列管式換熱器的選用與設(shè)計(jì)原則
換熱器的設(shè)計(jì)即是通過傳熱過程計(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，說明換熱器選用或設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的問題。
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技術(shù)經(jīng)濟(jì)核算來確定。充分利用系統(tǒng)動(dòng)力設(shè)備的允許壓降來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題。若其中體僅已知進(jìn)口溫度，則出口溫度應(yīng)由設(shè)計(jì)者來確定。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。一般來說，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，工業(yè)冷卻用水的出口溫度一般不宜高于45℃，因?yàn)楣I(yè)用水中所含的部分鹽類（如caco3、caso4、 mgco3和mgso4等）的溶解度隨溫度升高而減小，如出口溫度過高，鹽類析出，將形成傳熱性能很差的污垢，而使傳熱過程惡化。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。或者說，當(dāng)傳熱面積一定時(shí)，采用小管徑可使管子長度縮短，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。
管長的選擇是以合理使用管材和清洗方便為原則。國產(chǎn)管材的長度一般為6m，因此管殼式換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)中換熱管的長度分為1.5、2、3或6m幾種，常用3m或6m的規(guī)格。長管不易清洗，且易彎曲。此外，管長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，對流傳熱系數(shù)大；正方形直列比較松散，對流傳熱系數(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)垢的場合；正方形錯(cuò)列則介于上述兩者之間，對流傳熱系數(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
折流板又稱折流擋板，安裝折流板的目的是為了提高殼程流體的對流傳熱系數(shù)。其常用型式有弓形折流板、圓盤形折流板（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)，間距過大，則不能保證流體垂直流過管束，流速減小，對流傳熱系數(shù)降低；間距過小，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%～99%。
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)傳熱過程各個(gè)環(huán)節(jié)分別計(jì)算出兩側(cè)流體的對流傳熱熱阻及導(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)教科書或手冊。
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)嘗試改變設(shè)計(jì)參數(shù)或結(jié)構(gòu)尺寸甚至改變結(jié)構(gòu)型式，對不同的方案進(jìn)行比較，以獲得技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較好的換熱器。