列管式換熱器的選用與設(shè)計(jì)原則
換熱器的設(shè)計(jì)即是通過(guò)傳熱過(guò)程計(jì)算確定經(jīng)濟(jì)合理的傳熱面積以及換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸，以完成生產(chǎn)工藝中所要求的傳熱任務(wù),。換熱器的選用也是根據(jù)生產(chǎn)任務(wù),，計(jì)算所需的傳熱面積，選擇合適的換熱器,。由于參與換熱流體特性的不同,，換熱設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的差異，因此為了適應(yīng)生產(chǎn)工藝的實(shí)際需要,，設(shè)計(jì)或選用換熱器時(shí)需要考慮多方面的因素,，進(jìn)行一系列的選擇，并通過(guò)比較才能設(shè)計(jì)或選用出經(jīng)濟(jì)上合理和技術(shù)上可行的換熱器,。
本節(jié)將以列管式換熱器為例,，說(shuō)明換熱器選用或設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的問(wèn)題。

一,、 流體通道的選擇
流體通道的選擇可參考以下原則進(jìn)行：
1． 不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走管程,，以便于清洗管子；
2． 腐蝕性流體宜走管程,，以免管束和殼體同時(shí)受腐蝕,，而且管內(nèi)也便于檢修和清洗；
3． 高壓流體宜走管程,，以免殼體受壓,，并且可節(jié)省殼體金屬的消耗量；
4． 飽和蒸汽宜走殼程,，以便于及時(shí)排出冷凝液,，且蒸汽較潔凈，不易污染殼程,；
5． 被冷卻的流體宜走殼程,，可利用殼體散熱，增強(qiáng)冷卻效果,；
6． 有毒流體宜走管程,，以減少流體泄漏；
7． 粘度較大或流量較小的流體宜走殼程,，因流體在有折流板的殼程流動(dòng)時(shí),，由于流體流向和流速不斷改變，在很低的雷諾數(shù)（Re<100）下即可達(dá)到湍流,，可提高對(duì)流傳熱系數(shù),。但是有時(shí)在動(dòng)力設(shè)備允許的條件下，將上述流體通入多管程中也可得到較高的對(duì)流傳熱系數(shù),。

    　　在選擇流體通道時(shí),，以上各點(diǎn)常常不能兼顧,，在實(shí)際選擇時(shí)應(yīng)抓住主要矛盾。如首先要考慮流體的壓力,、腐蝕性和清洗等要求,，然后再校核對(duì)流傳熱系數(shù)和阻力系數(shù)等，以便作出合理的選擇,。

二,、 流體流速的選擇
    　　換熱器中流體流速的增加，可使對(duì)流傳熱系數(shù)增加,，有利于減少污垢在管子表面沉積的可能性,，即降低污垢熱阻，使總傳熱系數(shù)增大,。然而流速的增加又使流體流動(dòng)阻力增大,，動(dòng)力消耗增大。因此,，適宜的流體流速需通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)核算來(lái)確定,。充分利用系統(tǒng)動(dòng)力設(shè)備的允許壓降來(lái)提高流速是換熱器設(shè)計(jì)的一個(gè)重要原則。在選擇流體流速時(shí),，除了經(jīng)濟(jì)核算以外,，還應(yīng)考慮換熱器結(jié)構(gòu)上的要求。
    　　表5-4給出工業(yè)上的常用流速范圍,。除此之外,，還可按照液體的粘度選擇流速，按材料選擇容許流速以及按照液體的易燃,、易爆程度選擇安全允許流
三、 流體兩端溫度的確定
    　　若換熱器中冷,、熱流體的溫度都由工藝條件所規(guī)定,，則不存在確定流體兩端溫度的問(wèn)題。若其中一流體僅已知進(jìn)口溫度,，則出口溫度應(yīng)由設(shè)計(jì)者來(lái)確定,。例如用冷水冷卻一熱流體，冷水的進(jìn)口溫度可根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍鉁貤l件作出估計(jì),，而其出口溫度則可根據(jù)經(jīng)濟(jì)核算來(lái)確定：為了節(jié)省冷水量,，可使出口溫度提高一些，但是傳熱面積就需要增加,；為了減小傳熱面積,，則需要增加冷水量。兩者是相互矛盾的,。一般來(lái)說(shuō),，水源豐富的地區(qū)選用較小的溫差,，缺水地區(qū)選用較大的溫差。不過(guò),，工業(yè)冷卻用水的出口溫度一般不宜高于45℃,，因?yàn)楣�業(yè)用水中所含的部分鹽類(lèi)（如CaCO3、CaSO4,、 MgCO3和MgSO4等）的溶解度隨溫度升高而減小,，如出口溫度過(guò)高，鹽類(lèi)析出,，將形成傳熱性能很差的污垢,，而使傳熱過(guò)程惡化。如果是用加熱介質(zhì)加熱冷流體,，可按同樣的原則選擇加熱介質(zhì)的出口溫度,。 

四、 管徑,、管子排列方式和殼體直徑的確定
    　　小直徑管子能使單位體積的傳熱面積大,，因而在同樣體積內(nèi)可布置更多的傳熱面�,；蛘哒f(shuō),，當(dāng)傳熱面積一定時(shí)，采用小管徑可使管子長(zhǎng)度縮短,，增強(qiáng)傳熱,，易于清洗。但是減小管徑將使流動(dòng)阻力增加,，容易積垢,。對(duì)于不清潔、易結(jié)垢或粘度較大的流體,，宜采用較大的管徑,。因此，管徑的選擇要視所用材料和操作條件而定,，總的趨向是采用小直徑管子,。
    　　管長(zhǎng)的選擇是以合理使用管材和清洗方便為原則。國(guó)產(chǎn)管材的長(zhǎng)度一般為6m,，因此管殼式換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)中換熱管的長(zhǎng)度分為1.5,、2、3或6m幾種,，常用3m或6m的規(guī)格,。長(zhǎng)管不易清洗，且易彎曲,。此外,，管長(zhǎng)L與殼體D的比例應(yīng)適當(dāng),，一般L/D=4～6。
    　　管子的排列方式有等邊三角形,、正方形直列和正方形錯(cuò)列三種,。等邊三角形排列比較緊湊，管外流體湍動(dòng)程度高,，對(duì)流傳熱系數(shù)大,；正方形直列比較松散，對(duì)流傳熱系數(shù)較三角形排列時(shí)低,，但管外壁清洗方便,，適用于殼程流體易結(jié)垢的場(chǎng)合；正方形錯(cuò)列則介于上述兩者之間,，對(duì)流傳熱系數(shù)較直列高,。
    　　管子在管板上的間距t跟管子與管板的連接方式有關(guān)：脹管法一般取t=（1.3～1.5）do，且相鄰兩管外壁的間距不小于6mm,；焊接法取t=1.25do,。
    　　換熱器殼體內(nèi)徑應(yīng)等于或稍大于管板的直徑。通常是根據(jù)管徑,、管數(shù),、管間距及管子的排列方式用作圖法確定。

五,、 管程和殼程數(shù)的確定
    　　當(dāng)流體的流量較小而所需的傳熱面積較大時(shí),，需要管數(shù)很多，這可能會(huì)使流速降低,，對(duì)流傳熱系數(shù)減小,。為了提高流速，可采用多管程,。但是管程數(shù)過(guò)多將導(dǎo)致流動(dòng)阻力增大,，平均溫差下降，同時(shí)由于隔板占據(jù)一定面積,，使管板上可利用的面積減少。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮,。采用多管程時(shí),，一般應(yīng)使各程管數(shù)大致相同。
    　　當(dāng)列管式換熱器的溫差修正系數(shù) 時(shí),，可采用多殼程,，如殼體內(nèi)安裝與管束平行的隔板。但由于在殼體內(nèi)縱向隔板的制造,、安裝和檢修都比較困難,，故一般將殼體分為兩個(gè)或多個(gè),，將所需總管數(shù)分裝在直徑相等而較小的殼體中，然后將這些換熱器串聯(lián)使用,，如圖5-23所示,。

六、 折流板
    　　折流板又稱(chēng)折流擋板,，安裝折流板的目的是為了提高殼程流體的對(duì)流傳熱系數(shù),。其常用型式有弓形折流板、圓盤(pán)形折流板（如圖5-24所示）以及螺旋折流板等,。常用型式為弓形折流板,。折流板的形狀和間距對(duì)殼程流體的流動(dòng)和傳熱具有重要影響。
    　　通常弓形缺口的高度約為殼體直徑的10%～40%,，一般取20%～25%,。兩相鄰折流板的間距也需選擇適當(dāng)，間距過(guò)大,，則不能保證流體垂直流過(guò)管束,，流速減小，對(duì)流傳熱系數(shù)降低,；間距過(guò)小,，則流動(dòng)阻力增大，也不利于制造和檢修,。一般折流板的間距取為殼體內(nèi)徑的20%～100%,。

七、 換熱器中傳熱與流體流動(dòng)阻力計(jì)算

    　　有關(guān)列管式換熱器的傳熱計(jì)算可按已選定的結(jié)構(gòu)型式,，按前一章相關(guān)內(nèi)容,，根據(jù)傳熱過(guò)程各個(gè)環(huán)節(jié)分別計(jì)算出兩側(cè)流體的對(duì)流傳熱熱阻及導(dǎo)熱熱阻，得到總傳熱系數(shù),，再按本章前述內(nèi)容進(jìn)行換熱器傳熱計(jì)算,。
    　　列管式換熱器中流動(dòng)阻力計(jì)算應(yīng)按殼程和管程兩個(gè)方面分別進(jìn)行。它與換熱器的結(jié)構(gòu)型式和流體特性有關(guān),。一般對(duì)特定型式換熱器可按經(jīng)驗(yàn)方程計(jì)算,，計(jì)算式比較繁雜，具體內(nèi)容可參閱有關(guān)的換熱器設(shè)計(jì)教科書(shū)或手冊(cè),。

八,、 列管式換熱器的選用和設(shè)計(jì)的一般步驟：

    列管式換熱器的選用和設(shè)計(jì)計(jì)算步驟基本上是一致的，其基本步驟如下：
    1．估算傳熱面積,，初選換熱器型號(hào)
    （1） 根據(jù)傳熱任務(wù),，計(jì)算傳熱速率；
    （2） 確定流體在換熱器中兩端的溫度,，并按定性溫度計(jì)算流體物性,；
    （3） 計(jì)算傳熱溫差,，并根據(jù)溫差修正系數(shù)不小于0.8的原則，確定殼程數(shù)或調(diào)整加熱介質(zhì)或冷卻介質(zhì)的終溫,；
    （4） 根據(jù)兩流體的溫差,，確定換熱器的型式；
    （5） 選擇流體在換熱器中的通道,；
    （6） 依據(jù)總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值范圍,，估取總傳熱系數(shù)值；
    （7） 依據(jù)傳熱基本方程,，估算傳熱面積,，并確定換熱器的基本尺寸或按系列標(biāo)準(zhǔn)選擇換熱器的規(guī)格；
    （8） 選擇流體的流速,，確定換熱器的管程數(shù)和折流板間距,。

2．計(jì)算管程和殼程流體的流動(dòng)阻力
    　　根據(jù)初選的設(shè)備規(guī)格，計(jì)算管程和殼程流體的流動(dòng)阻力,，具體的計(jì)算方法可參考文獻(xiàn)[1,、3、5]的有關(guān)內(nèi)容,。檢查計(jì)算結(jié)果是否合理和滿(mǎn)足工藝要求,。若不符合要求，再調(diào)整管程數(shù)或折流板間距,，或選擇其他型號(hào)的換熱器,，重新計(jì)算流動(dòng)阻力，直到滿(mǎn)足要求為止,。

3．計(jì)算傳熱系數(shù),，校核傳熱面積
    　　計(jì)算管程、殼程的對(duì)流傳熱系數(shù),，確定污垢熱阻,，計(jì)算傳熱系數(shù)和所需的傳熱面積。一般選用換熱器的實(shí)際傳熱面積比計(jì)算所需傳熱面積大10%～25%,，否則另設(shè)總傳熱系數(shù),，另選換熱器，返回第一步,，重新進(jìn)行校核計(jì)算,。
    上述步驟為一般原則，可視具體情況作適當(dāng)調(diào)整,，對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果應(yīng)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)不合理處要反復(fù)計(jì)算,。在計(jì)算時(shí)應(yīng)嘗試改變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)或結(jié)構(gòu)尺寸甚至改變結(jié)構(gòu)型式,，對(duì)不同的方案進(jìn)行比較,，以獲得技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較好的換熱器。

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