纯金属传热和厚度是什么关系

你好！我来说说，

解Ⅰ：由热平衡方程，ρ1.u1.A1.Δt1=ρ2.u2.A2.Δt2

代入数据：1000x1.5x1/4.π(19-3)^2.x20=860x0.8x1/4π[(32-3)^2-19^2]x(100-t2")

得： t2" = 76.7

由于逆流，则平均温差为：　Δm = [(76.7-10)-(100-30)]/ln[(76.7-10)/(100-30)]

=69

又由油的物性参数，c、λ、ν、Pr、解出Re、Nu，从而知 h=112

　由传热方程：Φb=Φt

代入数据：112x69.A = 1000x1.5x1/4.π(19-3)^2.x20x0.000001

得：　A =3.9㎡=nA"(单个管子的面积）

　至此，完全解出。（注，由于有两种规格的管子，问的是哪一种不太明确）

另，计算或有错误，供参考。

解Ⅱ（传热单元数法）：

　由热平衡方程，ρ1.u1.A1.Δt1=ρ2.u2.A2.Δt2

代入数据：1000x1.5x1/4.π(19-3)^2.x20=860x0.8x1/4π[(32-3)^2-19^2]x(100-t2")

得： t2" = 76.7

　ε = max(t'-t")/(t1'-t2')=(100-69)/(100-30)= 0.44

由于是逆流，则满足：ε＝NTU/(1+NTU)

解得：NTU＝0.78

又因：NTU= kA / min(qm.c)

代入数据，得　A = 3.9 ㎡

　以下同理。

　另，至于其它都是次要问题，管长增加，其它随面积相应变化；

　而将污垢热阻转化为系数加至原h即可。

　 主编部门：中华人民共和国化学工业部

批准部门：中华人民共和国建设部

施行日期：1995年10月1日

关于发布国家标准《工业循环冷却水处理设计规范》的通知

建标［1995］132号

根据国家计委计综［1992］490号文的要求，由化工部会同有关部门共同修订的《工业循环冷却水处理设计规范》已经有关部门会审，现批准《工业循环冷却水处理设计规范》GB50050—95为强制性国家标准，自一九九五年十月一日起施行，原《工业循环冷却水处理设计规范》GBJ50—83同时废止。

本标准由化工部负责管理，具体解释等工作由中国寰球化学工程公司负责，出版发行由建设部标准定额研究所负责组织。

中华人民共和国建设部

一九九五年三月十六日

1　总则

1.0.1 为了控制工业循环冷却水系统内由水质引起的结垢、污垢和腐蚀，保证设备的换热效率和使用年限，并使工业循环冷却水处理设计达到技术先进、经济合理，制定本规范。

1.0.2 本规范适用于新建、扩建、改建工程中间接换热的工业循环冷却水处理设计。

1.0.3 工业循环冷却水处理设计应符合安全生产、保护环境、节约能源和节约用水的要求，并便于施工、维修和操作管理。

1.0.4 工业循环冷却水处理设计应在不断地总结生产实践经验和科学试验的基础上，积极慎重地采用新技术。

1.0.5 工业循环冷却水处理设计除应按本规范执行外，尚应符合有关现行国家标准、规范的规定。

2　术语、符号

2.1 术语

2.1.1 循环冷却水系统Recinrculating cooling water system

以水作为冷却介质，由换热设备、冷却设备、水泵、管道及其它有关设备组成，并循环使用的一种给水系统。

2.1.2 敞开式系统Open system

指循环冷却水与大气直接接触冷却的循环冷却水系统。

2.1.3 密闭式系统Closed system

指循环冷却水不与大气直接接触冷却的循环冷却水系统。

2.1.4 药剂Chemicals

循环冷却水处理过程中所使用的各种化学物质。

2.1.5 异养菌数Count of heterotrophic bacteria

按细菌平皿计数法求出每毫升水中的异养菌个数。

2.1.6 粘泥Slime

指微生物及其分泌的粘液与其它有机和无机的杂质混合在一起的粘浊物质。

2.1.7 粘泥量Slime content

用标准的浮游生物网，在一定时间内过滤定量的水，将截留下来的悬浊物放入量筒内静置一定时间，测其沉淀后粘泥量的容积，以mL/ 表示。

2.1.8 污垢热阻值Fouling resistance

表示换热设备传热面上因沉积物而导致传热效率下降程度的数值，单位为㎡•K/W。

2.1.9 腐蚀率Corrosionrate

以金属腐蚀失重而算得的平均腐蚀率，单位为mm/a。

2.1.10 系统容积System capacity volume

循环冷却水系统内所有水容积的总和。

2.1.11 浓缩倍数Cycle of concentration

循环冷却水的含盐浓度与补充水的含盐浓度之比值。

2.1.12 监测试片Monitoring test coupon

放置在监测换热设备或测试管道上监测腐蚀用的标准金属试片。

2.1.13 预膜Prefilming

在循环冷却水中投加预膜剂，使清洗后的换热设备金属表面形成均匀密致的保护膜的过程。

2.1.14 间接换热Indirest heat exchange

换热介质之间不直接接触的一种换热形式。

2.1.15 旁流水Side stream

从循环冷却水系统中分流出部分水量，按要求进行处理后，再返回系统。

2.1.16 药剂允许停留时间Permittde retention time of chemi－cals

药剂在循环冷却水系统中的有效时间。

2.1.17 补充水量Amount of makeup water

循环冷却水系统在运行过程中补充所损失的水量。

2.1.18 排污水量Amount of blowdown

在确定的浓缩倍数条件下，需要从循环冷却水系统中排放的水量。

2.1.19 热流密度Heat load intensity

换热设备的单位传热面每小时传出的热量，以w/㎡表示。

　2.2 符号

编号 符号 含义

2.2.1 A 冷却塔空气流量( /h)

2.2.2 Ca 空气中的含尘量(g/ )

2.2.3 Cmi 补充水中某项成份的含量(mg/L)

2.2.4 Cms 补充水的悬浮物含量(mg/L)

2.2.5 Cri 循环冷却水中某项成份的含量(mg/L)

2.2.6 CTS 循环冷却水的悬浮物含量(mg/L)

2.2.7 Gsi 旁流处理后水中某项成份的含量(mg/L)

2.2.8 Css 旁流过滤后水的悬浮物含量(mg/L)

2.2.9 Gc 加氯量(kg/h)

2.2.10 Gf 系统首次加药量(kg)

2.2.11 Gn 非氧化性杀菌灭藻剂的加药量(kg)

2.2.12 Gr 系统运行时的加药量(kg/h)

2.2.13 g 单位循环冷却水的加药量(mg/L)

2.2.14 gc 单位循环冷却水的加氯量(mg/L)

2.2.15 Ks 悬浮物沉降系数

2.2.16 N 浓缩倍数

2.2.17 Q 循环冷却水量( /h)

2.2.18 Qb 排污水量( /h)

2.2.19 Qe 蒸发水量( /h)

2.2.20 Qm 补充水量( /h)

2.2.21 Qsi 旁流处理水量( /h)

2.2.22 Qsf 旁流过滤水量( /h)

2.2.23 Qw 风吹损失水量( /h)

2.2.24 Td 设计停留时间(h)

2.2.25 V 系统容积( )

2.2.26 Vf 设备中的水容积( )

2.2.27 Vp 管道容积( )

2.2.28 Vpc 管道和膨胀罐的容积( )

2.2.29 Vt 水池容积( )

3　循环冷却水处理

3.1 一般规定

3.1.1 循环冷却水处理设计方案的选择，应根据换热设备设计对污垢热阻值和腐蚀率的要求，结合下列因素通过技术经济比较确定：

3.1.1.1 循环冷却水的水质标准；

3.1.1.2 水源可供的水量及其水质；

3.1.1.3 设计的浓缩倍数（对敞开式系统）；

3.1.1.4 循环冷却水处理方法所要求的控制条件；

3.1.1.5 旁流水和补充水的处理方式；

3.1.1.6 药剂对环境的影响。

3.1.2 循环冷却水用水量应根据生产工艺的最大小时用水量确定，供水温度应根据生产工艺要求并结合气象条件确定。

3.1.3 补充水水质资料的收集与选取应符合下列规定：

3.1.3.1 当补充水水源为地表水时，不宜少于一年的逐月水质全分析资料；

3.1.3.2 当补充水水源为地下水时，不宜少于一年的逐季水质全分析资料；

3.1.3.3 循环冷却水处理设计应以补充水水质分析资料的年平均值作为设计依据，以最差水质校核设备能力。

3.1.4 水质分析项目宜符合本规范附录A的要求。

3.1.5 敞开式系统中换热设备的循环冷却水侧流速和热流密度，应符合下列规定：

3.1.5.1 管程循环冷却水流速不宜小于0.9m/s；

3.1.5.2 壳程循环冷却水流速不应小于0.3m/s。当受条件限制不能满足上述要求时，应采取防腐涂层、反向冲洗等措施；

3.1.5.3 热流密度不宜大于58.2kW/㎡。

3.1.6 换热设备的循环冷却水侧管壁的污垢热阻值和腐蚀率应按生产工艺要求确定，当工艺无要求时，宜符合下列规定：

3.1.6.1 敞开式系统的污垢热阻值宜为1.72× ～3.44× •㎡K/W；

3.1.6.2 密闭式系统的污垢热阻度宜小于0.86× ㎡•K/W。

3.1.6.3 碳钢管壁的腐蚀率宜小于0.125mm/a，铜、铜合金和不锈钢管壁的腐蚀率宜小于0.005mm/a。

3.1.7 敞开式系统循环冷却水的水质标准应根据换热设备的结构形式、材质、工况条件、污垢热阻值、腐蚀率以及所采用的水处理配方等因素综合确定，并宜符合表3.1.7的规定。

循环冷却水的水质标准表3.1.7

注：①甲基橙碱度以CaCo3计；

②硅酸以SiO2计；

③ ＋以CaCo3计。

3.1.8 密闭式系统循环冷却水的水质标准应根据生产工艺条件确定。

3.1.9 敞开式系统循环冷却水的设计浓缩倍数不宜小于3.0。浓缩倍数可按下式计算：

式中N——浓缩倍数；

Qm——补充水量（ /h）；

Qb——排污水量（ /h）；

Qw——风吹损失水量（ /h）。

3.1.10 敞开式系统循环冷却水中的异养菌数宜小于5× 个/mL；粘泥量宜小于4mL/ 。

　3.2 敞开式系统设计

3.2.1 循环冷却水在系统内的设计停留时间不应超过药剂的允许停留时间。设计停留时间可按下式计算：

式中Td——设计停留时间（h）；

V——系统容积（ ）。

3.2.2 循环冷却水的系统容积宜小于小时循环水量的1/3。当按下式计算的系统容积超过前述规定时，应调整水池容积。

式中Vf——设备中的水容积（ ）；

Vp——管道容积（ ）；

Vt——水池容积（ ）。

3.2.3 经过投加阻垢剂、缓蚀剂和杀菌灭藻剂处理后的循环冷却水不应作直流水使用。

3.2.4 系统管道设计应符合下列规定：

3.2.4.1 循环冷却水回水管应设置直接接至冷却塔集水池的旁路管；

3.2.4.2 换热设备的接管宜预留接临时旁路管的接口；

3.2.4.3 循环冷却水系统的补充水管管径、集水池排空管管径应根据清洗、预膜置换时间的要求确定。置换时间应根据供水能力确定，宜小于8h。当补充水管设有计量仪表时，应增设旁路管。

3.2.5 冷却塔集水池宜设置便于排除或清除淤泥的设施。集水池出口处和循环水泵吸水井宜设置便于清洗的栏污滤网。

3.3 密闭式系统设计

3.3.1 密闭式循环冷却水系统容积可按下式计算：

式中Vpc——管道和膨胀罐的容积（ ）。

3.3.2 密闭式循环冷却水系统的加药设施，应具备向补充水和循环水投药的功能。

3.3.3 密闭式循环冷却水系统的供水总管和换热设备的供水管，应设置管道过滤器。

3.3.4 密闭式循环冷却水系统的管道低点处应设置泄空阀，管道高点处应设置自动排气阀。

　3.4 阻垢和缓蚀

3.4.1 循环冷却水的阻垢、缓蚀处理方案应经动态模拟试验确定，亦可根据水质和工况条件相类似的工厂运行经验确定。当做动态模拟试验时，应结合下列因素进行：

3.4.1.1 补充水水质；

3.4.1.2. 污垢热阻值；

3.4.1.3 腐蚀率；

3.4.1.4 浓缩倍数；

3.4.1.5 换热设备的材质；

3.4.1.6 换热设备的热流密度；

3.4.1.7 换热设备内水的流速；

3.4.1.8 循环冷却水温度；

3.4.1.9 药剂的允许停留时间；

3.4.1.10 药剂对环境的影响；

3.4.1.11 药剂的热稳定性与化学稳定性。

3.4.2 当敞开式系统换热设备的材质为碳钢，循环冷却水采用磷系复合配方处理时,循环冷却水的主要水质标准除应符合本规范3.1.7条的规定外，尚应符合下列规定：

3.4.2.1 悬浮物宜小于10mg/L；

3.4.2.2 甲基橙碱度宜大于50mg/L（以CaCo3计）；

3.4.2.3 正磷酸盐含量（以 计）宜小于或等于磷酸盐总含量（以 计）的50%。

3.4.2 当采用聚磷酸盐及其复合药剂配方时，换热设备出口处的循环冷却水温度宜低于50℃。

3.4.4 当敞开式系统循环冷却水处理采用含锌盐的复合药剂配方时,锌盐含量宜小于4.0mg/L（以 计），pH值宜小于8.3。当pH值大于8.3时，水中溶解锌与总锌重量比不应小于80%。

3.4.5 当敞开式系统循环冷却水处理采用全有机药剂配方时，循环冷却水的主要水质标准除应符合本规范3.1.7条的规定外,尚应符合下列规定：

3.4.5.1 pH值应大于8.0；

3.4.5.2 钙硬度应大于60mg/L；

3.4.5.3 甲基橙碱度应大于100mg/L（以CaCO3计）。

3.4.6 当循环冷却水系统中有铜或铜合金换热设备时，循环冷却水处理应投加铜缓蚀剂或采用硫酸亚铁进行铜管成膜。

3.4.7 循环冷却水系统阻垢、缓蚀剂的首次加药量，可按下列公式计算：

式中Gf——系统首次加药量（kg）；

g——单位循环冷却水的加药量（mg/L）。

3.4.8 敞开式循环冷却水系统运行时，阻垢、缓蚀剂的加药量，可按下列公式计算：

式中Gr——系统运行时的加药量（kg/h）；

Qe——蒸发水量（ /h）。

3.4.9 密闭式循环冷却水系统运行时，缓蚀剂加药量可按下列公式计算：

　3.5 菌藻处理

3.5.1 敞开式循环冷却水的菌藻处理应根据水质、菌藻种类、阻垢剂和缓蚀剂的特性以及环境污染等因素综合比较确定。

3.5.2 敞开式循环冷却水的菌藻处理宜采用加氯为主，并辅助投加非氧化性杀菌灭藻剂。

3.5.3 敞开式循环冷却水的加氯处理宜采用定期投加，每天宜投加1～3次，余氯量宜控制在0.5～1.0mg/L之内。每次加氯时间根据实验确定，宜采用3～4h。加氯量可按下式计算：

式中Gc——加氯量（kg/h）；

Q——循环冷却水量（ /h）；

gc——单位循环冷却水的加氯量，宜采用2～4mg/L。

3.5.4 液氯的投加点宜设在冷却塔集水池水面以下2/3水深处，并应采取氧气分布措施。

3.5.5 非氧化性杀菌灭藻剂的选择应符合下列规定：

3.5.5.1 高效、广谱、低毒；

3.5.5.2 pH值的适用范围较宽；

3.5.5.3 具有较好的剥离生物粘泥作用；

3.5.5.4 与阻垢剂、缓蚀剂不相互干扰；

3.5.5.5 易于降解并便于处理。

3.5.6 非氧化性杀菌灭藻剂，每月宜投加1～2次。每次加药量可按下式计算：

式中Gn——加药量（kg）。

3.5.7 非氧化性杀菌灭藻剂宜投加在冷却塔集水池的出水口处。

3.6 清洗和预膜处理

3.6.1 循环冷却水系统开车前，应进行清洗、预膜处理、但密闭式系统的预膜处理应根据需要确定。

3.6.2 循环冷却水系统的水清洗，应符合下列规定：

3.6.2.1 冷却塔集水池、水泵吸水池、管径大于或等于800mm的新管，应进行人工清扫；

3.6.2.2 管道内的清洗水流速不应低于1.5m/s；

3.6.2.3 清洗水应从换热设备的旁路管通过；

3.6.2.4 清洗时应加氯杀菌，水中余氯宜控制在0.8～1.0mg/L之内。

3.6.3 换热设备的化学清洗方式应符合下列规定：

3.6.3.1 当换热设备金属表面有防护油或油污时，宜采用全系统化学清洗。可采用专用的清洗剂或阴离子表面活性剂；

3.6.3.2 当换热设备金属表面有浮锈时，宜采用全系统化学清洗。可采用专用的清洗剂；

3.6.3.3 当换热设备金属表面锈蚀严重或结垢严重时，宜采用单台酸洗。当采用全系统酸洗时，应对钢筋混凝土材质采取耐酸防腐措施。换热设备酸洗后应进行中和、钝化处理；

3.6.3.4 当换热设备金属表面附着生物粘泥时，可投加具有剥离作用的非氧化性杀菌灭藻剂进行全系统清洗。

3.6.4 循环冷却水系统的预膜处理应在系统清洗后立即进行，预膜处理的配方和操作条件应根据换热设备材质、水质、温度等因素由试验或相似条件的运行经验确定。

3.6.5 当一个循环冷却水系统向两个或两个以上生产装置供水时，清洗、预膜应采取不同步开车的处理措施。

3.6.6 循环冷却水系统清洗、预膜水应通过旁路管直接回到冷却塔集水池。

4　旁流水处理

4.0.1 循环冷却水处理设计中有下列情况之一时，应设置旁流水处理设施：

4.0.1.1 循环冷却水在循环过程中受到污染，不能满足循环冷却水水质标准的要求；

4.0.1.2 经过技术经济比较，需要采用旁流水处理以提高设计浓缩倍数；

4.0.1.3 生产工艺有特殊要求。

4.0.2 旁流水处理设计方案应根据循环冷却水水质标准，结合去除的杂质种类、数量等因素综合比较确定。

4.0.3 敞开式系统采用旁流过滤方案去除悬浮物时，其过滤水量可按下式计算：

式中Qsf——旁流过滤水量（ /h）；

Cms——补充水的悬浮物含量（mg/L）；

Crs——循环冷却水的悬浮物含量（mg/L）；

Css——旁流过滤后水的悬浮物含量（mg/L）；

A——冷却塔空气流量（ /h）；

Ca——空气中含尘量（g/ ）；

Ks——悬浮物沉降系数，可通过试验确定。当无资料时可选用0.2。

4.0.4 敞开式系统的旁流过滤水量亦可按循环水量的1%～5%或结合国内运行经验确定。

4.0.5 密闭式系统宜设旁滤处理设施，旁滤量宜为循环水量的2%～5%。

4.0.6 当采用旁流水处理去除碱度、硬度、某种离子或其它杂质时，其旁流水量应根据浓缩或污染后的水质成份、循环冷却水水质标准和旁流处理后的出水水质要求等按下式计算确定：

式中Qsi——旁流处理水量（ /h）；

Cmi——补充水中某项成份的含量（mg/L）；

Cri——循环冷却水中某项成份的含量（mg/L）；

Csi——旁流处理后水中某项成份的含量（mg/L）。

5　补充水处理

5.0.1 敞开式系统补充水处理设计方案应根据补充水量、补充水的水质成份、循环冷却水的水质标准、设计浓缩倍数等因素，并结合旁流水处理和全厂给水处理的内容综合确定。

5.0.2 密闭式系统的补充水，应符合生产工艺对水质和水温的要求，可采用软化水、除盐水或冷凝水等。当补充水经除氧或除气处理后，应设封闭设施。

5.0.3 循环冷却水系统的补充水量可按下列公式计算：

5.0.3.1 敞开式系统

5.0.3.2 密闭式系统

式中α——经验系数，可取α＝0.001。

5.0.4 密闭式系统补充水管道的输水能力，应在4t～6h内将系统充满。

5.0.5 补充水的加氯处理，宜采用连续投加方式。游离性余氯量可控制在0.1～0.2mg/L的范围内。

5.0.6 补充水应控制铝离子的含量。

6　排水处理

6.0.1 循环冷却水系统的排水应包括系统排污水、排泥、清洗和预膜的排水、旁流水处理及补充水处理过程中的排水等，当水质超过排放标准时，应结合下列因素确定排水处理设计方案：

6.0.1.1 排水的水质和水量；

6.0.1.2 排放标准或排入全厂污水处理设施的水质要求；

6.0.1.3 重复使用的条件。

6.0.2 排水处理设施的设计能力应按正常的排放量确定。当排水的水质、水量变化较大，影响污水处理设施正常运行时，应设调节池。

6.0.3 系统清洗、预膜的排水和杀菌灭藻剂毒性降解所需的调节设施，宜结合全厂的排水调节设施统一设计。

6.0.4 当排水需要进行生物处理时，宜结合全厂的生物处理设施统一设计。

6.0.5 密闭式系统因试车、停车或紧急情况排出含有高浓度药剂的循环冷却水时，应设置贮存设施。

7　药剂的贮存和投配

7.0.1 循环冷却水系统的水处理药剂宜在全厂室内仓库贮存，并应在循环冷却水装置区内设药剂贮存间。液氯和非氧化性杀菌灭藻剂应渗专用仓库或贮存间贮存。

7.0.2 药剂的贮存量应根据药剂的消耗量、供应情况和运输条件等因素确定，或按下列要求计算：

7.0.2.1 全厂仓库中贮存的药剂量可按15～30d消耗量计算；

7.0.2.2 贮存间贮存的药剂量可按7～10d消耗量计算；

7.0.2.3 酸贮罐容积宜按一罐车的容积加10d消耗量计算。

7.0.3 药剂在室内的堆放高度宜符合下列规定：

7.0.3.1 袋装药剂为1.5～2.0m；

7.0.3.2 散装药剂为1.0～1.5m；

7.0.3.3 桶装药剂为0.8～1.2m。

7.0.4 药剂贮存间与加药间宜相互毗连，并设运输和起吊设备。

7.0.5 浓酸的装卸和投加应采用负压抽吸、泵输送或重力自流，不应采用压缩空气压送。

7.0.6 酸贮罐的数量不宜少于2个。贮罐应设安全围堰或放置于事故池内，围堰或事故池应作内防腐处理并设集水坑。

7.0.7 药剂溶解槽的设置应符合下列规定：

7.0.7.1 溶解槽的总容积可按8～24h的药剂消耗量和5%～20%的溶液浓度确定；

7.0.7.2 溶解槽应设搅拌设施；

7.0.7.3 溶解槽宜设一个；

7.0.7.4 易溶药剂的溶解槽可与溶液槽合并。

7.0.8 药剂溶液槽的设置应符合下列规定：

7.0.8.1 溶液槽的总容积可按8～24h的药剂消耗量和1%～5%的溶液浓度确定；

7.0.8.2 溶液槽的数量不宜少于2个；

7.0.8.3 溶液槽宜设搅拌设施，搅拌方式应根据药剂的性质和配制条件确定。

7.0.9 液态药剂宜原液投加。

7.0.10 药剂溶液的计量宜采用计量泵或转子流量计，计量设备宜设备用。

7.0.11 液氯计量应有瞬时和累计计量。加氯机出口宜设转子流量计进行瞬时计量，氯瓶宜设磅秤进行累计计量。

7.0.12 加氯机的总容量和台数应按最大小时加氯量确定。加氯机宜设备用。

7.0.13 加氯间必须与其它工作间隔开，并应符合下列规定：

7.0.13.1 应设观察窗和直接通向室外的外开门；

7.0.13.2 氯瓶和加氯机不应靠近采暖设备；

7.0.13.3 应设通风设备，每小时换气次数不宜小于8次。通风孔应设在外墙下方；

7.0.13.4 室内电气设备及灯具应采用密闭、防腐类型产品，照明和通风设备的开关应设在室外；

7.0.13.5 加氯间的附近应设置防毒面具、抢救器材和工具箱。

7.0.14 当工作氯瓶的容量大于或等于500kg时，氯瓶间应与加氯间隔开，并应设起吊设备；当小于500kg时，氯瓶间和加氯间宜合并,并宜设起吊设备。

7.0.15 向循环冷却水直接投加浓酸时，应设置酸与水的均匀混合设施。

7.0.16 药剂的贮存、配制、投加设施、计量仪表和输送管道等，应根据药剂的性质采取相应的防腐、防潮、保温和清洗的措施。

7.0.17 药剂贮存间、加药间、加氯间、酸贮罐、加酸设施等，应根据药剂性质及贮存、使用条件设置生产安全防护设施。

7.0.18 循环冷却水系统可根据药剂投加设施的具体需要，结合循环冷却水处理的内容和规模设置维修工具。

8　监测、控制和化验

8.0.1 循环冷却水系统监测仪表的设置应符合下列要求：

8.0.1.1 循环给水总管应设流量、温度和压力仪表；

8.0.1.2 循环回水总管宜设流量、温度和压力仪表；

8.0.1.3 旁流水管、补充水管应设流量仪表；

8.0.1.4 换热设备对腐蚀率和污垢热阻值有严格要求时，应在换热设备的进水管或出水管上设流量、温度和压力仪表。

8.0.2 循环冷却水系统宜设模拟监测换热器、监测试片器和粘泥测定器。

8.0.3 循环冷却水系统宜在下列管道上设置取样管：

（1）循环给水总管；

（2）循环回水总管；

（3）补充水管；

（4）旁流水出水管；

（5）换热设备出水管。

8.0.4 循环水泵的吸水池或冷却塔的集水池应设液位计，水池的水位与补充水进水阀门宜用联锁控制。吸水池宜设低液位报警器。

8.0.5 循环冷却水系统采用加酸处理时，应对pH值进行检测。

8.0.6 化验室的设置应根据循环冷却水系统的水质分析要求确定。日常检测项目的化验设施宜设置在循环冷却水装置区内，非日常检测项目可利用全厂中央化验室的设施或与其它单位协作检测。

8.0.7 以水质化验和微生物分析为主的化验室，宜设水质分析间、天平间、试剂间、仪器间、生物分析间和更衣间等。

8.0.8 水质日常检测项目包括下列内容：

（1）pH值；

（2）硬度；

（3）碱度；

（4）钾离子；

（5）电导率；

（6）悬浮物；

（7）游离氯；

（8）药剂浓度。

8.0.9 循环冷却水水质化验可根据具体要求增加以下检测项目：

（1）微生物分析；

（2）垢层与腐蚀产物的成份分析；

（3）腐蚀速率测定；

（4）污垢热阻值测定；

（5）生物粘泥量测定；

（6）药剂质量分析。

8.0.10 循环冷却水宜每季进行水质全分析。

附录A　水质分析项目表

水样（水源）　名称：外观：

取样地点：水温：℃

取样日期：

◎ 冷、热流体流动通道的选择

　具体选择冷、热流体流动通道的选择

在换热器中，哪一种流体流经管程，哪一种流经壳程，下列几点可作为选择的一般原则：

a) 不洁净或易结垢的液体宜在管程，因管内清洗方便。

b) 腐蚀性流体宜在管程，以免管束和壳体同时受到腐蚀。

c) 压力高的流体宜在管内，以免壳体承受压力。

d) 饱和蒸汽宜走壳程，因饱和蒸汽比较清洁，表面传热系数与流速无关，而且冷凝液容易排出。

e) 流量小而粘度大（ ）的流体一般以壳程为宜，因在壳程Re>100即可达到湍流。但这不是绝对的，如流动阻力损失允许，将这类流体通入管内并采用多管程结构，亦可得到较高的表面传热系数。

f) 若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，宜将表面传热系数大的流体通入壳程，以减小热应力。

g) 需要被冷却物料一般选壳程，便于散热。

以上各点常常不可能同时满足，应抓住主要方面，例如首先从流体的压力、防腐蚀及清洗等要求来考虑，然后再从对阻力降低或其他要求予以校核选定。

◎ 流速的选择

　常用流速范围流速的选择

流体在管程或壳程中的流速，不仅直接影响表面传热系数，而且影响污垢热阻，从而影响传热系数的大小，特别对于含有泥沙等较易沉积颗粒的流体，流速过低甚至可能导致管路堵塞，严重影响到设备的使用，但流速增大，又将使流体阻力增大。因此选择适宜的流速是十分重要的。根据经验，表4.7.1及表4.7.2列出一些工业上常用的流速范围，以供参考。

表4.7.1 列管换热器内常用的流速范围流体种类流速 m/s管程壳程一般液体

宜结垢液体

气 体0.5～0.3

>1

5～300.2～1.5

>0.5

3～15

表4.7.2 液体在列管换热器中流速（在钢管中）液体粘度 最大流速 m/s>1500

1000～500

500～100

100～53

35～1

>10.6

0.75

1.1

1.5

1.8

2.4◎ 流动方式的选择

　流动方式选择流动方式的选择

除逆流和并流之外，在列管式换热器中冷、热流体还可以作各种多管程多壳程的复杂流动。当流量一定时，管程或壳程越多，表面传热系数越大，对传热过程越有利。但是，采用多管程或多壳程必导致流体阻力损失，即输送流体的动力费用增加。因此，在决定换热器的程数时，需权衡传热和流体输送两方面的损失。

当采用多管程或多壳程时，列管式换热器内的流动形式复杂，对数平均值的温差要加以修正，具体修正方法见4.4节。

◎ 换热管规格和排列的选择

　具体选择 换热管规格和排列的选择

换热管直径越小，换热器单位体积的传热面积越大。因此，对于洁净的流体管径可取小些。但对于不洁净或易结垢的流体，管径应取得大些，以免堵塞。考虑到制造和维修的方便，加热管的规格不宜过多。目前我国试行的系列标准规定采用 和 两种规格，对一般流体是适应的。此外，还有 ，φ57×2.5的无缝钢管和φ25×2, 的耐酸不锈钢管。

按选定的管径和流速确定管子数目，再根据所需传热面积，求得管子长度。实际所取管长应根据出厂的钢管长度合理截用。我国生产的钢管长度多为6m、9m，故系列标准中管长有1.5，2，3，4.5，6和9m六种，其中以3m和6m更为普遍。同时，管子的长度又应与管径相适应，一般管长与管径之比，即L/D约为4～6。

管子的排列方式有等边三角形和正方形两种（图4.7.11a，图4.7.11b）。与正方形相比，等边三角形排列比较紧凑，管外流体湍动程度高，表面传热系数大。正方形排列虽比较松散，传热效果也较差，但管外清洗方便，对易结垢流体更为适用。如将正方形排列的管束斜转45°安装（图4.7.11c），可在一定程度上提高表面传热系数。

图4.7.11 管子在管板上的排列

◎ 折流挡板

　折流挡板间距的具体选择折流挡板

安装折流挡板的目的是为提高管外表面传热系数，为取得良好的效果，挡板的形状和间距必须适当。

对圆缺形挡板而言，弓形缺口的大小对壳程流体的流动情况有重要影响。由图4.7.12可以看出，弓形缺口太大或太小都会产生"死区"，既不利于传热，又往往增加流体阻力。

　a.切除过少　b.切除适当 c.切除过多

图4.7.12　挡板切除对流动的影响

挡板的间距对壳体的流动亦有重要的影响。间距太大，不能保证流体垂直流过管束，使管外表面传热系数下降；间距太小，不便于制造和检修，阻力损失亦大。一般取挡板间距为壳体内径的0.2～1.0倍。我国系列标准中采用的挡板间距为：

固定管板式有100，150，200，300，450，600，700mm七种

浮头式有100，150，200，250，300，350，450（或480），600mm八种。（2）流体通过换热器时阻力的计算

换热器管程及壳程的流动阻力，常常控制在一定允许范围内。若计算结果超过允许值时，则应修改设计参数或重新选择其他规格的换热器。按一般经验，对于液体常控制在104～105Pa范围内，对于气体则以103～104Pa为宜。此外，也可依据操作压力不同而有所差别，参考下表。换热器操作允许压降△P换热器操作压力P(Pa)允许压降△P<105 (绝对压力)

0～105 (表压)

>105 (表压)0.1P

0.5P

>5×104 Pa◎ 管程阻力

　管程阻力可按一般摩擦阻力计算式求得。

　具体计算公式管程阻力损失

管程阻力损失可按一般摩擦阻力计算式求得。但管程总的阻力 应是各程直管摩擦阻力 、每程回弯阻力 以及进出口阻力 三项之和。而 相比之下常可忽略不计。因此可用下式计算管程总阻力损失 ：

　式中 　每程直管阻力 ；

每程回弯阻力 ；

Ft－结构校正系数，无因次，对于 的管子，Ft=1.4，对于 的管子Ft=1.5；

Ns－串联的壳程数，指串联的换热器数；

Np－管程数；

由此式可以看出，管程的阻力损失（或压降）正比于管程数Np的三次方，即

　 ∝

对同一换热器，若由单管程改为两管程，阻力损失剧增为原来的8倍，而强制对流传热、湍流条件下的表面传热系数只增为原来的1.74倍；若由单管程改为四管程，阻力损失增为原来的64倍，而表面传热系数只增为原来的3倍。由此可见，在选择换热器管程数目时，应该兼顾传热与流体压降两方面的得失。

◎ 壳程阻力

　对于壳程阻力的计算，由于流动状态比较复杂，计算公式较多，计算结果相差较大。

　埃索法计算公式壳程阻力损失

对于壳程阻力损失的计算，由于流动状态比较复杂，提出的计算公式较多，所得计算结果相差不少。下面为埃索法计算壳程阻力损失的公式：

　式中 -壳程总阻力损失， ；

-流过管束的阻力损失， ；

-流过折流板缺口的阻力损失， ；

Fs-壳程阻力结垢校正系数，对液体可取Fs=1.15，对气体或可凝蒸汽取Fs=1.0；

Ns-壳程数；

　又管束阻力损失 　

折流板缺口阻力损失

　式中 -折流板数目；

　 -横过管束中心的管子数，对于三角形排列的管束， ；对于正方形排列的管束， ， 为每一壳程的管子总数；

　B-折流板间距，m；

　D-壳程直径，m；

　 -按壳程流通截面积或按其截面积 计算所得的壳程流速，m/s；

　F-管子排列形式对压降的校正系数，对三角形排列F=0.5，对正方形排列F=0.3，对正方形斜转45°，F=04；

　 -壳程流体摩擦系数，根据 ，由图4.7.13求出（图中t为管子中心距），当 亦可由下式求出：

因 ， 正比于 ，由式4.7.4可知，管束阻力损失 ，基本上正比于 ，即

∝

若挡板间距减小一半， 剧增8倍，而表面传热系数 只增加1.46倍。因此，在选择挡板间距时，亦应兼顾传热与流体压降两方面的得失。同理，壳程数的选择也应如此。

图4.7.13 壳程摩擦系数f0与Re0的关系列管式换热器的设计和选用(续)　（3）列管式换热器的设计和选用的计算步骤

设有流量为去qm,h的热流体，需从温度T1冷却至T2，可用的冷却介质入口温度t1，出口温度选定为t2。由此已知条件可算出换热器的热流量Q和逆流操作的平均推动力 。根据传热速率基本方程：

当Q和 已知时，要求取传热面积A必须知K和 则是由传热面积A的大小和换热器结构决定的。可见，在冷、热流体的流量及进、出口温度皆已知的条件下，选用或设计换热器必须通过试差计算，按以下步骤进行。

◎ 初选换热器的规格尺寸

◆ 初步选定换热器的流动方式，保证温差修正系数 大于0.8，否则应改变流动方式，重新计算。

◆ 计算热流量Q及平均传热温差△tm，根据经验估计总传热系数K估，初估传热面积A估。

◆ 选取管程适宜流速，估算管程数，并根据A估的数值，确定换热管直径、长度及排列。 ◎ 计算管、壳程阻力

在选择管程流体与壳程流体以及初步确定了换热器主要尺寸的基础上，就可以计算管、壳程流速和阻力，看是否合理。或者先选定流速以确定管程数NP和折流板间距B再计算压力降是否合理。这时NP与B是可以调整的参数，如仍不能满足要求，可另选壳径再进行计算，直到合理为止。

◎ 核算总传热系数

分别计算管、壳程表面传热系数，确定污垢热阻，求出总传系数K计，并与估算时所取用的传热系数K估进行比较。如果相差较多，应重新估算。

◎ 计算传热面积并求裕度

根据计算的K计值、热流量Q及平均温度差△tm，由总传热速率方程计算传热面积A0，一般应使所选用或设计的实际传热面积AP大于A020%左右为宜。即裕度为20%左右，裕度的计算式为：

换热器的传热强化途径如欲强化现有传热设备，开发新型高效的传热设备，以便在较小的设备上获得更大的生产能力和效益，成为现代工业发展的一个重要问题。

依总传热速率方程：

强化方法：提高 K、A、 均可强化传热。

◎提高传热系数K

热阻主要集中于 较小的一侧，提高 小的一侧有效。

◆ 降低污垢热阻

◆ 提高表面传热系数

　 提高 的方法：

无相变化传热：

　1） 加大流速；

　2）人工粗造表面；

　3）扰流元件。 有相变化传热：

蒸汽冷凝 ：

　1）滴状冷凝，

　2）不凝气体排放，

　3）气液流向一致 ，

　4）合理布置冷凝面，

　5）利用表面张力 （沟槽 ，金属丝）液体沸腾：

　1）保持核状沸腾，

　2） 制造人工表面，增加汽化核心数。

◎ 提高传热推动力

　加热蒸汽P ，

◎ 改变传热面积A

关于传热面积A的改变，不以增加换热器台数，改变换热器的尺寸来加大传热面积A，而是通过对传热面的改造，如开槽及加翅片、以不同异形管代替光滑圆管等措施来加大传热面积以强化传热过程。

kg/h的油从140℃冷却至40℃，压力为0.3MPa；冷却介质采用循环水，循环冷却水的压力为0.4MPa，循环水入口温度30℃，出口温度为40℃。试设计一台列管式换热器，完成该生产任务。 1．确定设计方案 （1）选择换热器的类型 两流体温度变化情况：热流体进口温度140℃，出口温度40℃冷流体(循环水)进口温度30℃，出口温度40℃。该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式式换热器。 （2）流动空间及流速的确定 由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，油品走壳程。选用ф25×2.5的碳钢管，管内流速取ui=0.5m/s。 2．确定物性数据 定性温度：可取流体进口温度的平均值。 壳程油的定性温度为(℃)管程流体的定性温度为(℃)根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 油在90℃下的有关物性数据如下： 密度

ρo=825

kg/m3定压比热容

cpo=2.22

kJ/(kg·℃)导热系数

λo=0.140

W/(m·℃)粘度

μo=0.000715

Pa·s循环冷却水在35℃下的物性数据： 密度

ρi=994

kg/m3定压比热容

cpi=4.08

kJ/(kg·℃)导热系数

λi=0.626

W/(m·℃)粘度

μi=0.000725

Pa·s3．计算总传热系数 （1）热流量 Qo=WocpoΔto=6000×2.22×(140-40)=1.32×106kJ/h=366.7(kW)（2）平均传热温差 (℃)（3）冷却水用量 (kg/h)（4）总传热系数K 管程传热系数

W/(m·℃)壳程传热系数 假设壳程的传热系数αo=290

W/(m2·℃)； 污垢热阻Rsi=0.000344

m2·℃/W

,

Rso=0.000172

m2·℃/W管壁的导热系数λ=45

W/(m·℃)

=219.5

W/(m·℃)

4．计算传热面积 (m2)考虑

15％的面积裕度，S=1.15×S′=1.15×42.8=49.2(m2)。 5．工艺结构尺寸 （1）管径和管内流速 选用ф25×2.5传热管(碳钢)，取管内流速ui=0.5m/s。 （2）管程数和传热管数 依据传热管内径和流速确定单程传热管数

按单程管计算，所需的传热管长度为(m)按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长L=6m，则该换热器管程数为(管程)传热管总根数

N=58×2=116(根)（3）平均传热温差校正及壳程数 平均传热温差校正系数

第2章

换热器设计按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表。但R=10的点在图上难以读出，因而相应以1/R代替R，PR代替P，查同一图线，可得φΔt=0.82平均传热温差Δtm=φΔtΔ′tm=0.82×39=32(℃)（4）传热管排列和分程方法 采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距t=1.25

d0，则 t=1.25×25=31.25≈32(mm)横过管束中心线的管数(根)（5）壳体内径 采用多管程结构，取管板利用率η＝0.7，则壳体内径为 (mm)圆整可取D＝450mm （6）折流板 采用弓形折流板，取弓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＝0.25×450＝112.5(mm)，故可取h＝110

mm。 取折流板间距B＝0.3D，则B＝0.3×450＝135(mm)，可取B为150。 折流板数

NB=传热管长/折流板间距-1=6000/150-1=39(块)折流板圆缺面水平装配。 （7）接管 壳程流体进出口接管：取接管内油品流速为

u＝1.0

m/s，则接管内径为

取标准管径为50

mm。 管程流体进出口接管：取接管内循环水流速

u＝1.5

m/s，则接管内径为

6．换热器核算 （1）热量核算 ①壳程对流传热系数

对圆缺形折流板，可采用凯恩公式 当量直径，由正三角形排列得 (m) 壳程流通截面积 (m) 壳程流体流速及其雷诺数分别为

普兰特准数

粘度校正 W/(m2·℃) ②管程对流传热系数 管程流通截面积(m2) 管程流体流速

普兰特准数W/(m2·℃) ③传热系数K

=310.2

W/(m·℃)④传热面积S(m2)该换热器的实际传热面积Sp(

m2)该换热器的面积裕度为

传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。 （2）换热器内流体的流动阻力 ①管程流动阻力 ∑ΔPi=(ΔP1+ΔP2)FtNsNpNs=1,

Np=2,

Ft=1.5

由Re＝13628，传热管相对粗糙度0.01/20＝0.005，查莫狄图得λi＝0.037

W/m·℃， 流速ui＝0.497

m/s，ρ＝994

kg/m3，所以

管程流动阻力在允许范围之内。 ②壳程阻力 ∑ΔPo=(ΔP′1+ΔP′2)FtNsNs＝l，Ft＝l流体流经管束的阻力

流体流过折流板缺口的阻力

总阻力∑ΔPo＝1202＋636.2＝1838.2(Pa)＜10

kPa壳程流动阻力也比较适宜。 ③换热器主要结构尺寸和计算结果

换热器主要结构尺寸和计算结果见表2-13。 表2-13换热器主要结构尺寸和计算结果

换热器形式：固定管板式

管口表 换热面积（m2）:48 符号 尺寸 用途 连接型式 工艺参数 a DN80 循环水入口 平面 名称 管程 壳程 b DN80 循环水出口 平面 物料名称 循环水 油 c DN50 油品入口 凹凸面 操作压力，MPa 0.4 0.3 d DN50 油品出口 凹凸面 操作温度，℃ 29/39 140/40 e DN20 排气口 凹凸面 流量，kg/h 32353 6000 f DN20 放净口 凹凸面 流体密度，kg/m3 994 825 附图

流速，m/s

0.497

0.137

传热量，kW

366.7

总传热系数，W/m2·K

310.2

传热系数，W/m2·K

2721

476

污垢系数，m2·K/W

0.000344

0.000172

阻力降，MPa

0.00173

0.00184

程数

2

1

推荐使用材料

碳钢

碳钢

管子规格

ф25×2.5

管数116

管长mm:6000

管间距，mm

32

排列方式

正三角形

折流板型式

上下

间距，mm

150

切口高度25%

壳体内径，mm

450

保温层厚度，mm

热交换设备

http://www.longpai.com.cn/chanpin/Default_1_1.html

一、 概述 3

1. 换热器的结构形式 3

2.换热器材质的选择 3

3. 管板式换热器的优点 4

4.列管式换热器的结构 5

5.管板式换热器的类型及工作原理 7

二、 设计任务与操作条件 7

1.设计题目 7

2. 设计任务与操作条件 7

3.确定设计方案 8

4. 计算传热面积并初选换热器型号 8

1.计算苯的流量： 8

2． 确定热流体及冷流体的物理性质： 8

3． 传热量计算： 8

4． 确定流体的温度： 8

5． 计算平均温度： 8

6． 设定管程流速、选择K值并估算传热面积： 9

5. 核算压力降： 10

1． 管程压力降： 10

2． 壳程压力降： 10

6. 核算总传热系数： 11

1、 管程对流传热系数 11

2、 壳程对流传热系数 12

三、 参考文献 13

四、 主要符号说明 13

五、 课程设计感想 14

一、 概述

目前管板式换热器产品达到了一个成熟阶段,凭借其高效、节能、环保的优势,在各行业领域中被频繁使用, 并被用以替换原有管壳式和翅片式换热器,取得了很好的效果。

1. 换热器的结构形式

管壳式换热器又称列管式换热器，是一种通用的标准换热设备，它具有结构简单，坚固耐用，造价低廉，用材广泛，清洗方便，适应性强等优点，应用最为广泛。管壳式换热器根据结构特点分为以下几种：

（1） 固定管板式换热器

固定管板式换热器两端的管板与壳体连在一起，这类换热器结构简单，价格低廉，但管外清洗困难，宜处理两流体温差小于50℃且壳方流体较清洁及不易结垢的物料。

带有膨胀节的固定管板式换热器，其膨胀节的弹性变形可减小温差应力，这种补偿方法适用于两流体温差小于70℃且壳方流体压强不高于600Kpa的情况。

（2） 浮头式换热器

浮头式换热器的管板有一个不与外壳连接，该端被称为浮头，管束连同浮头可以自由伸缩，而与外壳的膨胀无关。浮头式换热器的管束可以拉出，便于清洗和检修，适用于两流体温差较大的各种物料的换热，应用极为普遍，但结构复杂，造价高；增加了浮头盖以及连接件，在该处一旦发生泄漏不易被发现；管束外缘与壳壁之间间隙较大，减少了排管数目，容易引起壳程流体短路。

（3） 填料涵式换热器

填料涵式换热器管束一端可以自由膨胀，与浮头式换热器相比，结构简单，造价低，但壳程流体有外漏的可能性，因此壳程不能处理易燃，易爆的流体。

（4） U型管式换热器

结构简单，质量轻，适用于高温和高压的场合。换热管束可以抽出，热应力可以消除。但管程清洗困难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。换热器的内层换热管一旦发生泄漏损坏，只能堵塞而不能更换。壳程内有一个不能排管的条形空间，影响结构的紧凑，而且要安装防短路的中间挡板。

2. 换热器材质的选择

在进行换热器设计时，换热器各种零、部件的材料，应根据设备的操作压力、操作温度。流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。当然，最后还要考虑材料的经济合理性。一般为了满足设备的操作压力和操作温度，即从设备的强度或刚度的角度来考虑，是比较容易达到的，但材料的耐腐蚀性能，有时往往成为一个复杂的问题。在这方面考虑不周，选材不妥，不仅会影响换热器的使用寿命，而且也大大提高设备的成本。至于材料的制造工艺性能，是与换热器的具体结构有着密切关系。

一般换热器常用的材料，有碳钢和不锈钢。

（1）碳钢

价格低，强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定，很容易被酸腐蚀，在无耐腐蚀性要求的环境中应用是合理的。如一般换热器用的普通无缝钢管，其常用的材料为10号和20号碳钢。

（2）不锈钢

奥氏体系不锈钢以1Crl8Ni9Ti为代表，它是标准的18-8奥氏体不锈钢，有稳定的奥氏体组织，具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能。

正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径换热器，外圆管布管均匀，结构更为紧凑。我国换热器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。

（2）管板

管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。

管板与管子的连接可胀接或焊接。胀接法是利用胀管器将管子扩胀，产生显著的塑性变形，靠管子与管板间的挤压力达到密封紧固的目的。胀接法一般用在管子为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过4 MPa，设计温度不超过 350℃的场合。

（3）封头和管箱

封头和管箱位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。

①封头 当壳体直径较小时常采用封头。接管和封头可用法兰或螺纹连接，封头与壳体之间用螺纹连接，以便卸下封头，检查和清洗管子。

②管箱 换热器管内流体进出口的空间称为管箱,壳径较大的换热器大多采用管箱结构。由于清洗、检修管子时需拆下管箱，因此管箱结构应便于装拆。

③分程隔板 当需要的换热面很大时，可采用多管程换热器。对于多管程换热器，在管箱内应设分程隔板，将管束分为顺次串接的若干组，各组管子数目大致相等。这样可提高介质流速，增强传热。管程多者可达16程，常用的有2、4、6程。在布置时应尽量使管程流体与壳程流体成逆流布置，以增强传热，同时应严防分程隔板的泄漏，以防止流体的短路。

3. 管板式换热器的优点

(1) 换热效率高,热损失小

在最好的工况条件下, 换热系数可以达到6000W/ m2K, 在一般的工况条件下, 换热系数也可以在3000～4000 W/ m2K左右,是管壳式换热器的3～5倍。设备本身不存在旁路,所有通过设备的流体都能在板片波纹的作用下形成湍流,进行充分的换热。完成同一项换热过程, 板式换热器的换热面积仅为管壳式的1/ 3～1/ 4。

(2) 占地面积小重量轻

除设备本身体积外, 不需要预留额外的检修和安装空间。换热所用板片的厚度仅为0. 6～0. 8mm。同样的换热效果, 板式换热器比管壳式换热器的占地面积和重量要少五分之四。

(3) 污垢系数低

流体在板片间剧烈翻腾形成湍流, 优秀的板片设计避免了死区的存在, 使得杂质不易在通道中沉积堵塞,保证了良好的换热效果。

(4) 检修、清洗方便

换热板片通过夹紧螺柱的夹紧力组装在一起,当检修、清洗时, 仅需松开夹紧螺柱即可卸下板片进行冲刷清洗。

(5) 产品适用面广

设备最高耐温可达180 ℃, 耐压2. 0MPa , 特别适应各种工艺过程中的加热、冷却、热回收、冷凝以及单元设备食品消毒等方面, 在低品位热能回收方面, 具有明显的经济效益。各类材料的换热板片也可适应工况对腐蚀性的要求。

当然板式换热器也存在一定的缺点, 比如工作压力和工作温度不是很高, 限制了其在较为复杂工况中的使用。同时由于板片通道较小,也不适宜用于杂质较多,颗粒较大的介质。

4. 列管式换热器的结构

介质流经传热管内的通道部分称为管程。

（1）换热管布置和排列间距

常用换热管规格有ф19×2 mm、ф25×2 mm(1Crl8Ni9Ti)、ф25×2.5 mm(碳钢10)。小直径的管子可以承受更大的压力，而且管壁较薄；同时，对于相同的壳径，可排列较多的管子，因此单位体积的传热面积更大，单位传热面积的金属耗量更少。换热管管板上的排列方式有正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形错列和同心圆排列。

（A） （B） （C）

（D）（E）

图 1-4 换热管在管板上的排列方式

(A) 正方形直列 （B）正方形错列 (C) 三角形直列

（D）三角形错列 （E）同心圆排列

正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径换热器，外圆管布管均匀，结构更为紧凑。我国换热器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。

（2）管板

管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。

管板与管子的连接可胀接或焊接。胀接法是利用胀管器将管子扩胀，产生显著的塑性变形，靠管子与管板间的挤压力达到密封紧固的目的。胀接法一般用在管子为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过4 MPa，设计温度不超过350℃的场合。

（3）封头和管箱

封头和管箱位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。

①封头 当壳体直径较小时常采用封头。接管和封头可用法兰或螺纹连接，封头与壳体之间用螺纹连接，以便卸下封头，检查和清洗管子。

②管箱 换热器管内流体进出口的空间称为管箱,壳径较大的换热器大多采用管箱结构。由于清洗、检修管子时需拆下管箱，因此管箱结构应便于装拆。

③分程隔板 当需要的换热面很大时，可采用多管程换热器。对于多管程换热器，在管箱内应设分程隔板，将管束分为顺次串接的若干组，各组管子数目大致相等。这样可提高介质流速，增强传热。管程多者可达16程，常用的有2、4、6程。在布置时应尽量使管程流体与壳程流体成逆流布置，以增强传热，同时应严防分程隔板的泄漏，以防止流体的短路。

5. 管板式换热器的类型及工作原理

板式换热器按照组装方式可以分为可拆式、焊接式、钎焊式等形式按照换热板片的波纹可以分为人字波、平直波、球形波等形式按照密封垫可以分为粘结式和搭扣式。各种形式进行组合可以满足不同的工况需求,在使用中更有针对性。比如同样是人字形波纹的板片还因采用粘结式还是搭扣式密封垫而有所不同, 采用搭扣式密封垫可以有效的避免胶水中可能含有的氯离子对板片的腐蚀, 并且设备拆装更加方便。又如焊接式板式换热器的耐温耐压明显好于可拆式板式换热器, 可以达到250 ℃、2. 5MPa 。因此同样是板式换热器, 因其形式的多样性,可以应用于较为广泛的领域,在大多数热交换工艺过程都可以使用。

虽然板式换热器有多种形式, 但其工作原理大致相同。板式换热器主要是通过外力将换热板片夹紧组装在一起, 介质通过换热板片上的通孔在板片表面进行流动, 在板片波纹的作用下形成激烈的湍流, 犹如用筷子搅动杯中的热水, 加大了换热的面积。冷热介质分别在换热板片的两侧流动,湍流形成的大量换热面与板片接触, 通过板片来进行充分的热传递,达到最终的换热效果。冷热介质的隔离主要通过密封垫的分割, 或者通过大量的焊缝来保证, 在换热板片不开裂穿孔的情况下, 冷热介质不会发生混淆。

二、 设计任务与操作条件

1. 设计题目

1.5万吨/年石脑油冷却器的设计

2. 设计任务与操作条件

1) 石脑油：入口温度140℃，出口温度40℃

2) 冷却介质：自来水，入口温度25℃，出口温度45℃

3) 允许压强降：不大于100kPa

4) 每年按300天24小时连续运行。

两流体在定性温度下的物性数据

物性

流体 密度 ㎏/m3 比热KJ/(㎏•oC) 粘度 mPa•s 导热系W/(m•oC)

石脑油 825 2.22 0.715 0.140

水 994．0 4.17 0.727 0.626

3. 确定设计方案

1) 选择换热器的类型

两流体温的变化情况：热流体进口温度140℃出口温度40℃；冷体进口温度25℃出口温度为45℃，该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，因此初步确定选用列管式换热器。

2) 管程安排

循环冷却水易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降。但是由于石脑油是一种有毒且易燃易爆具有一定危险性的轻质油品，考虑到安全性和两物流的操作压力方面，应该让石脑油走管程，所以从总体考虑，应使石脑油走管程，循环冷却水走壳程。

4. 计算传热面积并初选换热器型号

1．计算石脑油的流量：

根据《化工原理课程设计任务书》中的数据可以计算出石脑油的流量

2．确定热流体及冷流体的物理性质：

物性

流体 密度 ㎏/m3 比热KJ/(㎏•oC) 粘度 mPa•s 导热系W/(m•oC)

石脑油 825 2.22 0.715 0.140

水 994．0 4.17 0.727 0.626

3．传热量计算：

忽略热损失，冷却水耗量为

4．确定流体的温度：

本设计中热流体为石脑油，冷流体为水，故为使石脑油可以尽可能快的通过管壁面向冷却水中散热，可以增加传热面积提高冷却效果，令石脑油走管程而水走壳程。

5．计算平均温度：

按换热器中苯与水逆流来计算平均温度，以单壳程来考虑其温度校正系数 。

石脑油：140℃→40℃

水： 45℃←25℃

: 95℃ 15℃

计算R和P：

由R、P值，查《化工原理（上册）》（天津大学化工学院夏清主编，修订版）（以下所提《化工原理》均指本书）P232页，图5-11（b）

得 =0.85>0.8 , 故可以选用。

6．设定管程流速、选择K值并估算传热面积：

参照P280页表4-14管壳式换热器中易燃,易爆液体的安全允许速度

可取管程的流速为

由此可以确定所需单管程数 ，故取双管程管数为4

根据两流体的情况，取K值为200W/(m2 •℃),则可以计算出单程换热器的管长为

取单管管长为6.0m，则管程 =10,由此可得总管数 =4n=40

且

查找《化工原理（上册）》书后附录十九固定管板式换热器（TB/T 4715—92），

并考虑到两流体温度差 ,为减少温差所引起的热应力，可选用带有膨胀节的固定管板式换热器，初选换热器型号为：G325Ⅳ-1.6-19，主要参数如下：

外壳直径：325mm

公称压力：1.6MPa

公称面积：19m2

管子尺寸：

管子数：40

管长：6m

管中心距：32mm

管程数 ：4

管子排列方式：正三角形

管程流通面积：0.0031

实际传热面积

通过计算可知， ，即采用此换热面积的换热器要求过程的总传热系数为 。

5. 核算压力降：

1．管程压力降：

，其中 =1.4， =1， =2。

管程流速：

雷诺系数为：

对于碳钢管，取管壁粗糙度 ，则相对粗糙度为 。

在《化工原理（上册）》P54页查图1—27知，摩擦系数

，将其带入前式，计算得

管程的压力降满足设计条件。

2．壳程压力降：

管子为正三角形排列，F=0.5

取折流挡板间距z=0.15m，D=0.7m，

折流挡板数为

壳程流通面积

壳程流速

故

计算结果表明，管程和壳程的压力降都能满足设计条件。

6. 核算总传热系数：

1、管程对流传热系数

（湍流）

普朗特数

对流传热系数

2、壳程对流传热系数

管子为正三角形排列，则

壳程中水被加热 （液体被加热时 ）

3、总传热系数K：

管壁热阻和污垢热阻可忽略时，总传热系数K为：

与 ，故所选换热器是合适的，安全系数是

设计结果为：选用带有膨胀节的固定管板式换热器，型号为G325Ⅳ-1.6-19。

三、 参考文献

[1]《化工原理》天津大学化工原理教研室编 天津：天津大学出版社. （1999）

[2]《换热器》秦叔经、叶文邦等 ，化学工业出版社（2003）

[3]《化工原理（第三版）上、下册》谭天恩、窦梅、周明华等，化学工业出版社（2006）

[4]《化工过程及设备设计》华南工学院化工原理教研室（1987）

[5]《 化工原理课程设计》贾绍义等，天津大学出版社（2003）

四、 主要符号说明

硝基苯的定性温度 T 冷却水定性温度 t

硝基苯密度 ρo 冷却水密度 ρi

硝基苯定压比热容 cpo 冷却水定压比热容 cpi

硝基苯导热系数 λo 冷却水导热系数 λi

硝基苯粘度 μo 冷却水粘度 μi

热流量 Wo 冷却水流量

热负荷 Qo 平均传热温差

总传热系数

管程雷诺数

温差校正系数

管程、壳程传热系数

初算初始传热面积

传热管数

初算实际传热面积 S 管程数

壳体内径 D 横过中心线管数

折流板间距 B 管心距 t

折流板数

NB 接管内径

管程压力降

当量直径

壳程压力降

面积裕度 H

五、 课程设计感想

经过一个星期的奋战，终于完成了一个还算可以的换热器设计，这几天我过的很充实，是我大学生活里继两次实习后又一次最充实的生活，看着我们小组的劳动成果，心里有种说不出的感觉。毕竟我们的努力还算有所回报，我为自己的努力感到自豪，当然我也认识到了自己学习中的不足。

我想说：功夫不负有心人，为完成这次课程设计我们确实很辛苦，但苦中仍有乐。我们一边忙着复习备考，一边还要做课程设计，时间对我们来说一下子变得很宝贵，真是恨不得睡觉的时间也拿来用了。当自己越过一个又一个难题时，笑容在脸上绽放。当我看到设计终于完成的时候，我乐了。对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。从这次的课程设计中，我不仅巩固了课本的知识，还学到了许许多多其他的知识。我知道了每一个课程之间是融会贯通的。在化工原理的课程设计中也用到了机械制图基础的知识，可是自己的机械制图基础没有学好，于是就要重新翻书来确定自己的一些设计是否正确。

其次了解到团队合作很重要，每个人都有分工，但是又不能完全分开来，还要合作，所以设计的成败因素中还有团队的合作好坏。

这次设计让我知道了学无止境的道理。我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！

当然我的设计肯定有不足之处，希望老师批评指正，下次一定会做得更好。

冷水流过需要降温的生产设备（常称换热设备，如换热器、冷凝器、反应器），使其降温，而冷水温度上升。

冷却水按系统划分为直流冷却水和循环冷却水。

直流水系统的定义：在直流水系统中，冷却水只经换热器一次利用后就被排掉了，所以直流水又称为一次利用水，由于用水量很大，因此在水量丰富的地区也不提倡采用直流水系统。

循环水系统的定义：在循环水系统中，冷却水可以反复使用，水经换热器后温度升高，由冷却塔或其他冷却设备将水温降低下来，再由泵将水送往用户，水如此不断的进行重复使用。

循环冷却水系统：

1.封闭式循环冷却水系统

冷却水收回利用，循环不已，因此，水量损失很少。

水中各种矿物质和离子含量一般不发生变化，而水的再冷却是在另一台换热设备中用其他冷却介质来进行冷却的。

2.敞开式循环冷却水系统

冷却水循环再用。水的再冷却是通过冷却塔来进行的。水中各种矿物质和离子含量也不断被浓缩增加。

3.循环冷却水系统的组成：补充水系统、旁滤水处理系统、管网系统、水冷却设施。

敞开式循环冷却水的水质特点：

1、循环冷却水四种水量损失：

（1）蒸发损失；（2）风吹损失；

（3）渗漏损失；（4）排污损失。

2、循环冷却水中的CO2散失和O2的增加

天然水中含有一定数量的重碳酸盐和游离CO2，水在冷却塔淋洒过程中（相当于曝气）将使CO2散失和O2增加。

3、循环冷却水的水质污染

（1）大气中杂物进入冷却系统；

（2）冷却塔风机漏油及塔体的腐蚀剥落物进入冷却水中；

（3）冷却水处理中加入药剂产生沉淀；

（4）微生物繁殖及分泌物形成的粘性污垢。

循环冷却水泵系统中产生的问题：

冷却水在循环系统中不断循环使用，由于水的温度升高，水流速度的变化，水的蒸发，各种无机离子和有机物质的浓缩，冷却塔和冷水池在室外受到阳光照射、风吹雨淋、灰尘杂物的进入，以及设备结构和材料等多种因素的综合作用，会产生严重的沉积物的附着、设备腐蚀和微生物的大量滋生，以及由此形成的粘泥污垢堵塞管道等问题。我们把它们归结为三类：

1、循环冷却水系统中的沉积物

2、循环冷却水系统中金属的腐蚀

3、循环冷却水系统中的微生物

这些问题不加以解决与控制，它们会威胁和破坏工厂长周期地安全生产，甚至造成经济损失，因此不能掉以轻心，所以我们必须要选择一种实用的循环冷却水处理方案，是上述问题得以解决或改善。

我们下面对循环冷却水系统中所产生的三类问题逐一进行分析。

循环冷却水系统中的沉积物及其控制：

一、循环冷却水系统中的沉积物

循环冷却水系统在运行的过程中，会有各种物质沉积在换热器的传热管表面。这些物质统称为沉积物。它们主要是由水垢、淤泥、腐蚀产物和生物沉积物构成。通常，人们把淤泥、腐蚀产物和生物沉积物三者统称为污垢。

所以我们可以把循环冷却水系统中的沉积物分成两类：

一、污垢；

二、水垢。

污垢：污垢一般是由颗粒细小的泥砂、尘土、不溶性盐类的泥状物、胶状氢氧化物、杂物碎屑、腐蚀产物、油污、特别是菌藻的尸体及其粘性分泌物等组成。

水处理控制不当，补充水浊度过高，细微泥砂、胶状物质等带入冷却水系统，或者菌藻杀灭不及时，或腐蚀严重、腐蚀产物多等都会加剧污垢的形成。由于这种污垢体积较大、质地疏松稀软，故又称为软垢。

当这样的水质流经换热器表面时，容易形成污垢沉积物，特别是当水走壳层，流速较慢的部位污垢沉积物更多。大量的污垢沉积会引起垢下腐蚀，同时又是某些细菌（厌氧菌）生存和繁殖的温床。

水垢：天然水中溶解有各种盐类，其中又以溶解的重碳酸盐如Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2为最多，也最不稳定，容易分解生成碳酸盐。

使用含重碳酸盐较多的水作为冷却水，当它通过换热器传热表面时，会受热分解：

冷却水通过冷却塔相当于一个曝气过程，溶解在水中的CO2会逸出，因此，水的PH值会升高。此时，重碳酸盐在碱性条件下会发生反应：

当水中溶有氯化钙时，还会产生下列置换反应：

碳酸钙和磷酸钙均属于微溶性盐，它们的溶解度比氯化钙和重碳酸钙要小得多。此外，碳酸钙和磷酸钙的溶解度与一般的盐类不同，它们不是随着温度的升高而升高，而是随着温度的升高而降低。因此，在换热器的传热表面上，这些微溶性盐很容易达到过饱和状态而从水中结晶析出。当水流速度比较小或传热面比较粗糙时，这些结晶沉积物就容易在传热表面上。

此外，水中溶解的硫酸钙、硅酸钙、硅酸镁等，当其阴、阳离子溶度的乘积超过其本身溶度积时，也会生成沉淀沉积在传热表面上。

以上所述的此类沉积物通称为水垢。因这些水垢都是由无机盐组成，故又称为无机垢；由于这些水垢结晶致密，比较坚硬，故又称为硬垢。它们通常牢固地附着在换热表面上，不易被水冲洗掉。

大多数情况下，换热器传热表面上形成的水垢是以碳酸垢为主的。

水垢的控制：冷却水中如无过量的PO43-或SiO2，则磷酸钙垢和硅酸盐垢是不容易生成的。循环冷却水系统中最易生成的水垢是碳酸钙垢，在此谈沉积物控制主要是指如何防止碳酸盐水垢的析出。

控制水垢析出的方法，大致有下图中的几类：

污垢的控制：污垢的形成主要是由尘土、杂物碎屑、菌藻尸体及其分泌物和细微水垢、腐蚀产物等构成。因此，欲控制好污垢，必须做到下图几点：

循环冷却水系统中金属的腐蚀及其控制：

一、循环冷却水中金属腐蚀的机理

工业循环冷却水系统中大多数的换热器是由碳钢制造的，又因为种种原因，碳钢的金属表面并不是均匀的。当他与冷却水接触时，会形成许多微小的腐蚀电池（微电池）。其中活泼的部位成为阳极，腐蚀学上称为阳极区；而不活泼的部位则成为阴极，腐蚀学上称为阴极区。

在阳极区，碳钢氧化生成亚铁离子进入水中，并在碳钢的金属基体上留下两个电子。与此同时，水中的溶解氧则在阴极区接受从阳极区流过来的两个电子，还原为OH－。两个去可以表示为：

在阳极区：Fe：Fe2+ +2e

在阴极区：½02+H2O+2e 2OH-

当亚铁离子和氢氧根离子在水中相遇时，就会生成Fe(OH)2沉淀：Fe2++2OH- ＝Fe(OH)2

二、冷却水中金属腐蚀的形态

在冷却水系统的正常运行过程中以及化学清洗过程中，金属常常会发生不同形态的腐蚀。

现将发生的金属腐蚀形态归纳为以下几种：

三、循环冷却水中金属腐蚀的影响因素

冷却水中金属换热设备腐蚀的影响因素很多，概括起来可以分为化学因素、物理因素和微生物因素。先仅讨论其中的一些化学因素和物理因素，微生物方面待在谈微生物时再详细讨论。

四、循环冷却水中金属腐蚀的控制指标

工业冷却水系统中的金属设备有各种换热器（水冷器、冷凝器、凝汽器等）、泵、管道、阀门等。由于换热器腐蚀后更换的费用较大，更重要的是由于换热器管壁腐蚀穿孔和泄漏造成的经济损失更大，因此冷却水系统中的腐蚀控制主要是各种换热器或换热设备的腐蚀控制。

《工业循环冷却水处理设计规范》（GB50050-2007）中对循环冷却水系统中腐蚀控制指标规定：碳钢换热器管壁的腐蚀速度宜小于0.125mm/a；铜、铜合金和不锈钢换热器管壁的腐蚀速度宜小于0.005mm/a。

由此可见，对冷却水系统中金属的腐蚀控制不是要求金属绝对不发生（即腐蚀速度为零），而是要求把金属的腐蚀速度控制在一定范围，从而把换热器的使用寿命控制在一定的范围之内。

五、循环冷却水中金属腐蚀的控制方法

循环冷却水系统中金属腐蚀的控制放法甚多。常用的主要有以下四种：

循环冷却水系统中的微生物及其控制：

在敞开式循环冷却水系统中，人们经常可以看到微生物大量生长的情景。含有微生物的补充水不断进入循环冷却水系统，以此同时，冷却塔中从上面喷淋下来的冷却水又从逆流相遇的空气中捕集了大量的微生物进入冷却水系统。冷却水系统中充沛的水量为这些进入的微生物的生长提供了可靠的保障。冷却水的水温通常被设计在32～42℃之间，这一温度范围又特别有利于某些微生物的生长。冷却水在冷却塔内的喷淋曝气过程中溶入了大量的氧气，为好氧性微生物提供了必要的条件；而冷却水悬浮物形成的淤泥又为厌氧性微生物提供了庇护所，冷却水中的硫酸盐则成为厌氧性微生物－硫酸盐还原菌所需能量的来源。因此，有些冷却水系统成了一些微生物的一个巨大的捕集器和培养器。

一、冷却水系统中引起故障的微生物

冷却水系统中并不是所有的微生物都会引起故障，但在工业冷却水系统运行时，常会遇到一些引起故障的微生物。它们是细菌、真菌和藻类。先分别对它们作一扼要的介绍：

1-1 细菌：

与藻类和霉菌相比，细菌显得微小。除非有大的菌落存在，否则就需要借助显微镜才能察见或鉴别。

1-2 真菌：

冷却水系统中的真菌包括霉菌和酵母两类。

真菌破坏木材中的纤维素，使冷却塔的木质构件朽蚀。

真菌对冷却水系统中的金属并没有直接的腐蚀性，但它们产生的粘状沉积物会在金属表面建立差异腐蚀电池而引起金属的腐蚀。粘状沉积物覆盖在金属表面，使冷却水中的缓蚀剂不能到那里去发挥它的防护作用。

1-3 藻类

冷却水中的藻类主要有蓝藻、绿藻和硅藻。藻类的生长需要阳光，所以它们常常停留在阳光和水分充足的地方。

死亡的藻类团块进入换热器中后，会堵塞换热器中的管路，降低冷却水的流量，从而降低其冷却作用。

藻类本身并不直接引起腐蚀，但它们生成的沉积物所覆盖的金属表面则由于形成差异腐蚀电池而常会发生沉积物下腐蚀。

二、冷却水系统中金属的微生物腐蚀

冷却水系统中金属微生物腐蚀的形态可以是严重的均匀腐蚀，也可以是缝隙腐蚀和应力腐蚀破裂，但主要是点蚀。

微生物粘泥（简称粘泥）是指由于水中溶解的营养源而引起细菌、丝状菌（霉菌）、藻类等微生物群的增殖，并以这些微生物为主体，混有泥砂、无机物和尘土等，形成附着的或堆积的软泥性沉积物。

冷却水系统中的微生物粘泥不仅会降低换热器和冷却塔的冷却作用、恶化水质，而且还会引起冷却水系统中设备的腐蚀和降低水质稳定剂的缓蚀、阻垢和杀生作用。

微生物粘泥的组成：以微生物菌体及其粘结在一起的粘性物质（多糖类、蛋白质等）为主体组成。

3-1 粘泥微生物的种类和特点

在决定粘泥的处理方法时，必须了解构成粘泥的微生物种类、性质和特点：

3-3 影响微生物和粘泥的环境因素

影响微生物和粘泥的环境因素很多，下表逐一列出：

3-4 冷却水系统中微生物的控制指标

冷却水系统中微生物的控制主要是通过对微生物生长的控制来实现的，即通过控制冷却水中的微生物的数量来实现。

循环冷却水系统中微生物控制的指标及监测频率

3-5 冷却水系统中微生物的控制方法

冷却水系统中微生物引起的腐蚀、粘泥及其生长的控制方法主要有以下一些：

循环冷却水系统的日常运行：

运行过程中水质的变化：

循环冷却水在其运行过程中，补充水不断进入冷却水系统。此时，补充水中的一部分水被蒸发进入大气，另一部分则留在冷却水中而被浓缩，并发生以下一系列的变化。

2-1 日常运行过程中需要控制的指标

2-2、日常运行过程中的监测与控制项目介绍

循环冷却水系统中的腐蚀、结垢和微生物生长与冷却水的水质－水的化学组成和物理化学性质有着密切的关系。

循环冷却水系统在正常运行时使用的水处理药剂是否能发挥其最佳的作用也与冷却水的水质有着十分密切的关系。

因此，在日常运行过程中需要对冷却水系统的补充水和循环水的化学组成和化学性质进行监测和控制。

冷却水系统中的现场监测：

实验室的模拟条件比较单纯和稳定，而现场生产中的条件则比较复杂和多变。因此，需要在冷却水系统的日常运行期间对其中的腐蚀、沉积物和微生物的情况进行现场监测。

一、设计规范的要求

《工业循环冷却水处理设计规范》规定：

（1）敞开式循环冷却水系统中换热设备的碳钢管壁的腐蚀速度宜小于0.125mm/a。

（2）敞开式循环冷却水系统中换热设备的水侧管壁的年污垢热阻值宜为1.72×10-4～3.44×10-4m2·K/W。

（3）敞开式循环冷却水中的异养菌数宜小于5×105个/mL ，粘泥量宜小于4mL/m3。

本次我们仅对日常运行期间的腐蚀与微生物的现场监测做介绍。

二、腐蚀的现场监测

冷却水系统中常用的腐蚀监测方法有：试片法、旁路试验管法、线性极化法和监测换热器法。其中以试片法使用最为广泛，我们本次只对试片法做详细的介绍。

2-1、试片法

试片法是冷却水系统中最简便、最经济、使用最广泛和最经典的腐蚀监测方法。它可以测定腐蚀速度、蚀孔密度、蚀孔深度，并了解腐蚀形态。

2-1-1、试片的材质和规格

腐蚀试片的材质应与所监测的换热器管子的材质相同。

标准腐蚀试片有两种：Ⅰ型和Ⅱ型。我们监测时应尽可能采用Ⅰ型，因其边缘的影响较小。

使用时，可按以下步骤进行操作：①启封后用不锈钢镊子把试片取出放在滤纸上；②在盛有蒸馏水的小搪瓷盆中，用脱脂棉擦洗一遍，再用蒸馏水冲洗15秒钟；③立即置于盛有化学纯无水乙醇的小搪瓷盆中，用脱脂棉擦洗两遍；④将试片放在干净滤纸上，用冷风吹干；⑤用滤纸将试片包好，放在干燥器中，24小时后称重待用。

2-1-2、试片的安装

试片应安装在所监测的换热器的回水管线上。

2-1-3、监测时间

试片的监测时间一般为30～90天，也可将同一组试片分不同时间取出。长年观察时，每次放12个或24个试片，每月取出1或2片，分别测定腐蚀速度。最后绘出腐蚀速度－时间曲线。

2-1-4、监测内容

试片法监测的内容包括：外观检查、腐蚀速度测定和对孔蚀的监测。

三、微生物的现场监测

冷却水系统中全面的微生物现场监测对象应包括：异养菌、真菌、硫酸盐还原菌、铁细菌、氨化细菌、硝化细菌、藻类和粘泥量等。本次我们就其中最常用的监测项目：粘泥量的测定。

3-1、粘泥量的测定

微生物粘泥会堵塞冷却水的管道，降低冷却塔和冷却水的冷却效果，降低水质稳定剂的作用，引起金属设备的腐蚀。因此冷却水中微生物粘泥量的多少，直接反映了冷却水系统中微生物活动的情况和危害。测

定微生物粘泥量是监测冷却水处理质量和微生物生长情况的主要方法之一。

设计规范要求，敞开式循环冷却水中的粘泥量宜小于4mL/m3。

微生物粘泥量的测定常采用生物过滤网法。现将该法做扼要介绍：

3-1-1、概况

生物过滤网法是让循环冷却水以一定的流速流经转子流量计后，再通过生物过滤网过滤；将过滤后的水导入水箱，测量水的体积，或由转子流量计中的流速和通过水的时间来计算水的体积；然后将生物过滤网捕集的粘泥移入量筒，测定粘泥的体积，并以1m3冷却水中含有的粘泥的体积（mL）表示粘泥量。

3-1-2、测定的方法

（1）调解采集粘泥装置中的阀门，是冷却水的流速控制在0.8m/s左右，水量在1m3/h左右。然后关上浮游生物网的旋塞阀，过滤1m3水。

（2）关闭进水阀门，取下浮游生物网。打开浮游生物网上的旋塞阀，将粘泥收集在一个500mL量筒内，静置30min使其沉淀后倾出上层清液。将剩余浊液转移至25mL量筒内，静置30min，记录沉淀出的粘泥

体积（mL）。

（3）粘泥量V按下式计算：V=V2/V1

式中：V-循环冷却水中的粘泥量，mL/m3；

V1-通过浮游生物网过滤的循环水量，m3；

V2-量筒中的粘泥体积，mL 。

药剂说明：

在前面的篇幅中我们主要介绍了循环冷却水中会出现的危害。在此，

我们将对控制危害所使用的药剂进行逐一的说明：

一、阻垢分散剂

1-1、有机膦酸的阻垢、分散机理

有机膦酸阻垢机理比较复杂，说法也有多种，目前大致有以下两种说法。

（1）晶格畸变论

碳酸钙垢是结晶体，它的成长是按照严格顺序，有带正电荷的Ca2+与带负电荷的CO32-相撞才能彼此结合，并按一定的方向成长。在水中加入有机膦酸时，它们会吸附到碳酸钙晶体的活性增长点上与Ca2+螯合，抑制了晶格向一定的方向成长，因此使晶格歪曲，长不大，也就是说晶体被有机膦酸表面去活剂的分子所包围而失去活性。这也是产生前述临界值效应的机理。同样，这种效应也可阻止其他晶体的沉淀。另外，部分吸附在晶体上的化合物，随着晶体增长被卷入晶格中，使CaCO3晶格发生位错，在垢层中形成一些空洞，分子与分子之间的相互作用减小，使垢变软。

（2）增加成垢化合物的溶解度

有机膦酸在水中能离解出H+，本身成带负电荷的阴离子，这些负离子能与Ca2+、Mg2+等金属离子形成稳定络合物，从而提高了CaCO3晶粒析出时的过饱和度，也就是说增加了CaCO3在水中的溶解度。

1-2、药剂实例说明

阻垢分散剂：

（1）特点

阻垢分散剂是含有羧基、膦酸基、无机磷等的水溶性共聚物，对Ca3(PO4)2、CaCO3垢具有卓越的阻垢能力，对铁、锌离子有良好的稳定作用，对悬浮物的分散性能良好，其各项指标达到国外同类产品水平。可用作循环冷却水和油田注水系统的防垢、分散作用。

（2）使用方法：（因各品牌而异）

正常运行时投加浓度为20～50mg/L，可与有机膦和无机磷等复配使用，适用PH7.0 ～ 9.2。

二、阻垢缓蚀剂

循环冷却水系统中控制金属腐蚀的第一种方法是向冷却水系统中添加阻垢缓蚀剂。可供冷却水系统采用的缓蚀剂并不是很多，现将敞开式和密闭式冷却水系统中几种常用的阻垢缓蚀剂罗列如下：

三、杀生剂

冷却水系统中微生物的主要控制方法之一就是添加杀生剂。人们通常把冷却水杀生剂分为两大类：氧化性杀生剂和非氧化性杀生剂。

药剂实例说明：

杀生剂（杀菌灭藻剂）

（1）特点

异噻唑啉酮杀生剂是一种高效、广谱、低毒性的非氧化性杀生剂，它能抑制各种细菌、霉菌和藻类。在较宽的PH值范围内都有良好的杀生性能。与各种水处理药剂相容性好，不产生泡沫，杀菌力持久。

（2）使用方法

循环冷却水中一般投加浓度为50～100mg/L，一次性投入集水池泵的吸入口。投加次数根据循环冷却水中藻类繁殖情况加以控制与调整。

水质分析项目及含义：

1、电导率：电阻率的倒数称为电导率，单位是μs/cm。

电导率仅决定于水中离子的多少和性质。代表了水中的含盐量，因此电导率越高水中含盐量越高。

2、酸度：指水中能与强碱发生中和作用的物质的总量，包括无机酸、有机酸、强酸弱碱盐等。

酸度的数值越大说明溶液酸性越强。

3、碱度：指水中能与强酸发生中和反应物质的总量。

一般水中碱度由氢氧化物、碳酸盐、重碳酸盐组成，称为总碱度。

总碱度＝在甲基橙指示剂变色的等当点时所需的酸量＝ HCO3- + CO32- + OH- ＝M碱度。

碱度只存在于pH=4.3以上。

4、pH：pH是水中氢离子浓度的负对数

pH =-log10(H+ mol/l)

5、硬度：一般将水中钙、镁离子称作硬度，钙离子叫钙硬度，钙、镁离子总量叫总硬度。

硬度分为碳酸盐硬度(暂时硬度)和非碳酸盐硬度(永久硬度)。

碳酸盐硬度：主要是由钙、镁的碳酸氢盐[Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2]所形成的硬度，还有少量的碳酸盐硬度。碳酸氢盐硬度经加热之后分解成沉淀物从水中除去，故亦称为暂时硬度。

非碳酸盐硬度：主要是由钙镁的硫酸盐、氯化物和硝酸盐等盐类所形成的硬度。这类硬度不能用加热分解的方法除去，故也称为永久硬度，如CaSO4、MgSO4、CaCl2、MgCl2、Ca(NO3)2、Mg(NO3)2等。

碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度之和称为总硬度；当水的总硬度小于总碱度时，它们之差，称为负硬度。

6、浓缩倍数：在循环冷却水中，由于蒸发而浓缩的溶解固体与补充水中溶解固体的比值。在实际测量中，通常为循环冷却水的电导率值与补充水的电导率之比，或[K+]之比。

7、浊度：浊度是指水中悬浮物对光线透过时所发生的阻碍程度。水中的悬浮物一般是泥土、砂粒、微细的有机物和无机物、浮游生物、微生物和胶体物质等。水的浊度不仅与水中悬浮物质的含量有关，而且与它们的大小、形状及折射系数等有关。

水质分析中规定：1L水中含有1mg SiO2所构成的浊度为一个标准浊度单位，简称1度。通常浊度越高，溶液越浑浊。

8、COD：在一定的条件下，采用一定的强氧化剂处理水样时，所消耗的氧化剂量。它是表示水中还原性物质多少的一个指标。

COD是指标水体有机污染的一项重要指标,能够反应出水体的污染程度。

9、污垢热阻：表示换热设备传热面上因沉积物而导致传热效率下降程度的数值，即换热面上沉积物所产生的传热阻力，单位为 ㎡·K / W。

10、余氯：水中投氯，经一定时间接触后，在水中余留的游离性氯和结合性氯的总称。 是指氯投入水中后，除了与水中细菌、微生物、有机物、无机物等作用消耗一部分氯量外，还剩下了一部分氯量，这部分氯量就叫做余氯。自来水出水余氯指得是游离性余氯。

11、总磷：总磷是水样经消解后将各种形态的磷转变成正磷酸盐后测定的结果，以每升水样含磷毫克数计量。

12、悬浮固体：当冷却水的流速降低时，进入系统的悬浮物容易在换热器部件的表面生成疏松的沉积物，引起垢下腐蚀。

当冷却水的流速过高时，悬浮物的颗粒又容易对硬度较低的金属或合金产生磨损腐蚀。

13、流速：当流速较低的时候，金属的腐蚀速度随水流速的增加而增加。

当水的流速足够高时，足量的氧到达金属表面，使金属部分或全部钝化。钝化发生后，金属的腐蚀将下降。

如果水流速度继续增加，水对金属表面上钝化膜的冲击腐蚀将使金属的腐蚀速度重新增大。

超高速的流体设备中，还会引起空泡腐蚀。

水处理工艺：

1）加酸调pH 控制在一个合适的范围。

目的是：防止结垢。

（1）适当提高运行pH值可以降低碳钢的腐蚀速度

根据前述金属腐蚀影响的因素知，铁的氧化物溶于酸性环境，因此，低碳钢在低pH值条件下腐蚀速度快，在高pH值下腐蚀速度减慢，一般保持pH在8-9.5之间。

（2）适当提高pH值的方法

曝气：吹脱CO2，就可提高水中pH值。

少量加酸：也是将水中的重碳酸根离子变为二氧化碳，加以曝气，把二氧化碳吹脱掉，就可适当提高水中的pH值，但一定要注意控制酸的投加量。

2）加强微生物控制

连续投加氧化性杀菌剂；冲击投加非氧性杀菌剂。

3）连续投加缓蚀阻垢剂，投制一个指标。

含膦/磷的药剂一般控制磷/膦的含量，非磷/膦的药剂可用示踪剂或其它控制项目。

通常讲，三分药剂七分管理。

一个药剂在生产运行过程中，能否取得好的水处理效果，还是要靠现场的管理，如果管理跟不上，再好的水处理药剂，也不会取得好的水处理效果。

循环水处理常识：

在循环冷却水系统中，冷却水用过后不是立即排放，而是收回循环再用。水的再冷却是通过冷却塔来进行的，因此冷却水在循环过程中要与空气接触，部分水在通过冷却塔时会不断被蒸发损失掉，因而水中各种

矿物质和离子含量也不断被浓缩增加。为了维持各种矿物质和离子含量稳定在某一个定值上，必须对系统补充一定量的冷却水（补充水）；并排出一定量的浓缩水（排污水）。其流程如图所示：

常用术语介绍：

1、冷却塔：敞开式循环冷却水系统中主要设备之一是冷却塔，冷却塔用来冷却换热器中排出的热水。

在冷却塔中，热水从塔顶（冷却塔内部布有溅水装置）向下喷淋成水滴或水膜状，空气则由下向上与水滴或水膜逆向流动，或水平方向交流流动，使水在填料表面上以薄膜形式与空气接触，在气水接触过程中，进行热交换，使水温降低。

2、浓缩倍数：

在敞开式循环冷却水系统中，由于蒸发，系统中的水会愈来愈少，而水中各种矿物质和离子含量就会愈来愈浓。通常在操作时，用浓缩倍数来控制水中含盐的浓度。设以K表示浓缩倍数，则K的含意就是指循环水中某物质的浓度与补充水中某物质的浓度之比。

K=CR/CM

式中：CR-循环水中某物质的浓度

CM-补充水中某物质的浓度

用来计算浓缩倍数的物质，要求它们的浓度除了随浓缩过程而增加外，不受其他外界条件，如加热、沉淀、投加药剂等的干扰。通常选用的物质有cl-、k+等物质或电导率。

3、补充水量 M

水在循环过程中，除因蒸发损失和维持一定的浓度倍数而排掉一定的污水外，还由于空气流由塔顶逸出时，带走部分水滴，以及管道渗漏而失去部分水，因此补充水是下列各项损失之和。

补充水量：M=蒸发损失 E+风吹损失D+渗漏损失 F+排污水量B

（1

1：直接可以根据公式求出 Q=WC（T2-T1）

2：我主要帮你计算第二个问

题中没告诉压力条件，我们似为常压空气。

则，定性温度T(m)=（20+60）/2=40 查得物性 密度1.128kg/m3,比热1.005kJ/(kg.K),导热系数0.0276W/(m.度),粘度1.91*10-5Pa.s 普兰常数Pr=0.699

套管的环隙截面积A=（3.14/4）*（0.0539(2次方）-0.020（2次方）=0.001891065m2

空气质量速度G=(12.715/3600)* 0.001891065=1.867701239

套管环隙的当量直径=0.053-0.020=0.033

雷洛数=0.033*1.867701239/1.91*10-5Pa.s=3226.9183 即按湍留计算

α=0.023*（0.0276/0.033）*3226.9183(0.8次方） *0.699（0.4次方） =10.6892

3：忽略两侧污垢热阻及管壁热阻

则可直接根据公式求出

4：Q=KS△tm （Q：第一问求出；K：第三问求出；S:第二问中求出）

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【关键词】列管式换热器

【论文摘要】列管式换热器的设计计算

列管式换热器的设计计算

� 1． 流体流径的选择

� 哪一种流体流经换热器的管程，哪一种流体流经壳程，下列各点可供选择时参考(以固定管板式换热器为例)

� (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(Re>100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。

� 在选择流体流径时，上述各点常不能同时兼顾，应视具体情况抓住主要矛盾，例如首先考虑流体的压强、防腐蚀及清洗等要求，然后再校核对流传热系数和压强降，以便作出较恰当的选择。

2. 流体流速的选择

增加流体在换热器中的流速，将加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而可减小换热器的传热面积。但是流速增加，又使流体阻力增大，动力消耗就增多。所以适宜的流速要通过经济衡算才能定出。

此外，在选择流速时，还需考虑结构上的要求。例如，选择高的流速，使管子的数目减少，对一定的传热面积，不得不采用较长的管子或增加程数。管子太长不易清洗，且一般管长都有一定的标准；单程变为多程使平均温度差下降。这些也是选择流速时应予考虑的问题。

3. 流体两端温度的确定

若换热器中冷、热流体的温度都由工艺条件所规定，就不存在确定流体两端温度的问题。若其中一个流体仅已知进口温度，则出口温度应由设计者来确定。例如用冷水冷却某热流体，冷水的进口温度可以根据当地的气温条件作出估计，而换热器出口的冷水温度，便需要根据经济衡算来决定。为了节省水量，可使水的出口温度提高些，但传热面积就需要加大；为了减小传热面积，则要增加水量。两者是相互矛盾的。一般来说，设计时可采取冷却水两端温差为5～10℃。缺水地区选用较大的温度差，水源丰富地区选用较小的温度差。

4. 管子的规格和排列方法�

选择管径时，应尽可能使流速高些，但一般不应超过前面介绍的流速范围。易结垢、粘度较大的液体宜采用较大的管径。我国目前试用的列管式换热器系列标准中仅有φ25×2.5mm及φ19×mm两种规格的管子。

管长的选择是以清洗方便及合理使用管材为原则。长管不便于清洗，且易弯曲。一般出厂的标准钢管长为6m，则合理的换热器管长应为1.5、2、3或6m。系列标准中也采用这四种管长。此外，管长和壳径应相适应，一般取L/D为4～6(对直径小的换热器可大些)。

如前所述，管子在管板上的排列方法有等边三角形、正方形直列和正方形错列等，如第五节中图4－25所示。等边三角形排列的优点有:管板的强度高；流体走短路的机会少，且管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高；相同的壳径内可排列更多的管子。正方形直列排列的优点是便于清洗列管的外壁，适用于壳程流体易产生污垢的场合；但其对流传热系数较正三角排列时为低。正方形错列排列则介于上述两者之间，即对流传热系数(较直列排列的)可以适当地提高。�

管子在管板上排列的间距 (指相邻两根管子的中心距)，随管子与管板的连接方法不同而异。通常，胀管法取t=(1.3～1.5)do，且相邻两管外壁间距不应小于6mm，即t≥(d+6)。焊接法取t=1.25do。

5. 管程和壳程数的确定� 当流体的流量较小或传热面积较大而需管数很多时，有时会使管内流速较低，因而对流传热系数较小。为了提高管内流速，可采用多管程。但是程数过多，导致管程流体阻力加大，增加动力费用；同时多程会使平均温度差下降；此外多程隔板使管板上可利用的面积减少，设计时应考虑这些问题。列管式换热器的系列标准中管程数有1、2、4和6程等四种。采用多程时，通常应使每程的管子数大致相等。

管程数m可按下式计算，即:

� (4-121)�

式中�u―――管程内流体的适宜速度， m/s；

� u′―――管程内流体的实际速度， m/s。�

图4-49串联列管换热器当壳方流体流速太低时，也可以采用壳方多程。如壳体内安装一块与管束平行的隔板，流体在壳体内流经两次，称为两壳程，如前述的图4-47和图4-48所示。但由于纵向隔板在制造、安装和检修等方面都有困难，故一般不采用壳方多程的换热器，而是将几个换热器串联使用，以代替壳方多程。例如当需二壳程时，则将总管数等分为两部分，分别安装在两个内径相等而直径较小的外壳中，然后把这两个换热器串联使用，如图4-49所示。

6. 折流挡板�

安装折流挡板的目的，是为了加大壳程流体的速度，使湍动程度加剧，以提高壳程对流传热系数。

第五节的图4－26已示出各种挡板的形式。最常用的为圆缺形挡板，切去的弓形高度约为外壳内径的10～40％，一般取20～25％，过高或过低都不利于传热。

两相邻挡板的距离(板间距)h为外壳内径D的(0.2～1)倍。系列标准中采用的h值为:固定管板式的有150、300和600mm三种；浮头式的有150、200、300、480和600mm五种。板间距过小，不便于制造和检修，阻力也较大。板间距过大，流体就难于垂直地流过管束，使对流传热系数下降。

�挡板切去的弓形高度及板间距对流体流动的影响如图3-42所示。

�7. 外壳直径的确定�

换热器壳体的内径应等于或稍大于(对浮头式换热器而言)管板的直径。根据计算出的实际管数、管径、管中心距及管子的排列方法等，可用作图法确定壳体的内径。但是，当管数较多又要反复计算时，作图法太麻烦费时，一般在初步设计时，可先分别选定两流体的流速，然后计算所需的管程和壳程的流通截面积，于系列标准中查出外壳的直径。待全部设计完成后，仍应用作图法画出管子排列图。为了使管子排列均匀，防止流体走"短路"，可以适当增减一些管子。�

另外，初步设计中也可用下式计算壳体的内径，即: �� (4-122)

式中 �D――――壳体内径， m；

� t――――管中心距， m；

� nc―――－横过管束中心线的管数；

� b′―――管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离， 一般取b′=(1～1.5)do。

nc值可由下面的公式计算。

管子按正三角形排列时: (4-123)

管子按正方形排列时: (4-124)

式中n为换热器的总管数。

�按计算得到的壳径应圆整到标准尺寸，见表4-15。�

8．主要构件�

封头 封头有方形和圆形两种，方形用于直径小的壳体(一般小于400mm)，圆形用于大直径 的壳体。

缓冲挡板 为防止壳程流体进入换热器时对管束的冲击，可在进料管口装设缓冲挡板。

�导流筒 壳程流体的进、出口和管板间必存在有一段流体不能流动的空间(死角)，为了提 高传热效果，常在管束外增设导流筒，使流体进、出壳程时必然经过这个空间。�

放气孔、排液孔 换热器的壳体上常安有放气孔和排液孔，以排除不凝性气体和冷凝液等。�

接管尺寸 换热器中流体进、出口的接管直径按下式计算，即:

��式中Vs--流体的体积流量， /s；

� �u --接管中流体的流速， m/s。

流速u的经验值为:�

对液体 u=1.5～2 m/s

对蒸汽 u=20～50 m/s�

对气体 u=(15～20)p/ρ (p为压强，单位为atm ；ρ为气体密度，单位为kg/)�

9． 材料选用�

列管换热器的材料应根据操作压强、温度及流体的腐蚀性等来选用。在高温下一般材料的机械性能及耐腐蚀性能要下降。同时具有耐热性、高强度及耐腐蚀性的材料是很少的。目前 常用的金属材料有碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等；非金属材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。不锈钢和有色金属虽然抗腐蚀性能好，但价格高且较稀缺，应尽量少用。

�10． 流体流动阻力(压强降)的计算

� (1) 管程流体阻力 管程阻力可按一般摩擦阻力公式求得。对于多程换热器，其总阻力 Δpi等于各程直管阻力、回弯阻力及进、出口阻力之和。一般进、出口阻力可忽略不计，故管程总阻力的计算式为: �

� （4-125）��

式中 �Δp1、Δp2------分别为直管及回弯管中因摩擦阻力引起的压强降，N/；�

�Ft-----结垢校正因数，无因次，对于φ25×2.5mm的管子， 取为1.4，对φ19×2mm的管子，取为1.5；

� � Np-----管程数；

� � Ns-----串联的壳程数。�

上式中直管压强降Δp1可按第一章中介绍的公式计算；回弯管的压强降Δp2由下面的经验公式估算，即:

�� �� (4-126)

(2) 壳程流体阻力 现已提出的壳程流体阻力的计算公式虽然较多，但是由于流体的流动状况比较复杂，使所得的结果相差很多。下面介绍埃索法计算壳程压强Δpo的公式，即:

� � (4-127)

式中 Δp1′-------流体横过管束的压强降，N/；

�Δp2′-------流体通过折流板缺口的压强降，N/；�

�Fs --------壳程压强降的结垢校正因数，无因次，对液体可取 1.15，对气体或可凝蒸气 可取1.0

而 (4-128)

(4-129)

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=0.5，对正方形斜转45°为0.4，正方形排列为0.3；

� fo----壳程流体的摩擦系数，当Reo＞500时，

nC----横过管束中心线的管子数；

�� NB----折流板数；� �

h ----折流板间距，m；�

uo----按壳程流通截面积Ao计算的流速，而。

一般来说，液体流经换热器的压强降为 0.1～1atm，气体的为0.01～0.1atm。设计时，换热器的工艺尺寸应在压强降与传热面积之间予以权衡，使既能满足工艺要求，又经济合理。

�三、 列管式换热器的选用和设计计算步骤

� 1． 试算并初选设备规格�

(1) 确定流体在换热器中的流动途径。�

(2) 根据传热任务计算热负荷Q。��

(3) 确定流体在换热器两端的温度，选择列管式换热器的型式；计算定性温度，并确定在定性 温度下流体的性质。

�(4) 计算平均温度差，并根据温度校正系数不应小于0.8的原则，决定壳程数。�

(5) 依据总传热系数的经验值范围，或按生产实际情况，选定总传热系数K选值。�

(6) 由总传热速率方程�Q＝KSΔtm，初步算出传热面积S，并确定换热器的基本尺寸(如d、L、n及管子在管板上的排列等)，或按系列标准选择设备规格。�

2． 计算管、壳程压强降� 根据初定的设备规格，计算管、壳程流体的流速和压强降。检查计算结果是否合理或满足工 艺要求。若压强降不符合要求，要调整流速，再确定管程数或折流板间距，或选择另一规格的设备，重新计算压强降直至满足要求为止。�

3． 核算总传热系数� 计算管、壳程对流传热系数αi 和αo，确定污垢热阻Rsi和Rso，再计算总传热系数K'，比较K得初始值和计算值，若K'/K＝1.15～1.25，则初选的设备合适。否则需另设K选值，重复以上计算步骤 。�

通常，进行换热器的选择或设计时，应在满足传热要求的前提下，再考虑其他各项的问题。它们之间往往是互相矛盾的。例如，若设计的换热器的总传热系数较大，将导致流体通过换热器的压强降(阻力）增大，相应地增加了动力费用；若增加换热器的表面积，可能使总传热系数和压强降降低，但却又要受到安装换热器所能允许的尺寸的限制，且换热器的造价也提高了。

此外，其它因素(如加热和冷却介质的用量，换热器的检修和操作)也不可忽视。总之，设计者应综合分析考虑上述诸因素，给予细心的判断，以便作出一个适宜的设计。