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化工原理课程设计---列管式换热器的设计

列管式换热器是一种常用的换热器类型，其结构简单、传热效率高、维修方便等优点使其在工业生产中得到广泛应用。该换热器由多个平行排列的管子组成，热流体和冷流体分别流过管内外，通过管壁传递热量，实现热量交换。根据不同的流体流动方式，列管式换热器又可分为纵向流式和横向流式两种形式。其中，横向流式换热器传热效率更高，但结构较为复杂，维修难度较大，因此在实际应用中需要根据具体情况进行选择。

浮头式换热器的特点是管板和壳体之间没有固定连接，只有一个浮头，管束和浮头相连。浮头可以在壳体内自由移动，以适应管子和壳体的热膨胀。这种结构适用于温差较大或壳程压力较高的情况。但是，由于管束和浮头的连接是松散的，因此需要注意防止泄漏。

U型管式换热器：

U型管式换热器的管子呈U形，两端分别焊接在管板上，形成一个U型管束。壳体内的流体从一端进入，从另一端流出，管内的流体也是如此。这种结构适用于流体腐蚀性较强的情况，因为管子可以很容易地更换。

多管程换热器：

多管程换热器是将管束分成多个组，每组管子单独连接到管板上，形成多个管程。这种结构可以提高传热效率，但也会增加流体阻力。因此，需要根据具体情况来选择多管程的数量。

总之，列管式换热器是一种广泛应用于化工及酒精生产的换热器。不同的结构适用于不同的工艺条件，需要根据具体情况来选择合适的换热器。在使用过程中，需要注意保养和维护，及时清洗和更换损坏的部件，以保证换热器的正常运行。

换热器的一块管板与外壳用法兰连接，另一块管板不与外壳连接，这种结构称为浮头式换热器。浮头式换热器的优点是管束可以拉出以便清洗，管束的膨胀不受壳体约束，因此在两种介质温差大的情况下，不会因管束与壳体的热膨胀量不同而产生温差应力。但其缺点是结构复杂，造价高。

填料式换热器的管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单，造价也较低。但壳程内介质有外漏的可能，因此不应处理易挥发、易燃、易爆和有毒的介质。

U型管式换热器中，每根管子都弯成U形，两端固定在同一块管板上，每根管子皆可自由伸缩，从而解决了热补偿问题。管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换也不易，管板上排列的管子较少。但其优点是结构简单，质量轻，适用于高温高压条件。

化工原理课程设计是一门重要的实践课程，通过该课程的研究，可以综合运用所学知识，完成以化工单元操作为主的一次设计实践。化工原理课程设计应以化工单元操作的典型设备为对象，选取科研和生产实际中的题目进行设计。设计内容包括设计方案简介、主要设备的工艺设计计算、典型辅助设备的选型和计算、工艺流程图、主要设备工艺条件图、以及设计说明书的编写。设计说明书应包括设计任务书、目录、设计方案简介与评述、工艺设计及计算、主要设备设计、工艺流程示意图、设计结果总汇、设计结果的自我评价和结束语、参考文献等，要求整个设计内容全部用计算机打字排版、打印。

选定换热器类型

根据热流体（煤油）入口温度为100℃，出口温度为35℃，冷流体（自来水）入口温度为25℃，出口温度为40℃的情况，选择带膨胀节的列管式换热器。这种换热器适用于循环冷却水冷却的情况，因为冬季操作时冷却水进口温度会降低，导致壳体壁温和管壁温相差较大。

选择后冷却器类型

本设计中，空气压缩机的后冷却器选择带有折流挡板的固定管板式换热器。这种换热器适用于温差不大，或温差较大但是壳程压力较小，或壳程不易结构或能化学清洗的情况。本次设计满足第二种情况。固定管板式换热器具有单位体积传热面积大、结构紧凑、坚固、传热效果好、能用多种材料制造、适用性较强、操作弹性大、结构简单、造价低廉等优点，适用于高温、高压的大型装置。

流动空间及流速的确定

在固定管板式换热器中，流体流径的选择应该考虑以下几点：

1.不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子。

2.腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。

3.压强高的流体宜走管内，以免壳体受压。

4.饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。

5.被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。

6.需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。

7.粘度大的液体或流量较小的流体，宜走管间，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re(Re100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。

根据水的垢性较煤油强、工作压力较高、煤油相对较为纯净、循环冷却水的推荐流速大于煤油的推荐流速等因素，可以采用循环冷却水为管程流体，煤油为壳程流体的逆流流动模式。

换热器的工艺计算

对于一般气体和水、煤油等低黏度流体，其定性温度可取流体进出口温