图 1-4 换热管在管板上的排列方式
(A) 正方形直列 （B）正方形错列 (C) 三角形直列
（D）三角形错列 （E）同心圆排列
正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径换热器，外圆管布管均匀，结构更为紧凑。我国换热器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。 （2）管板
管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。 管板与管子的连接可胀接或焊接。胀接法是利用胀管器将管子扩胀，产生显著的塑性变形，靠管子与管板间的挤压力达到密封紧固的目的。胀接法一般用在管子为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过4 MPa，设计温度不超过350℃的场合。 （3）封头和管箱
封头和管箱位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。
①封头 当壳体直径较小时常采用封头。接管和封头可用法兰或螺纹连接，封头与壳体之间用螺纹连接，以便卸下封头，检查和清洗管子。
②管箱 换热器管内流体进出口的空间称为管箱,壳径较大的换热器大多采用管箱结构。由于清洗、检修管子时需拆下管箱，因此管箱结构应便于装拆。
③分程隔板 当需要的换热面很大时，可采用多管程换热器。对于多管程换热器，在管箱内应设分程隔板，将管束分为顺次串接的若干组，各组管子数目大致相等。这样可提高介质流速，增强传热。管程多者可达16程，常用的有2、4、6程。在布置时应尽量使管程流体与壳程流体成逆流布置，以增强传热，同时应严防分程隔板的泄漏，以防止流体的短路。
1.5管板式换热器的类型及工作原理
板式换热器按照组装方式可以分为可拆式、焊接式、钎焊式等形式;按照换热板片的波纹可以分为人字波、平直波、球形波等形式; 按照密封垫可以分为粘结式和搭扣式。各种形式进行组合可以满足不同的工况需求,在使用中更有针对性。比如同样是人字形波纹的板片还因采用粘结式还是搭扣式密封垫而有所不同, 采用搭扣式密封垫可以有效的避免胶水中可能含有的氯离子对板片的腐蚀, 并且设备拆装更加方便。又如焊接式
6
板式换热器的耐温耐压明显好于可拆式板式换热器, 可以达到250 ℃、2. 5MPa 。因此同样是板式换热器, 因其形式的多样性,可以应用于较为广泛的领域,在大多数热交换工艺过程都可以使用。
虽然板式换热器有多种形式, 但其工作原理大致相同。板式换热器主要是通过外力将换热板片夹紧组装在一起, 介质通过换热板片上的通孔在板片表面进行流动, 在板片波纹的作用下形成激烈的湍流, 犹如用筷子搅动杯中的热水, 加大了换热的面积。冷热介质分别在换热板片的两侧流动,湍流形成的大量换热面与板片接触, 通过板片来进行充分的热传递,达到最终的换热效果。冷热介质的隔离主要通过密封垫的分割, 或者通过大量的焊缝来保证, 在换热板片不开裂穿孔的情况下, 冷热介质不会发生混淆。
1.6确定设计方案
1选择换热器的类型
两流体温的变化情况：热流体进口温度120℃ 出口温度25℃；冷流体进口温度20℃，出口温度为30℃，该换热器用循环冷却，估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大管壳两物质温度相差较大时，应该设置膨胀节，因此初步确定选用管板式换热器。
2 管程安排
由于氯苯的的物理化学性质，不易产生污垢，水质时间长会产生水垢，而且管程 容易清洗，壳程不易清洗，所以选择水走管程，氯苯走壳程。
2.1设计参数
氯苯的定性温度： T=
120+25=72.5℃ 2 密度 ： ρ0＝1050kg/m3
定压比热容 ： Cp0＝1.484kJ/kg℃ 热导率 ： λ0＝0.117W/m℃ 粘度 ： μ0＝0.46mPa﹒s 水的定性温度： T?20?30?25?C 2 密度 ： ρi＝995kg/m3 定压比热容 ： Cpi＝4.185kJ/kg℃ 热导率 ： λi＝0.606W/ m℃ 粘度： μi＝0.923m Pa﹒s
7
2.2核算总传热系数
1.热流量
W=450000000/330/24/360=15.78kg/s 2.平均传热温差 △tm=
T1?T290?5??29.4℃ t190lnlnt25Q02225.2??53.17kg/s
cpi?tm4.185?103.冷却水用量
wi?4.有关参数
R?T1?T2120?25t?t30?20??9.5， P?21??0.1 t2?t130?20T1?t1120?20[1]
Δt
根据R，P值，查《化工原理》P-280图4-19可读得，温度校正系数φ则平均温度差Δtm=Δtm’ φ
2
Δt
=0.85，
=29.4×0.85=25℃
5.按经验数值初选总传热系数K0(估) 选取K0(估) =540W/(m·℃) 6.初算出所需传热面积
Q02225.2?103A???165m2
K估??tm540?257.计算工艺结构尺寸 （1）管径和管内流速选用Φ25×2.5较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速u1=0.95m/s。 （2）管程数和传热管数 可依据传热管内径和流速确定单程传热管数：
Ns=
V?4?53.15/995di2u?4?179根
?(0.02)2?0.95按单程管计算，所需的传热管长度为：
L=
A165??12m n?di179???0.02按单程管设计，根据本设计实际情况，现取传热管长l=6m，则该换热器的管程数为：
NP=
L12??2 l6传热管总根数：
Nt= 179?2?358根
由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。 （3）传热管排列和分程方法 由于壳程流体是不污性介质，采用等边三角形排列法。等边三角形排列法在一定的管板
8
面积上可以配置较多的管数，而且由于管子之间的距离都相等，在管板加工时便于划线与钻孔。
取管心距t=1.25d0，则 t=1.25×25=31.25≈32㎜
（4）壳体内径 采用多管程结构，取管板利用率η=0.85 ，则壳体内径为：
D?1.05tNT/??1.05?32358/0.85?683
可取D=700mm （5）折流板
取折流板间距h=0.15m 折流板数目NB=
8.换热器核算
（1）壳程对流传热系数：?0?0.36(壳程流通截面积：A?hD(1?传热管长6000-1=-1=39
折流板间距150?de)(deu0??)0.55(cp??)1/3(?0.14) ?wd00.025)?0.15?0.7(1?)?0.021 t0.032V15.78壳程流体流速：?0?s??0.72
A1050?0.0214(t2?当量直径：de??4?d0d02)?0.025
雷诺数: Re0?deu0??cp??40732
普朗特数： pr0???5.89
壳程中氯苯被冷却，取(?0.14)=0.95，所以 ?w?0?0.36(0.12)(40730)0.55(5.89)1/3?1?1040 0.025（2）管程对流传热系数?i?0.023?diRei0.8Pri0.4
9
管程流通面积：Ai??4di2n?358??0.022??0.56 Np42管程流体流速：?0?Vs53.17??1 A995?0.056?22111
雷诺数:Re0?diui??cp?普朗特数：pri?所以
??6.4
?i?0.0230.606(22111)0.8(6.4)0.4?4405 0.022（3）污垢热阻和管壁热阻
管外侧污垢热阻 Rso?0.00017m??C/W 管内侧污垢热阻 Rsi?0.00017m??C/W
管壁热阻按碳钢在该条件下的热导率为50w/(m·K)。
（4）计算总传热系数 K0?11??594d0d0bd01125252.5?10?3?0.025?Rso?Rsi???0.0017?0.0017???0di?idi?dm1040204405?250?0.0252所需传热面积：A需?Q0?150m2
K0??tm实际传热面积：S0?n?dl?169m
2传热面积裕度：
169?150?100％=12.6％
1502.3核算压力降
（1）管程压力降：??pi?(?p1??p2)FtNpNs
10