(又称花板)、封头(又称端盖)等部件组成，图1—1为它的基本构型，此式为卧式换热器，除此之外还有立式的。在圆筒形的完体内装有换热管束，管束安装固定在壳体内两端的管板上。封头用螺钉与壳体两端的法兰连接，如需检修或清洗，可将封头盖拆除。
图1—1 列管式换热器的基本结构
冷、热流体在列管式换热器内进行换热时，一种流体在管束与壳体间的环隙内流动，其行程称为壳程；另一种流体在换热管内流动，其行程称为管程。管内流体每通过一次管束称为一个管程。如需要换热器较大传热面积时，则应排列较多的换热管束。为提高管程流体流速，强化传热，可将换热管分为若干组，使流体依次通过每组管子往返多次。流体的这种行程称为多管程。多管程虽有利于提高对流传热系数，但能量损失增加．操作费用增加，传热温度差减小，故管程也不宜过多，以2、4、6程最为多见。换热管束的表面积，即为换热器的传热而积。
同理，管外流体在环隙内每通过一次壳体称为一个壳程。为了提高壳程流体的涡流程度，以提高对流传热系数，强化传热，可在壳体内安装横向式或纵向式的折流挡板。这样，壳程流体的流速和流向可不断发生改变，使雷诺数凡在较低时(
)即可达到湍流。
2．换热管的固定
管子在管板上的固定，原则是必须保证管子和管板连接牢固，不能在连接处产生泄漏，否则会给操作带来严重故障。目前广泛采用胀接法和焊接法，在高温高压时有时也采用胀接加焊接的方法，近来出现了一种爆炸胀管法。
(1)胀接法
胀接法是用胀管器挤压伸人管板孔中的管子端部，使管端发生塑性变形，管板孔同时产生弹性交形。当取出胀管器后，管板孔弹性收缩，管板和管子就会紧紧挤压在一起，实现密封紧固。采用胀接时，管板硬度应比管端高，这样可免除在胀接时管板孔产生塑性变形．影响胀接的紧密性。
胀接法一般多用于压力低于 、温度低于300 ℃的场合。如果温度高，管子
和管板会产生蠕变，胀接应力松弛而引起连接处泄漏。所以对高压、高温、易燃易爆的流体，换热管的紧固多采用焊接法。
(2)焊接法
当温度高于300℃或压力高于 时，一般多采用焊接法。这样可保证高温高压
时连接的紧密性，同时焊接工艺较胀管工艺简便，管板孔加工要求低，且压力不太高时可使用较薄的管板，因此焊接法被广泛采用。但焊接法由于焊接接头处的热应力，可能会造 成应力腐蚀和破裂，同时管板孔与管于间存在间隙。
3．换热管的排列与管数 (1)换热管的排列
换热管在管板上的排列方法丰要有等边二角形、正方形直列和正方形错列等，等边二角形排列较紧凑，可在一定管板而积上配制较多的管子数．传热效果也好，管板的强度较高，在管板加工时也便于划线与钻孔，但管外清洗较困难。正方形直列则管外清洗方便，适合于壳程流体易结垢的情况，但其对流传热系数较小，一定管板面积可排列的管于数少。若将管束斜转45°，变成正方形错排，可增强传热效果。
(2)换热管报数
选定了管内流体和管径，由流量方程式可得到单程的管数n，即
式中Q——流体体积流量，
d——管内径，m
——流体流速，m/s
n必须为整数。
按单管程计算，管长L为
式中，A为传热面积，单位为m2。
按单程计算时，如管子太长，则可采用多管程，设管程数为m，则
式中L——按单程计算的管长，m
l——选定的每程管长，m。
m必须为整数。这样，换热器的总管数N则为
N＝n·m
换热器长度与壳体直径之比L／D，一般取6—10，直立设备取4—6。按上述步骤计算后，再进行管子排列，并计算出壳体直径，然后校核L/D的数值。
4．管中心距
管板上两管中心距离称为管中心距(又指相邻两管的中心距)。管中心距的确定，主要考虑管板的强度和清洗管外表面所需空隙，也与管子在管板上的固定方法有关。当管子采用焊接法固定时，相邻两管的焊缝太近，会相互受到热影响，而使焊接质量不易保证。所以采用焊接法时，管中心距t与管外径do的比例常取t=1.25do。如果采用胀接法，较小的管中心距会造成管板在胀接时，出于挤压力的作用而发生形变，失去了管子与管板间的紧固性，所以来用胀接法时常取t=(1.3—1.5)do。
5．管子的分程
为了提高管内流体流速，强化对流传热，常常采用多管程。这可在流道(管箱)中安装与管子中心轴线相平行的分程隔板来实现。分程可采用各种不同的组合形成，但每一程中的管数应大致相等。隔板的形式应简单，密封长度应短。常用的管程数有单程、双程、四程和六程。
三、列管式换热器的选用步骤与计算 1．列管式换热器的选用步骤 (1)了解生产任务、工艺特点和基本数据
①冷、热流体的流量，进、出口温度，操作压力；
②冷、热流体的已知物性参数；
③冷、热流体的工艺特点，包括腐蚀性、悬浮物含量、有无相变等。
(2)确定流体流动途径(流程)，确定换热器类型
(3)进行选择设备型号的有关计算