1 冷却器的设计
       考虑到实际化工工厂中，存在不同的换热需求，即是在同一换热工艺系统中既有两种介质交换热量，也有三种介质交换热量，甚至是四种及更多种类的介质同时进行换热。则化工工厂需要采购不同的换热器，设备成本费、维护和维修费及人本费用皆是巨大的资本输出。因此，提出一种新的设计理念显得迫切和至关重要，即以一种换热器满足多种换热需求，通过循环利用来替代其他换热器的工作地位，以达到减少设备初投资和能源浪费，降低环境污染等目的。
       本文中提出一种新的设计方案，在容器的密封板上直接开孔形成管板，要求管板独立地、均匀地分布在密封板上，并且要求每个小管板都配备独立的管箱和接管，和独立输送介质的功能，外观如简图 2.1 所示。每个管箱代表一股管束，以顺时针方向分别给它们编号从 1 到 6。当进行单股流换热时，管内只走一种介质，管束 1-6 全都走同一种介质，也可根据介质流量大小选则股数（例如选择管束 1、3、6 等）；当进行双股流换热时，可根据一定的配管比选择股数（例如介质 1 可选择管束 1、4，介质 2 可选择管束 2、3、5、6 等）；其它的换热方式也可根据一定的方法选择股数。并且管箱与管板之间是法兰连接，可拆卸，便于维护和清洗，也便于把在配管时多余的管子堵住来配合计算。从而可以看出，此方案具有机动性强、操作灵活、易于实现及能满足各种换热需求等特点。
 
       2 计算方法
       根据传热学及流体力学基本原理，大量应用对数平均值法、体积分率法及质量分率法求解过程参数，为计算总传热系数做准备；通过多次基础设计和参数比较过程修正双股流螺旋冷却器换热工艺流程；通过管束分配法校核流速,并计算实际雷诺数和普朗特数；采用平均值法按气液分相及显热与潜热独立计算方法计算对流换热系数；参照相关设计标准设计计算冷却器壳体及其它辅助部件并完成整个冷却器的换热工艺过程。
       其中，将如何确定管道参数、缠绕参数、材料参数、分配管束等全部参数融入到换热工艺计算过程，需要嵌套大量迭代计算过程；同时考虑强度计算过程及管内流速限定等问题；建立管束缠绕模型是冷却器设计与传热计算的核心。
       2.1 单股流换热工艺流程计算
       单股流冷却器是一种围绕中心筒体周围层层缠绕换热管道后形成的主低温换热设备，全部管束用于一股进料，主要由真空绝热层、壳体、管束两端支撑圈、管束及中心筒体等主要部件构成，是冷却器系列中基础的，一般用于进出口温差及换热量较大且不易发生相变的换热工艺过程。
       ⑴ 数学建模
       ①管道材料及规格
       先根据系统压力及腐蚀裕度选取管道，管道直径不宜太大，易于弯曲缠绕，耐应力腐蚀，壁厚不宜太厚也不宜太薄，以考虑胀管连接端的可靠性；其次，在确定管子直径和长度时，应尽量选择规格已标准化的管子，特别是当同一个工艺流程内有各种不同的热交换器时，应尽量选择同一规格的管子，以便于检修和更换管子。
       普通不锈钢钢管壁厚公式    
       其中，Pc 为计算的压力； Dt 为内径；[δ]t 为外筒材料在设计温度下的许用应力，MPa；其值取σbnb 和σs ns 中的较小值。
       通常所选取的管子规格还要求上式所得壁厚加上一定的腐蚀余量。
       ②管束模型
       保证外层螺旋管道数量与相邻的内层螺旋管道数量均匀的增加（即形成等差数列），且保证各层相邻螺旋管之间的层间距均相同（见图 2.2），则每增加 1 根管子时增加的弧长相同，将其定义为单位弧长。通常，第一层盘管与柱筒间的距离为 1 mm，外层管子与外壳之间的距离为 2 mm。第一层放 n1 根管子，当管子由里往外均匀增加一根时，计算得到的层间距不符合要求（管管咬合），故管子由里往外增加两根；据此依次推算公差。若第一层缠绕管以正向螺旋角排列，则第二层以反向螺旋角排列，依次交替排列。当计算管子数与等差排列管子不吻合时，根据相应层数选择接近的等差排列管数，并以此重新校核管内流速 ui。
       已知体积流量：Vi，取管内流速：vi；
       则可由下公式确定管道数量 n：
       n=4 Vi /πdi2 vi                                                  （2.1）
       根据（图 2.1）取管子间距 g，螺旋角β，则单位弧长公式：
       ∆l=g/sinβ                                                          （2.2）
 

图2.2  管束缠绕结构

       假设第 1 层缠绕管束半径为 r1，第 2 层缠绕管束半径为 r2，计算如下：
       2πr1=10×∆l                              （2.3）
       2πr2=12×∆l                             （2.3*）
       由式（2.3）和（2.3*）解得 r1、r2。
       同理，其他管层依此计算。
       则层间距 C= r2− r1；
       柱筒直径 Dcore =2r1-2。
 
       由于在外层把管子排满有利于换热，故根据式（2.1）中所求的 n 取总管根数和总层数。按冷却器新总管根数和式（2.1）校核管内流速。
       则管内实际流速：
       vi =4 Vi /πdi2n                                                         （2.1）
       由此可推出每层所布置的螺旋管数目，从而确定盘管层数 Nz 及壳侧流通面积。
       Ao=πDm[（Nz-1）Bm+2S1]                                   （2.4）
       其中，Dm 为缠绕管束中径，m；Bm 为管层间平均距离，m；S1 为垫条厚度，m。
       理想状态下壳侧计算平均流速
       vo 平＝Vo 平/ （3600 Ao）                                      （2.5）
       式中 Vo 平为壳侧平均体积流量，m³/h。
       ⑵ 传热计算
       ①换热系数
       流体流过各种形式壁面时的换热系数，一般是在实验基础上，把它的变换规律用普朗特数与雷诺数之间的关系用近似公式表示代入数值模拟模型。管外传热膜数按 Gilli 公式、管内传热膜数按 Schmidt 公式进行计算。
管程：
       hi ={3.65+0.08×[1+0.8×（0.001di/Dm）0.9Rei iPri 0.333]}（λi /0.001di）       （2.6）
壳程：
       ho=0.338 Fi Fn Ft Reo0.61 Pro0.333（λo/0.001do）                                      （2.6*）
       其中，Fi 为管束倾斜修正系数；Fn 为管束排数修正系数；Ft 为管束排列修正系数；雷诺数 Re=Vρd/μ，普朗特数 Pr=Cpμ/λ；而其它物性参数 λ、ρ、μ、Cp 均取进、出口的对数平均值。
       总传热系数：
       圆管传热可以归类为圆筒壁面传热问题，在使用传热系数的计算公式时，由于内、外层传热面积的略有不同，必须明确传热面。对于光滑圆管，以外传热面为准时
          （2.7*）
       由于通常情况下壁面厚度较薄，故也可用近似公式计算传热系数，则以外传热面为准时
       （2.7）
       其中，k0 为总传热系数，W/（m2∙K）；Rdo 为管外壁的污垢热阻，m2℃/W；Rdi 为管内壁的污垢热阻，m2℃/W；b 为管壁厚度，m；dm 为管子平均直径，mm。
       ⑶ 容器高度计算
       当换热设备有两股或多股进料时，根据设备中进料流动方向的不同可分为：并流和逆流。
       在板翅式换热器和管壳式换热器的传热系数分析中：当壳程流体与管程流体沿着同一方向平行流动，热流进料的温度随传热方向不断降低，冷流进料的温度随传热方向不断升高[31]。两者的温差从进口端∆t′=t′1−t′2 变化到口端的∆t=t″1−t″2。当壳程流体与管程流体以相反的方向平行流动，传热温差从一端的（t′1−t″2）变化到另一端的（t″1−t′2）[32]。进料初始条件不变的情况下，逆流平均温差较并流的平均温差要大的多，故而在逆流时可相对减少传热面，增强换热效率。逆流时，冷流体的出口温度 t″2 可高于热流体的出口温度 t″1，而在并流流时，t″2 总是低于 t″1[32]。故工业上所使用的热交换设备中，介质流动方向多为逆流，或者尽量设法接近逆流。
       因此，在流动方式对冷却器传热效果的影响未能确定的情况下，只能先以一般工程实际的经验方法来选择。当∆t′/∆t 大于 1.7 时选用逆流型，采用对数平均温差
       tm=（∆t′-∆t）/ln（∆t′/∆t）；当∆t′/∆t 小于 1.7 时选用并流型，tm=（∆t′+∆t）/2。
       由换热器总内总传热量公式可推导出螺旋管总传热面积
       A = Q/（KΔt）                                                                                         （2.8）
       式中 Q 为换热量，kw。
       l =A/ npdo                                                                                                （2.9）
       式中，n 为管根数；do 为管子外径；l 为管长，m。
       所以壳筒高即为换热器高：
       H=l×sinβ                                                                                               （2.10）
       根据上述数据即可定下该单股流冷却器的外观和基本尺寸。
       2.2 计算机化基础
       根据以上计算方法的逻辑顺序，列出计算机程序基本框架（见图 2.3），为未来开发一系列螺旋冷却器设计计算软件奠定基础。

       2.3 双股流换热工艺流程计算
       双股流螺旋冷却器是一种围绕中心筒体周围层层缠绕换热管道后形成的主低温换热设备，全部管束用于两股进料，主要由真空绝热层、壳体、管束两端支撑圈、管束及中心筒体等主要部件构成，是单股流冷却器的拓展产品，一般用于需要满足三个换热目标、进出口温差及换热量较大且容易发生相变的换热工艺过程。
       ⑴选材及布管方式
       双股流螺旋冷却器[34]的选材方法和布管方式与单股流逆流型基本相同，得到管层与管子数的对应表；但由于双股流管程走两种不同的流质，因此双股流存在配管问题。其所涉及到的具体方法、不同分配方式是否对换热器的设计及换热效果产生影响等将在下文中阐述。
       ⑵几何尺寸的确定
       由于管程走两种流质，需分别计算每股管子数 n1 和 n2，根据上述布管方法并参照管层与管数对应表，校核管子数量 n、n1 和 n2，并根据校核数量 n1 和 n2 分别重新计算管内流速 v1 和 v2。
若在双股流中考虑管内两相流，则又需分别计算每股流中气、液两态的流速、雷诺数、普朗特数等物性参数。其计算方法亦可参考本章第一节中所述。
       ① 总传热系数计算过程采用对数平均值法按气液分相[35]及显热与潜热独立计算方法计算对流换热系数及总传热系数[36]。
       壳侧对流换热系数
       ho=Q总/（Qs/hs+Qr/hr）                                    （2.11）
       其中：hr=1000～1100，取 hr =1100 W/（m2.K）；
       hs =RLohLo+（1－RLo） hvo                                                           
       Qs=（CpLo 平mLo 平+ Cpvo 平mvo 平）Δ t                                
       Qr= Q 总－Qs                                                
       根据管外传热膜数按 Gilli 公式、管内传热膜数按 Schmidt 公式，式（16）中
       hvo=0.338 Fi Fn Ft Revo0.61 Prvo0.333（λvo/0.001do）
       hLo=0.338 Fi Fn Ft ReLo0.61 PrLo0.333（λLo/0.001do）
       RTo=VLo 平/（VLo 平+ Vvo 平）
       而螺旋管（1）内对流换热系数 h1i 计算公式同式（2.6）。
       则螺旋管（1）对应总传热系数为
       K1=1/（1/ho+R1o+δ1d1o/（λ1d1m）+R1id1o/d1i+d1o/（h1id1i））                     （2.12）
       同上，可获得螺旋管（2）对应对流换热系数 h2i 和总传热系数 K2。
       ② 有效换热高度计算过程
       同式（2.7） 和（2.8）可得到螺旋管（1）总传热面积 A1 总和螺旋管（1）长度 l1。
       同样，类比螺旋管（1）有效换热高度计算过程，可获得螺旋管（2）总传热面积 A2 总和长度 l2。
       然后，比较 l1 与 l2，当 l1＝l2 时计算过程结束。
       则换热器有效换热高度
       H＝l1sina＝l2sina                                         （2.13）
       若 l1≠l2，则重新调整螺旋管进口流速 v1i、v2i 值大小，并重新计算整个流程，直至 l1=l2 时完成换热工艺计算过程。
       3 本章小结
       本章以低温换热为主要设计背景，提出了一种新的设计方案，阐述了其设计目的、工作过程及优缺点。同时详细地介绍了冷却器系列（包括单股流和双股流）的换热工艺计算流程及方法。其中，根据系列化的计算流程及方法，提出了将缠绕管式换
热器换热工艺计算机化的初步设想。
更多详情请咨询：http://www.tzyaoxin.com/