1绪论。
1.1换热器在工业中的应用。
换热器在工、农业的各领域应用十分广泛，在日常生活中传热设备也随处可见，是不可或缺的工艺设备之一。因此换热设备的研究备受世界各国**及研究机构的高度重视，在全世界第一次能源危机爆发以来，各国都在下大力量寻找新的能源及在节约能源上研究新途径。在研究投入大、人力资源配备足的情况下，一批具有代表性的高效换热器和强化元件诞生。
随着研究的深入，工业应用取得了令人瞩目的成就，得到了大量的回报，如板翅式换热器、大型板壳式换热器和强化沸腾的表面多孔管、t型翅片管、强化冷凝的螺纹管、锯齿管等都得到了国际传热界专家的首肯，社会效益非常显著，大大缓解了能源的紧张情况。
换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，是在石油、化工、石油化工、冶金、电力、轻工、食品等行业普遍应用的一种工艺设备。在炼油、化工装置中换热器占总设备数量的40%左右，占总投资的30%-45%。近年来随着节能技术的发展，应用领域不断扩大，利用换热器进行高温和低温热能**带来了显著的经济效益。
随着环境保护要求的提高，近年来加氢装置的需求越来越多，如加氢裂化，煤油加氢，汽油、柴油加氢和乳化油加氢装置等建设量增加，所需的高温、高压换热器数量随之加大。螺纹锁紧环换热器、ω密封环换热器、金属垫圈式换热器、蜜蜂盖板式换热器技术发展越来越快，不仅在承温、承压上满足装置运行要求，而且在传热与动力消耗上发展较快，同时亦适用于乙烯裂解、化肥中合成氨、聚合和天然等场合，可满足承压高达35mpa，承温达700℃的使用要求。在这些场合，换热器占有的投资占50%以上。
1.2换热器的研究现状。
20世纪80年代以来，换热器技术飞速发展，带来了能源利用率的提高。各种新型、高效换热器的相继开发与应用带来了巨大的社会经济效益，市场经济的发展、私有化比例的加大，降低成本已成为企业追求的最终目标。因而节能设备的研究与开发备受瞩目。
能源的日趋紧张、全球环境气温的不断升高、环境保护要求的提高和换热器及空冷式换热器及高温、高压换热器带来了日益广阔的应用前景。在地热、太阳能、核能、余热**、风能的利用上，各国**都加大了投入资金力度。
国内各研究机构和高等院校研究成果不断推陈出新，在强化传热元件方面华南理工大学相继开发出表面多孔管、螺旋槽管、纵横管等；天津大学在流路分析法、震动等发面研究成果显著；清华大学在板片传热反方面有深入的研究；西安交大在板翅式换热器研究方面已取得初步成果；重庆建工学院开发出翅管换热器；在强度软件方面江苏化工学院开发出液压涨管器；以换热器起家的兰州石油机械研究所率先开发出板式换热器、板式冷凝器、板式蒸发器、螺旋板换热器、板壳式换热器、螺纹管换热器、折流管换热器、外导流筒换热器、高效重沸器、新结构高效换热器、ω环高压换热器、表面蒸发空冷器、板式空冷器等一批实用价值的系列高效换热器。
1.3换热器的发展动向。
换热器的传热与流体流动计算的准确性，取决于物性模拟的准确性。因此，物性模拟一直为传热界重点研究课题之一，特别是两相流物性的模拟。两相流的物性基础**于实验室实际工况的差别。
纯组分介质的物性数据基本上准确，但汽油组成物的数据就与实际工况相差较大，特别是带有固体颗粒的流体模拟更复杂。为此，要求物性模拟在手段上更加先进，测试的准确率更高。从而使换热器计算更准确，材料更节省。
物性模拟将代表换热器的经济技术水平。
换热器将随装置的大型化而大型化，直径将超过5m，传热面积将达到单位10000㎡，紧凑型换热器将越来越受欢迎。板壳式换热器、折流杆换热器、板翅式换热器、板式空冷器将得到发展，振动损失将逐渐克服，高温、高压、安全、可靠的换热器结构将朝着结构简单、制造方便、重量轻发展。随着全球水资源的紧张，循环水将被新的冷却介质取代，循环将被新型、高效的空冷器所取代。
保温绝热技术的发展，热量损失将减少到目前的50%以下。
各种新型、高效换热器将逐步取代现有常规产品。电厂动力效应强化传热技术、添加物强化沸腾传热技术、通入惰性气体强化传热技术、滴状冷凝技术、微生物传热技术、磁场动力传热技术将会在新的世纪得到研究和发展。同心管换热器、高温喷流式换热器、印刷线路板换热器、穿孔板换热器、微尺度换热器、微通道换热器、流化床换热器、新能源换热器将在工业领域及其他领域得到研究和应用。
材料将朝着强度高、制造工艺简单、防腐效果好、重量轻的方向发展。随着稀有金属**的下降，钛、钽、锆等稀有金属使用量将扩大，crmo钢材料将实现不预热和后预热的方向发展。
国内污垢数据基本上是20世纪60-70年代从国外照搬而来。四十年来，污垢研究技术发展缓慢。随着节能、增效要求的提高，污垢研究将会受到国家的重视和投入。
通过对污垢形成的机理、生长速度、影响因素的研究，**污垢曲线，从而控制结垢，这对传热效率的提高将带来重大的突破。保证装置低能耗、长周期的运行，超声防垢技术将得到大力发展。
腐蚀技术的研究将会有所突破，低成本的防腐图层特别是金属防腐镀层技术将得到发展，电化学防腐技术将成为主导。
根据国内的发展现状，现设计一列管式换热器，以达生产要求。
2 设计方案。
2.1选择换热器的类型。
两流体温度变化情况：热流体进口温度110℃，出口温度60℃；冷流体进口温度30℃，出口温度40℃。该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，考虑到这以因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用浮头式列管换热器。
该换热器的优点是在相同的壳体直径下，布管数多，换热面积增加。浮头端设计成可拆结构，使管束能容易地插入或抽出壳体，这样为检修、清洗提供了方便。但该换热器结构较复杂，而且浮动端小盖在操作时无法知道泄漏情况，因此在安装时要特别注意器密封。
2.2流程安排。
从两物流的操作压力看，应使混合气体走管程，循环冷却水走壳程。但由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的传热能力下降，所以从总体考虑，应使循环水走管程，混合气体走壳程。
3 工艺计算。
3.1 估算传热面积。
3.1.1热流量
依据式有。3.1.2平均传热温差
先按纯逆流计算，依式得
3.1.3传热面积
由于壳程气体的压力较高，故可选取较大的k值。假设则估算的传热面积为。
3.1.4冷却水用量
依式得。3.2工艺结构尺寸。
3.2.1管径和管内流速
选用较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速。
3.2.2管程数和传热管数
依式可依据传热管内经和流速确定单程传热管数。
根。按单程管计算，所需的传热管长度为。
按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，采用非标设计，现取传热管长，则该换热器的管程数为。
管程。传热管总根数。
根。3.2.3平均传热温差校正及壳程数
平均传热温差校正系数按式和式有。
按单壳程，双管程结构，
平均传热温差。
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。
3.2.4热管排列和分程方法
采用组合排列法，即每程内按正三角形排列，隔板两侧采用矩形排列。见图3.1
图3.1管的排列。
取管心距，则。
隔板中心到离其最近一排管中心距离按式计算。
各程相邻管的管心距为。
每程各有传热管572根。
3.2.5壳体内经
采用多管程结构，壳体内径可按估算。取管板利用率，则壳体内径为。
按卷制壳体的进级挡，可取。
3.2.6折流板
采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内经的25%，则切去的圆缺高度为。
可取。取折流板间距 ，则。
取。折流板数。
折流板圆缺面水平配置。
3.2.7其他附件
拉杆数量与直径按表3.1和表3.2选取，本换热器传热管外径为，其拉杆直径为，共有8根拉杆。
壳程入口处，应设置防冲挡板。
表3.1拉杆直径。
表3.2拉杆数量。
3.2.8接管
壳程流体进出口接管：取接管内气体流速为，则接管内经为。
圆整后可取管内径为。
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