1．概述化工生产中所用的换热器类型很多。
按其用途分，有加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器。
按其结构分，有列管式、板式等。
不同类型换热器，其性能各异。
列管式换热器是目前应用最广泛的一种换热器设备，设计资料和数据比较完善，目前在许多国家已有系列化标准。
列管式换热器在换热效率、紧凑性和金属消耗量等方面不及其它新型换热器，但由于它有结构牢固、适应性大、材料范围广等独特优点，因而在各种换热器的竞争发展中占有绝对优势。
2．设计方案的确定2.1 列管式换热器型式的选择本次设计任务是用25 C的自来水将甲苯从105 C冷却到60 C,两种换热流体的温差较大，故可选用浮头式换热器。
浮头式换热器管束可以拉出，便于清洗；管束的膨胀不受壳体的约束，因而当两种换热流体的温差较大时，不会因为管束与壳体的膨胀量不同而产生温差应力。
2.2 流程的选择可选水走管程，甲苯走壳程。
原因：冷却水硬度较高，受热后容易结垢，在管内便于清洗，管内流体易于维持较高流速，可以避免悬浮颗粒的沉积。
被冷却物料走壳程，便于散热。
2.3 流速的选择表1列管式换热器内常用的流速范围表2不同黏度流体的流速（以普通钢管为例）由题意选管程流速为0.7m/s 。
2.4确定物性数据定性温度：可取流体进出口温度的平均值 壳程甲苯的定性温度 T=10^60=825C2管程水的定性温度 t = ^^35=30 C2根据定性温度，分别查表可得有关物性数据:流体种类气体3. 工艺计算3.1根据传热基本方程式Q=KA △ t m 来估算传热面积 3.11传热量Q=W h C ph 恥 1.05 =40000x1.19x(105 -60)x1.05 = 3.61 X 106kJ/h=1.0X 106w3.12平均传热温差△ t m =M :恥△ =Z0Z35=50.5CIn —— 353.13冷却水的用量3.14估算传热面积取 K 值为 420w/(m •C )A= Q=1.^10=47.1m 2KAt m 420咒50.5甲苯105C7 60 C温差70C 35CW c=C pc (仁)4.174 (35 一 25) 3610000=86488(kg/h)4. 换热器的工艺结构尺寸计算4.1管程与管数选取 F B © 25X 2.5J=8648836OO"95.7=1O9.8 取 110 （根） d i 2U i 4取管长1 =3mN p =^5.4^2（管程）传热管总根数N=110X 2=220（根）查表可得£ △ t=0.96则:a=1.25X 25=31.25〜32mm横过管中心线管数 b=1.1 J N =1.1X J22O =16.3 取17采用多管程结构，壳体内径应等于或稍大于关闭的直径:D =a （b -1） +2e式中 D ——壳体内径,mm ;a 管心距，mm ;n 二一0.022X 0.7X兀44.2 管长的确定传热管长度L 二丄47.1=5.45mn ；id 110x3.14x0.0254.3 平均传热温差校正R=T 1 -T 2t 2 —=105一60=4.5p 二t2 7 T 1 —11 = 3=0.125105-254.4 采用三角形排列，取管心距a=1.25d o4.5 壳体内径b――最外层的六角形对角线上的管数;e六角形最外层管中心到壳体内壁距离，一般取e=(1~1.5)d,取32mm。
D =a(b -1) +2e= 32x(17-1) +2x32 = 576mm圆整可取D=600mmL=3000=5 (4~10)D 6004.6折流板采用方形折流板，取方形折流板圆缺高度为壳体内径的25%,则切去的圆缺高度为h=0.25>c600=150mm取折流板间距B=0.3D=0.3 X 600= 180mm 取200mm折流板数山=传热管长/折流板间距-1=诙亠1^块）查表得拉杆直径为12mm,拉杆数为4。
5.换热器的校核计算5.1壳程对流给热系数a o当量直径，由正三角形得:丁3 2 兀 2 丿3 2 3.14 24(——a d。
) 4(一0.032 -——0.025 )de二------ 4— =—2----------- 4------- =0.02m兀d0 3.14 咒0.025壳程流通面积:SX0.6X(1-器)=0.0263m2 o=BD(1- 7)=0.21壳体流速及其雷诺数:U o =W L=40000360X 808=0.52m /s S o普兰特准数:Z0.55% A 0 14«0 =0.36 —Re 。
Pr 3（——）de% 0 121y= 0.36x —X （28010.7）O .55（4.74）/3=1016.5w/（m 2「C ）0.025.2管程对流给热系数%J I 23 14 2 2S i = d i n = ■ X （0.02）咒110 = 0.0345m44_ W c 864883600x995.75 =亍0.0263Re o 黑=28020.70.0003J 91O 2OOO3=4.740.121= 0.70m/s0.345 Re i 晋=咤皿鉴亠17403.00.000801輕空辱5.420.121% =0.023 佝 Re'8Pr 0'4=0.023O.617（17403.O ）0'8（5.42）0.4=3444.15.3传热系数K 0K 。
= _______________ 1d 0 d 0 bd 0 1亠 + RS i 」+—- + Rs o + 丄 %d i d i 入 d m 叫0.025 + 0.000344°^ + 0.0025".025+0.000172 +亠2 85.4传热面积S p换热器面积:该换热器的实际面积S p 二兀d o lN = 3.14X 0.025天 3^ 220 = 51.8m 2P 眷 1.25(1.1~1.3)5.5换热器压降的计算5.51 管程压降 Si p j =(邙 1 +A p 2)F t N s N p式中 込P1QP 2 ――分别为直管及回管中因摩擦阻力引起的压强降;结垢校正因数，量纲为1,对①=25mm 咒2.5mm 的管子,取 1.4；查表得几j =0.0362细=(△ P 1 +A p 2)F t N s N p 二(1317.3+731.8) X 1.4 X 1 X2=5737.48Pav 35kPaK 0497.5=1.18K 420(1.15-1.25)K^t m13106497.8 咒 50.5x0.96 =41.4mF tN p 管程数; N s串联的壳程数。
I P u 2邙了州-丁 =0.0360.023 995.7X (0.70)2= 1317.3 Pa廊2=3些® 995.7"0.70)2=731.8 Pa5.52壳程压降Z A p 0 =(A p1 +△ P 2)F s N s邙 2 ――流体通过折流板缺口的压强降，PaF s ――壳程压强降的结垢结垢校正因数，量纲为 1,液体可取1.15。
邹 1 =Ff o n c (N B +1)导2式中 F ――管子排列方法对压强降的校正因数，对正三角形排列F=1.15f o ——壳程流体的摩擦系数，当Re>500时’f o^Re o 』.228b ——横过管束中心线的管子数；N B --- 折流挡板数；h ――折流挡板间距，m;u o -------- 按壳程流通截面积计算的流速,m/s 。
而A o =h(D-bd o )2A o = h(D -bd o ) = 0.2X (0.6-17% 0.025) = 0.035m 2△P i流体横过管束的压强降，PaU o"Aw h40000'808x 3600 0.035 "39m 2=Ff0b(N B +1)电22 = 0.5x5x (28010.7严28X17X (14 +1) x 808減(。
爲24)= 6847.5Pa2' 2h P u o邹 2 =N B(3.5-—)「D 22一/CL2X0.5、808X(0.524)=14 X (3.5 ------ ) ' )0.6= 4659.0 PaZ i p0 =(A Pi + 虫P2)F S N S=(6848.7+4659.0)x1.15x1 =13233.8Pa c 35kPa 壳程流动阻力也比较适宜。
6.设计结果总汇换热器主要结构尺寸和计算结果见表3。
表3换热器主要结构尺寸和计算结果换热器形式：浮头式7.参考文献1任晓光•化工原理课程设计指导.北京:化学工业出版社，20092夏清陈常贵•化工原理.天津:天津大学出版社,20053马江泉冷一欣.化工原理课程设计指导.北京：中国石化出版社，20094刘光启马连湘刘杰•化学化工物性数据手册.北京：化学工业出版社，200211。