列管式换热器设计说明书
1概述
1.1换热器的概念
在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称为换热器。在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。35％～40％。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。
随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。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、深冷器、过热器等。
换热器按传热方式的不同可分为：混合式、蓄热式和间壁式。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（板翅式、管翅式等），如表2-1所示。 表2-1 传热器的结构分类
特 点 刚性结用于管壳温差较小的情况（一般≤50℃），管间不构 能清洗 固定管板式 带膨胀有一定的温度补偿能力，壳程只能承受低压力 节 浮头式 管内外均能承受高压，可用于高温高压场合 U型管式 管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难 间 管 列壁 壳 管外填料管间容易泄漏，不宜处理易挥发、易爆炸及压力较式 式 式 函 高的介质 填料函式 内填料密封性能差，只能用于压差较小的场合 函 釜式 壳体上部有个蒸发空间用于再沸、蒸煮 结构比较复杂，主要用于高温高压场合和固定床反双套管式 应器中
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类 型 列管式换热器设计说明书
能逆流操作，用于传热面较小的冷却器、冷凝器或预热器 沉浸式 用于管内流体的冷却、冷凝或管外流体的加热 螺旋管式 喷淋式 只用于管内流体的冷却或冷凝 拆洗方便，传热面能调整，主要用于粘性较大的液板式 体间换热 可进行严格的逆流操作，有自洁的作用，可用作回板螺旋板式 收低温热能 面式 结构紧凑，拆洗方便，通道较小、易堵，要求流体平板式 干净 板壳式 板束类似于管束，可抽出清洗检修，压力不能太高 混合式 适用于允许换热流体之间直接接触 换热过程分阶段交替进行，适用于从高温炉气中回蓄热式 收热能的场合 套管式
1.2列管式换热器简介
列管式换热器是目前化工及酒精生产上？应用最广的一种换热器。它主要由壳体、
管板、换热管、封头、折流挡板等组成。所需材质，可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。在进行换热时，一种流体由封头的连结管处进入，在管流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另一种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程。它具有结构简单，坚固耐用，造价低廉，用材广泛，清洗方便，适应性强等优点，应用最为广泛。
2设计方案的论证与说明
2.1换热器类型的选择
本设计任务是利用冷流体（水）给汽油降温。利用热传递过程中对流传热原则，制成换热器，以供生产需要。下图（图1）是工业生产中用到的列管式换热器.
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选择换热器时,要遵循经济,传热效果优,方便清洗,复合实际需要等原则。换热器分为几大类：夹套式换热器，沉浸式蛇管换热器，喷淋式换热器，套管式换热器，螺旋板式换热器，板翅式换热器，热管式换热器，列管式换热器等。不同的换热器适用于不同的场合。而列管式换热器在生产中被广泛利用。它的结构简单、坚固、制造较容易、处理能力大、适应性大、操作弹性较大。尤其在高压、高温和大型装置中使用更为普遍。所以首选列管式换热器作为设计基础。 2.1.1固定管板式换热器
固定管板式换热器两端的管板与壳体连在一起，这类换热器结构简单，价格低廉，但管外清洗困难，宜处理两流体温差小于50℃且壳方流体较清洁及不易结垢的物料。
带有膨胀节的固定管板式换热器，其膨胀节的弹性变形可减小温差应力，这种补偿方法适用于两流体温差小于70℃且壳方流体压强不高于600Kpa的情况。 2.1.2浮头式换热器
浮头式换热器的管板有一个不与外壳连接，该端被称为浮头，管束连同浮头可以自由伸缩，而与外壳的膨胀无关。浮头式换热器的管束可以拉出，便于清洗和检修，适用于两流体温差较大的各种物料的换热，应用极为普遍，但结构复杂，造价高。 2.1.3填料涵式换热器
填料涵式换热器管束一端可以自由膨胀，与浮头式换热器相比，结构简单，造价低，但壳程流体有外漏的可能性，因此壳程不能处理易燃，易爆的流体。 2.1.4 U形管式换热器
U形管式换热器的管束可以自由伸缩，不会因管壳之间的温差而产生热应力，热补偿性能好；管程为双管程，流程较长，流速较高，传热性能较好；承压能力强；管束可从壳体内抽出，便于检修和清洗，且结构简单，造价便宜。但管内清洗不便，管束中间
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部分的管子难以更换，又因最内层管子弯曲半径不能太小，在管板中心部分布管不紧凑，所以管子数不能太多，且管束中心部分存在间隙，使壳程流体易于短路而影响壳程换热。此外，为了弥补弯管后管壁的减薄，直管部分需用壁较厚的管子。这就影响了它的使用场合，仅宜用于管壳壁温相差较大，或壳程介质易结垢而管程介质清洁及不易结垢，高温、高压、腐蚀性强的情形。
2.2流动空间及流速的选择
2.2.1流动空间的选择
在管壳式换热器计算中，首先需决定何种流体走管程，何种流体走壳程，这需要遵循一些一般原则。
①应尽量提高两侧传热系数较小的一个，使传热面两侧的传热系数接近。
②在运行温度较高的换热器中，应尽量减少热量损失，而对于一些制冷装置，应尽量减少其冷量损失。
③管、壳程的决定应做到便于清洗除垢和修理，以保证运行的可靠性。
④应减少管子和壳体因受热不同而产生的热应力。从这个角度来说，顺流式就优先于逆流式，因为顺流式进出口端的温度比较均匀，不像逆流式那样，热、冷流体的高温部
分均集中于一端，低温部分集中于另一端，易于因两端胀缩不同而产生热应力。
⑤对于有毒的介质或气相介质，必使其不泄露，应特别注意其密封，密封不仅要可靠，而且还应要求方便及简便。
⑥应尽量避免采用贵金属，以降低成本。
以上这些原则有些是相互矛盾的，所以在具体设计时应综合考虑，决定哪一种流体走管程，哪一种流体走壳程。
2.2.2流体流速的选择
当流体不发生相变时，介质的流速高，换热强度大，从而可使换热器面积减少、结构紧凑。成本降低，一般也可抑止污垢的产生。但流速大也会带来一些不利的影响，诸如压降?P增加，泵功率增大，且加剧了对流传热面的冲刷。
换热器常用流速的范围见表2-2和表2-3.
表2-2 换热器常用流速的范围
循环水 新鲜水 一般液体 易结垢液体 低粘度油 高粘度油 气体 9
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管程流速/（m/s） 1.0-2.0 0.8-1.5 0.5-3.0 >1.0 0.8-1.8 0.5-1.5 5-30 壳程流速/（m/s） 0.5-1.5 0.5-1.5 0.2-1.5 >0.5 0.4-1.0 0.3-0.8 2-15
表2-3 列管式换热器易燃、易爆液体和气体允许的安全流速
液体名称 乙醇、二氧化碳，苯 甲醇、乙醇、汽油 丙酮 氢气 安全流速/（m/s） <1 <2-3 <10 ?8
3 换热器的工艺计算
3.1 确定设计方案
3.1.1选择换热器的类型
某厂在生产过程中，需将汽油液体从160℃冷却到60℃。冷却器的年处理能力为20
万吨。冷却水入口温度25℃，出口温度50℃。要求换热器的管程和壳程的压降不大于100kPa。试设计能完成上述任务的列管式换热器。
两流体温度变化情况：
热流体进口温度160℃，出口温度60℃冷流体。 冷流体进口温度25℃，出口温度50℃。
该换热器用循环水冷却，冬季操作时进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温和流体壁温之差较大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。 3.1.2流动空间及流速的确定
由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，煤油走壳程。另外，这样的选择可以使煤油通过壳体壁面向空气中散热，提高冷却效果。同时，在此选择逆流。选用ф25×2.5mm的碳钢管，管内流速取ui=0.6m/ｓ。
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