江西科技师范大学

生物工程专业

《化工原理课程设计》设计书

题目名称:列管式换热器的设计

专业班级：13级生物工程1班

学生姓名：马世良 陈忠良

指导教师：常 军

2016年5月28日

一、方案简介································································3

2、方案设计································································4

1、确定设计方案·····························································4

2、确定物性数据·····························································4

3、计算总传热系数··························································· 4

4、计算传热面积·····························································5

5、工艺结构尺寸·····························································5

6、换热器核算·······························································7

3、设计结果一览表··························································10

4、对设计的评述····························································11

5、附图（主体设备设计条件图）（详情参见图纸）·················11

6、参考文献································································12

7、主要符号说明····························································12

附图·················································13

二、设计背景

某厂在生产过程中，需将硝基苯液体从93℃冷却到50℃。冷却介质采用自来水，入口温度20℃，出口温度75℃。要求换热器的管程和壳程的压降不大于10kPa。试设计能完成上述任务的列管式换热器。

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93℃，出口温度50℃冷流体。

冷流体进口温度20℃，出口温度75℃。

从两流体温度来看，估计换热器的管壁温度和壳体壁温之差不会很大，因此初步确定选用固定管板式换热器。

（2）流动空间及流速的确定

由于硝基苯的粘度比水的大，因此冷却水走管程，硝基苯走壳程。另外，这样的选择可以使硝基苯通过壳体壁面向空气中散热，提高冷却效果。同时，在此选择逆流。选用ф25×2.5的碳钢管，管内流速取u1=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。

壳程硝基苯的定性温度为：word/media/image1.gif

管程流体的定性温度为：word/media/image2.gif

根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。

硝基苯在71.5℃下的有关物性数据如下：

密度　　ρ0=1154 kg/m3

定压比热容　 cP0=1.558kJ/(kg·℃)

导热系数　　 λ0=418.4×30.9×10-5＝0.129 W/(m·℃)

粘度　　μ0=0.000979 Pa·s

冷却水在20℃下的物性数据：

密度　　ρ1=998.2kg/m3

定压比热容　cP1=4.183 KJ/(kg·℃)

导热系数　　λ1=0.599 W/(m·℃)

粘度　　　　μ1=0.001004 Pa·s

3．计算总传热系数

（1）热流量

W0=1×105×1000÷300÷24≈13889kg/h

Q0=W0cpoΔto=13889×1.558×(93-50)=930479.7 KJ/h=258.5 kW

（2）平均传热温差

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（3）冷却水用量

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（4）总传热系数K

管程传热系数

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word/media/image6.gifword/media/image7.gif

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壳程传热系数

假设壳程的传热系数α0=290 W/(m2·℃)；

污垢热RSI=0.000344 m2·℃/W , RS0=0.000172 m2·℃/W

管壁的导热系数λ=45 W/(m·℃)

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4、计算传热面积

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考虑 15％的面积裕度，S=1.15×S''=1.15×19.24=22.12m2

5、工艺结构尺寸

（1）管径和管内流速及管长

选用ф25×2.5传热管(碳钢)，取管内流速u1=0.5m/s，选用管长为3m

（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

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按单程管计算其流速为

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按单管程设计，流速过小，宜采用多管程结构。则该换热器管程数为

word/media/image15.gif (管程)

传热管总根数 N=94(根)

（3）平均传热温差校正及壳程数

平均传热温差校正系数

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按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表。可得word/media/image18.gif

平均传热温差

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（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

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得到各程之间可排列11支管，即正六边形可排6层。则实际排管数设为102根，其中4根拉杆，则实际换热器为98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

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圆整可取D＝400mm

（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＝0.25×400＝100mm，故可取h＝100 mm。

取折流板间距B＝0.5D，则B＝0.3×400＝200mm，可取B为200。

折流板数 NB=传热管长/折流板间距-1=3000/200-1=14(块)

折流板圆缺面水平装配。

（7）接管

壳程流体进出口接管：取接管内硝基苯流速为 u＝1..0 m/s，则接管内径为

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取标准管径为108 mm×11mm。

管程流体进出口接管：取接管内冷却水流速 u＝1.5 m/s，则接管内径为

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取ф76mm×6.5mm无缝钢管。

6．换热器核算word/media/image24.gif

（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

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当量直径，由正三角形排列得

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壳程流通截面积

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壳程流体流速及其雷诺数分别为

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普兰特准数

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粘度校正word/media/image30.gif

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②管程对流传热系数

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管程流通截面积

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管程流体流速

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普兰特准数

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③传热系数K

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④传热面积S

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该换热器的实际传热面积Sp

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该换热器的面积裕度为

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传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。

（2）换热器内流体的压力降

①管程流动阻力

∑ΔP1=(ΔP1+ΔP2)FtNsNp

NS=1, Np=2, Ft=1.5

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由Re＝10064.6，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＝0.414m/s，ρ＝994 .3kg/m3，所以

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管程压力降在允许范围之内。

②壳程压力降

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流体流经管束的阻力

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流体流过折流板缺口的阻力

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壳程压力降也比较适宜。

三、设计结果一览表

表格1

四、对设计的评述

这是我大三再次补交化工原理课程设计，没能及时交作业也是自己的原因。当初还荒谬地以为是像其他课程一样是很简单的，听课的时候也一头雾水，根本不知道该做什么，该怎么做，无从下手，只是觉得好难。有一段时间都在观望。

所以自己设计的时候只能是根据老师提供的模板，用新的数据代替旧的数据，其他的公式完全照抄，花了一天时间，终于把计算部分完成了。但是，再细看模板和自己的设计的时候，发现了很多问题，我的设计根本是行不同。

由于急于求成，算出来后的结果偏离太多，检查才发现部分数据出现了错误，这样照搬下去的一些公式就除了问题了，只好静下来认真地理解和消化原有的一些公式，这样又一次重新算过，但是在计算过程中任然有许多难题。

其实，在整个过程中，虽然遇到了很多问题，也犯了不少错误，但是自己真的学到了很多东西，比如word文档公式的运用，比如如何使自己的设计更加合理，这就要求自己在设计前要详细的考虑各种可能出现的问题和解决办法，才能达到事半功倍的效果。我觉得，如何查找数据也很重要，假如自己查不到数据，接下来的工作完全没办法做，假如查的数据是错误的，那设计出来的东西也是错误的，而且很可能导致严重的后果。

六、参考文献

《化工原理》，王志魁 编，化学工业出版社，2006.

《化工设备设计》，潘国吕，郭庆丰 编著，清华大学出版社，1996.

《化工物性算图手册》，刘光启等 编著，化学工业出版社，2002.

《生物工程专业课程设计》，尹亮，黄儒强 编.

《石油化工基础数据手册》《化学化工工具书》等.