2010级应用化学专业《化工原理》课程设计说明书题目：姓名：班级学号：指导老师：同组人员完成时间：《化工原理》课程设计评分细则说明：评定成绩分为优秀（90-100），良好（80-89），中等（70-79），及格（60-69）和不及格（<60）目录（按毕业论文格式要求书写）第一部分设计任务书第二部分设计方案简介评述我们设计的是煤油冷却器，冷却器是许多工业生产中常用的设备。

列管式换热器的结构简单、牢固，操作弹性大，应用材料广。

列管式换热器有固定管板式、浮头式、U形管式和填料函式等类型。

列管式换热器的形式主要依据换热器管程与壳程流体的温度差来确定。

由于两流体的温差大于50 C，故选用带补偿圈的固定管板式换热器。

这类换热器结构简单、价格低廉，但管外清洗困难，宜处理壳方流体较清洁及不易结垢的物料。

因水的对流传热系数一般较大，并易结垢，故选择冷却水走换热器的管程，煤油走壳程。

第三部分 换热器设计理论计算１、试算并初选换热器规格（1）、 定流体通入空间 两流体均不发生相变的传热过程，因水的对流传热系数一般较大，并易结垢，故选择冷却水走换热器的管程，煤油走壳程。

（2）、确定流体的定性温度、物性数据，并选择列管式换热器的形式：被冷却物质为煤油，入口温度为140℃,出口温度为40C 冷却介质为自来水，入口温度为30C ，出口温度为40C 煤油的定性温度：(14040)/290m T C =+= 水的定性温度：(3040)/235m t C =+=两流体的温差：903555m m T t C -=-=由于两流体温差大于50℃，故选用带补偿圈的固定管板式列管换热器。

两流体在定性温度下的物性数据(3)、计算热负荷Q 按管内煤油计算,即1253361.981010() 2.2210(14040) 1.541610330243600n ph W Q C T T W ⨯=-=⨯⨯⨯⨯-=⨯⨯⨯若忽略换热器的热损失，水的流量可由热量衡算求得,即63,21() 1.54161036.94/4.17410(4030)c p c QC t t W kg s =-⨯==⨯⨯-（4）、计算两流体的平均温度差，并确定壳程数 逆流温差212211222111()()(14040)(4030)39.09614040ln ln ln4030mt t T t T t t C t T t t T t ∆∆-∆------'====︒∆---∆-121214040104030T T R t t --===--211140300.09114030t t P T t --===-- 由R 和P 查图……得温度校正系数为0.85t ϕ∆=，所以校正后的温度为36.40.8533.23m mt t t C ϕ∆'∆=∆=⨯=︒ 又因0.850.8t ϕ∆=>，故可选用单壳程的列管式换热器。

（5）、初步选择换热器规格 根据管内为水，管外为有机液体，K 值范围为280~710 2/()W m C ⋅︒，假设K=4302/()W m C ⋅︒故261.541610107.943033.23m Q S m K t ⨯===∆⨯由于140404030555022m m T t C C ++-=-=＞，因此需要考虑热补偿。

初选固定板式换热器规格尺寸如下：外壳直径D600mm 管排方式——正三角形排列 管程流通面积S 0.0364m 2 公称压力P 4.00Mpa 管数n 232 管程数2管长L 6m 管尺寸 φ25×2.5mm （不锈钢管） 中心距 32mm 公称面积S 107.5 m 2 换热器的实际传热面积200(0.1)232 3.140.025(60.1)107.45S n d L m π=-=⨯⨯⨯-=采用此换热面积的换热器，则要求换热过程的总传热系数为：6200 1.541610431.8/()107.533.23m Q K W m C S t ⨯===⋅︒∆⨯2、核算总传热系数K 0（1）、计算管程对流传热系数i α，因为管中水的质量流量为36.94/Wc kg s =，则水的体积流量为3/36.94/9940.03716/Vc Wc m s ρ=== 222232 3.140.0200.03642424i i p n A d m N π==⨯⨯= /0.03716/0.03642 1.0203/i c i u V A m s ===430.02 1.021994Re 2.78810()0.72810i i i d u ρμ-⨯⨯===⨯⨯湍流 344.174107.2810Pr 4.85410.626i Cp μλ-⨯⨯⨯===所以：0.80.440.80.420.023Re Pr 0.6260.023.78810 4.85414874.7/()0.02ii d W m C λα==⨯⨯⨯⨯=⋅︒（液体被加热）（2）(2)、计算壳程对流传热系数o α换热器中心附近管排中流体流通截面积为20.025(1)0.150.6(1)0.01970.032o o d A h D mt =-=⨯⨯-= 式中 h ——折流挡板间距，取150mmt ——管中心距，对于25 2.5mm φ⨯的管中心距为32mm 。

煤油的质量流量为25000/ 6.9444/Wh kg h kg s ==，则煤油的体积流量为3/ 6.9444/8250.008417/h h V W m s ρ===由于换热器为两壳程，所以煤油的流速为：/0.04478/0.0197/0.4273/o s o u V A m s m s ===由于管为三角形排列，则有2222)40.0320.025)24240.02023.140.025o o o d de m d πππ-⨯-⨯===⨯ 煤油在壳程中流动的雷诺数为330.02020.4273825Re 9.952100.71510e o o d u ρμ-⨯⨯===⨯⨯ 因为Re o 在36210~110⨯⨯范围内，故可采用凯恩(Kern)法求算o α，即0.551/30.36Re Pr o ed μλαϕ=332.2210071510Pr 11.340.14o Cp μλ-⨯⨯⨯===由于液体被冷却 取μϕ=0.95，所以0.551/30.551/320.140.36Re Pr 0.3611.340.95842/()0.0202o eW m C d μλαϕ==⨯⨯⨯⨯⨯=⋅︒3（9.95210）（3）、确定污垢热阻423.4410/i Rs m C W -=⨯⋅︒（自来水） 421.717910/o Rs m C W -=⨯⋅︒（煤油）（4）、计算总传热系数0K （管壁热阻可忽略时，总传热系数0K 为：）044211110.0250.0251.717910 3.44108420.024874.70.02488.8/()o o o ioi i iK d dRs Rs d d W m C αα--=+++=+⨯+⨯⨯+⨯=⋅︒选用该换热器时，要求过程的总传热系数为431.8 2/()W m C ⋅︒，在传热任务所规定的流动条件下，计算出的0K =488.8 2/()W m C ⋅︒，所选择的换热器的安全系数为：488.8431.8100%13.2%431.8-⨯=则该换热器传热面积的裕度符合要求。

3、计算压强降（1）、计算管程压强降 12()Pi p p FtNpNs ∑∆=∆+∆前已算出： 1.021/ui m s = 3Re 2.78810i =⨯（湍流） 取不锈钢管壁的粗糙度0.1mm ε=，则0.10.00520id ε== 由摩擦系数图查得0.034λ= 所以2216994 1.0210.0345284.5520.022i i u L P Pa d ρλ⨯∆==⨯⨯= 22233994 1.0211554.2822i u P Pa ρ⨯⨯∆===对于25 2.5mm φ⨯的管子，有 1.4,2,1Ft Np Ns ===且412()(5284.551554.28) 1.421 1.91510Pi p p FtNpNs Pa ∑∆=∆+∆=+⨯⨯⨯=⨯(2)、计算壳程压强降12()o P p p FsNs ''∑∆=∆+∆ 由于 1.15,1Fs Ns ==所以210(1)2oc B u P Ff n N ρ'∆=+管子为正三角形排列，则取F=0.51.116.75c n ===折流挡板间距0.15h m = 折流板数611390.15B L h N =-=-=20()0.15(0.616.750.025)0.02719o c h D m n d A =-=⨯-⨯= 320.008410.3093/0.02719s o om sm s m V u A ===330.0250.30938258.922100.71510o o eod u R ρμ-⨯⨯===⨯⨯ 0.22830.228558.922100.6284R eoo f --==⨯⨯=（） 所以22108250.3093(1)0.50.628416.75(391)8307.422oc B u P Ff n N Pa ρ⨯'∆=+=⨯⨯⨯+⨯=222220.158250.3093(3.5)39(3.5)4617.120.62o B u h P Pa D N ρ⨯⨯'∆=-=⨯-⨯=412()(8307.44617.1) 1.15 1.41710o P p p FsNs Pa ''∑∆=∆+∆=+⨯=⨯ 从上面计算可知，o P ∑∆、Pi ∑∆﹤105，该换热器管程与壳程的压强降均满足题设要求，故所选换热器合适。

第四部分 换热器主要结构尺寸一、管子的规格和排列方法考虑到流体的流速，选用25 2.5mm φ⨯规格的管子。

我国换热器系列中，固定管板式多采用正三角形排列，它的优点有：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；相同壳程内可排列更多的管子。

所以选择正三角形排列。

二、管程和壳程数的确定管程数m 可按下式计算，即'u m u =式中 u ——管程内流体的适宜速度，m/s ；'u ——单管程时管内流体的实际速度，m/s 。

取 1.5/u m s = （参考《化工原理》上册）水的流量为cW=36.94/kg s ，对于φ25×2.5mm 的管子，2236.94'0.51/3.149940.0223244c W u m sd nπρ===⨯⨯⨯⨯求得 1.00 1.96'0.51u m s m u m s=== 所以选用2管程。