列管式热交换器的设计。
化工原理教研室。
化工原理课程设计指导书。
列管式热交换器的设计。
贵州工业大学化工原理教研室孙礼运编。
目录。前言2
一、概述2二、热交换器设计的主要因素3
三、列管式热交换器的设计步骤4
一）物料衡算及热量衡算4
二）确定两载热体的物性数据4
三）两载热体的流程安排5
四）管、壳程数的确定5
五）传热平均温度差计算5
六）估算传热面积6
七）结构设计7
八）计算阻力压降12
九）计算温差应力，确定热补偿方法13
十）设计管箱和接管13
十一）确定换热管与管板的连接方法14
参考资料14
附录 1、合成氨生产中一氧化碳变换工艺简介15
2、常压下，0～ｔ℃时气体的平均定压热容16
.5大气压（绝）下，过热蒸汽的焓17
4、co、ch4的导热系数17
附图列管式热交换器结构型式图18
化工原理课程设计任务书。
前言。化工原理课程设计是化工原理课程的一个总结性教学环节，是培养学生工程设计能力的一次基本训练，它要求学生按照课程设计任务书的要求，完成一项化工设备的设计工作，通过设计使学生掌握化工设计的基本程序和方法，同时在以下几个方面得到训练、培养和提高：
1. 综合应用化工原理课程及有关先修课程的基本知识去分析和解决实际问题的能力。
2. 查阅技术资料、选用计算方法、计算公式和收集数据的能力。
3. 树立正确的设计思想，懂得工程设计应兼顾技术上的先进性、经济上的合理性和操作上的安全可靠性。
4. 用层次清楚的计算，辅以必要而简洁的文字说明和清析的图表来表达设计结果的能力。
5. 工程制图的能力。
课程设计结果要求编写成“设计说明书”，绘制相应的工艺流程图和主体设备图。
设计说明书的内容一般应按如下项目编写。
1. 设计任务书。
2. 目录。
3. 设计方案简介：对给定或选定的工艺流程、主要设备的型式进行简要的论述。
4. 设计计算过程：
① 工艺计算及主体设备的设计计算。包括工艺参数的选定、物料衡算、热量衡算、主体设备结构和工艺尺寸的设计计算等。
② 辅助设备的选型计算。通过计算选定典型辅助设备的规格型号。
5. 图纸：
① 工艺流程图。以单线条的形式绘制，标出主体设备与辅助设备的物料走向、物流量、能流量和主要测量点。
② 主体设备工艺条件图。图面应包括设备的主要工艺尺寸、技术特性表和接管表。
6. 设计结果汇总。分表列举各流股物料量、能耗指标、主要操作参数、主体设备工艺尺寸以及辅助设备的规格、型号和数量等。
7. 设计结果评述。
8. 参考资料。
本课程设计指导书根据化工原理教学大纲的要求，对给定化工单元操作典型设备的设计计算，给学生提示了设计计算步骤，指导计算方法，并提供了部分计算公式和数据，作为对课堂教学内容的补充。
设计计算中需要用到的大部分计算公式和数据应由学生自己查阅有关资料。
一、概述。热交换器是化工厂中最常用的设备之一，按其传热的特征，可以分为三大类：直接接触式、蓄热式和间壁式。其中，又以间壁式热交换器的使用最为广泛。
间壁式热交换器的类型很多，传统的类型有列管式、套管式、蛇管式、夹套式，等等。为了提高传热效率和节约金属材料用量，近年来一些比较先进的间壁式换热设备，例如板式换热器、螺旋板式换热器、螺纹管换热器等，在我国正得到广泛应用。此外，热管换热器、平板型太阳集热器等新型换热设备的设计研究及工程应用工作也在进行。
在上述类型换热设备中，目前应用最多的仍为列管式，它与其他传统设备相比，单位体积设备所能提供的传热面积较大，传热效果较好，结构紧凑、坚固，用材可以多样，就是与一些新型设备相比，它也还具备适应性强、操作可靠等优点。
列管式换热设备已有国家系列化标准的定型产品，需要时可以通过计算选用。但是，掌握列管式换热器单体设备工艺设计计算的基本方法，亦属化工类工艺专业学生有必要接受的一项基本训练。
二、热交换器设计的主要因素。
在热交换器的设计中，应当综合考虑的因素很多，流体速度是一个主要因素。
选取较大的流体速度，可以获得较大的传热系数，传递一定热量所需的传热面积就比较小，从而可以降低设备费用。但是，大的流体速度，使得流体通过热交换器的阻力压降大，能量消耗大，操作费用就高。如选取较小的流体速度，情况刚好相反，操作费用可以降低，设备费却要增加。
因此，在热交换器设计中有一个最适宜流体速度的选取问题。
如要通过定量计算来解决最适宜流体速度的选取问题，是既费时而又很困难的，实际上有关的经验数据常被作为设计的依据。寻求其它设计因素的最佳条件时也往往是这样处理。表1和表2列出了工业上常用的流速范围，可供参考。
按理，最低的流体速度也应使管、壳程内流体处于湍流状态为宜，但是在某些场合也有例外，为了降低系统阻力，管、壳程内流体速度的取值可以比表所列数值范围的下限还要低得多。例如，中、小型合成氨厂变换工段湿混合煤气与变换气用列管换热器管程流体速度，一般仅为2～2.5m/s。
合理的流速要由允许压降来确定，表3给出了允许压强降的参考值。
表1 列管式换热器内常用流速范围。
表2 不同粘度液体流速（以普通钢壁为例）
表3 换热器的合理压降。
三、列管式热交换器的设计步骤。
一） 物料衡算及热量衡算。
根据工艺条件分别进行物料衡算及热量衡算，首先要选择计算基准，例如对合成氨厂的设计，可以每生产一吨氨为计算基准，确定实现换热的两载热体的质量流量（m1和m2），初始和最终温度（t1、t2和t1、t2），相互交换的热量即热负荷（q）等。在确定这些量时，计算的顺序须根据已知工艺条件的具体情况而定。
二） 确定两载热体的物性数据。
设计中需要用到的物性数据，主要是比热（cp）或潜热（r）、密度（ρ）粘度()、导热系数（）等，单纯流体的这些物性数据容易自有关资料中的图表查得。
一般情况，为了简化计算，可以采用载热体在换热器进、出口平均压力、温度下的物性数据值。
混合流体的物性数据一般缺乏现成的资料可供查取，需要由组成混合流体各组分的相关物性数据值，通过一些近似计算方法来确定，资料[1][3]均有介绍。
例如，对于混合气体的比热、粘度和导热系数等可以按下述简便办法估计：
[ w/m.℃
式中：cpm、μm、λm 混合气体的比热、粘度、导热系数；
cpi、、μi、λi 混合气体中i组分的比热、粘度、导热系数；
yi、mi混合气体中i组分的摩尔分率、分子量。
三)两载热体的流程安排。
根据两载热体的物理、化学性质及操作压力、温度等条件，确定两载热体哪一个走管程，哪一个走壳程。
通常根据以下原则进行综合考虑，权衡利弊，作出选择：
1、不洁净和易结垢的液体宜在管程，因管程方便清洗；
2、腐蚀性流体宜在管程，以免管束和壳体同时受到腐蚀；
3、压强高的流体宜在管程，以免壳体承受压力；
4、饱和蒸汽宜走壳程，因饱和蒸汽比较清净，对流传热系数与流速无关，而且冷凝液在壳程易于排除；
5、被冷却的流体宜走壳程，便于散热；
6、若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，宜将对流传热系数大的流体进入壳程，以减小热应力；
7、流量小而粘度大的流体一般宜在壳程，因在壳程re>100即可达到湍流。但如流动阻力损失允许，将这种流体进入管程而采用多管程结构，在高流速下可能得到更高的对流传热系数。
四）管、壳程数的确定。
列管式换热器最一般的形式为单管程单壳程，但多管程多壳程的设计亦很常见。当流量一定时，管程或壳程越多，对流传热系数越大，对传热过程有利。但是，采用多管程或多壳程必然导致流动阻力增大，即造成输送流体的动力费用增加。
因此，在确定换热器程数时，需权衡传热和流体输送两方面的得失。
管程数一般有等七种，分程时应尽可能使各管程的换热管数大致相等，分程隔板槽形状简单，密封面长度较短。
壳程数的增加可在壳体内安装纵向隔板将壳程分为双程，或设计成两台以上设备串联使用。
五）传热平均温度差计算。
根据冷热流体的流程安排和所设计管、壳程数确定两流体呈逆流、并流、错流或其他复杂流动形式，计算传热平均温度差。
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