煤油冷却器的设计化工原理换热器设计说明

煤油冷却器的设计化工原理换热器设计说明

《化工原理》课程设计说明书

题 目： 煤油冷却器的设计 学 院： 化工学院 专 业： 化学工程与工艺 姓 名： 学 号： 指导老师： 同组人员 完成时间：

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目录

1.前

言3 2.设

计

题

目

（

任

务

书

）5 3.流

程

示

意

图5

4.流程和方案的说明和论证7

5.设计结果概要（主要设备尺寸、各种物料量和状态、能耗指标、设计时规定的主要操作

参数以及附属设备的规格、型号及数量）8 6.

设计计算与说明19

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7.对设计的评述与体会心得 28 8.30

参考文献目录

一. 前 言

换热器简单说是具有不同温度的两种或两种以上流体之间传递热量的设备。在工业生产过程中，进行着各种不同的热交换过程，其主要作用是使热量由温度较高的流体向温度较低的流体传递，使流体温度达到工艺的指标，以满足生产过程的需要。此外，换热设备也是回收余热，废热，特别是低品位热能的有效装置。

根据管壳式换热器的结构特点，常将其分为固定管板式、浮头式、U型管式、填料函式、滑动管板式、双管式等 。本次课程设计设计的是固定管板式换热器。

固定管板式换热器，管束连接在管板上，管板与壳体焊接。其优点是结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏或堵塞时易于更换；缺点是当管束与壳体的壁温或材料的线

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胀系数相差较大时，壳体与管束将会产生较大的热应力。这种换热器适用于壳测介质清洁且不易结垢、并能进行清洗、管程与壳程两侧温差不大或温差较大但壳测压力不高的场合

管壳式换热器结构：

管壳式换热器的主要零部件有壳体、接管、封头、管板、换热管、折流板元件等，对于温差较大的固定管板式换热器，还应包括膨胀节。管壳式换热器的结构应该保证冷、热两种流体分走管程和壳程，同时还要承受一定温度和压力的能力

(1)管板：管板是换热器的重要元件，主要是用来连接换热器，同时将管程和壳程分隔，避免冷热流体相混合。当介质无腐蚀或有轻微腐蚀时，一般采用碳素钢、低合金钢板或其锻件制造。

(2)管子与管板的连接：管子与管板的连接必须牢固，不泄漏。既要满足其密封性能，又要有足够的抗拉强度。其连接形式主要有强度胀接、强度焊接、胀焊结合等。

(3)管箱：其作用是把管道中来的流体均匀分布到各换热管中，将换热管内流体汇集在一起送出换热器。

(4)折流板和支承板：壳程内侧装设折流板或支承板，折流板的作用是组建壳间流道，使流体以适当的流速冲刷管束，提高传热系数，改善传热效果，以达到一定的传热强度。常用的折流板有弓形和圆环形两种，弓形折流板又分为单弓形、双弓形和三弓形。

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(5)拉杆和定距管：折流板的安装一般是用拉杆和定距管组合并与管板固定在一起。拉杆与管板连接的一端可用焊接或螺纹连接，另一端也用焊接或螺纹固定。一般拉杆的直径不得小于10mm、数量不得小于4根。

(6)管板与壳体的连接：其连接型式可分为不可拆式和可拆式。

二、设计题目： 根据条件设计合适的换热器（煤油冷却器的设计） 设计任务及操作条件：

1. 煤油：入口温度150℃，出口温度50℃；运行表压 1bar。煤油流量17T/h。

2. 冷却介质：凉水塔中处理过的补给水，入口温度30℃，出口温度50℃；运行表压 3bar。

三、流程示意图(计算流程图)

确定流体确定定性温19

两壳程或以上 对数平均查P R 否Ψ>0是单 i>K，压降小于允许 计算热负荷Q ，估估计K值，查换热 否 计算管内给热系数 是假定壁温计算壳乘压 否 0 与压降符合 是 19

工艺流程图

A1/A2=1.10-1.25 查得垢层热阻R1，R2, 'K01.11.2K0是校核，tw、压降、完成

四.流程和方案的说明和论证

1.传热过程易采用逆流传热方式，因为逆流平均推动力大于并流； 选用单壳程四管程固定式列管换热器；

2.流体空间的选择：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。

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3.结构与结构参数的选择

a) 直径小的换热器不仅便宜，而且可以获得较好的传热膜系数与阻力系数的比值。但管径愈小则换热器的压降愈大，在满足允许压力的前提下，一般推荐用外径为19mm，对于易结垢的流体，为方便清洗，采用外径为25mm的管子.

b) 管长 无相变的换热器时，管子较长则传热系数也增大，在相同的传热面积的情况下，采用长管流动截面积小，流速大，管程数小，从而减小了回弯次数，因而压降也较小；但是管子过长会带来制造的麻烦，因此一般选用4—6米，最终选用6米

c) 管子的排列和管心距 三角形的有利于壳程流体达到湍流。正方形有利于壳程的清洗。因此产生了转过一定角度的正方形排列和留有清洗通道的三角形排列。

五.设计结果概要

参数 流率/(kg/h) 进/出口温度C 压力/pa 物

管程(水) 41400 30/50 0.3 40 992 壳程（煤油） 17000 150/50 0.1 100 766 19

定性温度C 密度/kg/m3

性参数 物性参数 设备结构参数 比热容Cp kJ（/kgC） 4.174 2.39 黏度 mPas导热系数 W（/mC）0.563 0.633 4.3059 固定板式 500 φ25×2.5mm 台数 0.566 0.104 12.87 1 1 32 普朗特数 形式 壳体内径/mm 管径/mm 壳程数 管心距/mm 管长/mm 管数目 传热面积/m2 管程数 主要计算结果 流速/m/s 表面传热系数W/(m2C) 6000 140 管子排列 折流板书 折流板间距/mm 正三角 39 150 53.47 4 管程 1.0556 5255.4 材料 16MnR 壳程 0.3759 667.54 2污垢热阻mC/W 3.44104 1.74104 压力/Mpa

0.07979 0.0231 19

热流量/w 传热温差/C 2W/(mC) 传热系数0.96×106 54.1 427.37 18.4 裕度/%

六.设计计算与说明 （1）、 定流体通入空间:

两流体均不发生相变的传热过程，因水的对流给热系数一般较大，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T1=150℃,出口温度为T2=50℃ 冷却介质为自来水，入口温度为t1=30℃，出口温度为t2=50℃ 煤油的定性温度Tm(T1T2)/2(15050)/2100C 水的定性温度：tm(t1t2)/2(3050)/240C 两流体的温差： Tmtm1004060C

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

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物性 流体 煤油 水

温度 C密度 3kg/m黏度 mPas比热容Cp导热系数 kJ（/kgC）W（/mC）100 40 766 992 0.560 0.653 2.39 4.174 0.104 0.633 （3）、计算两流体的平均温度差，初步确定流程形式 逆流温差

tmt2t1(T2t2)(T1t1)(15050)(5030)49.707C t2T2t215050lnlnlnt1T1t15030

RT1T2150505

t1t25030 Pt2t150300.1667

T1t115030 由R和P查图……得温度校正系数为，

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t0.84所以

校正后的温度为tm'tmt49.7070.8441.75C 又因t0.840.8，故可选用单壳程的列管式换热器。 (4)、计算热负荷Q ，估计换热器效率 按煤油计算,即

QWsCps(T1T2)1710336002.39103(15050)1.13106W

取η=0.85 Q有效=ηQ =0.85×1.13×106=0.96×106W

水的流量可由热量衡算求得,即

0.96106Wc11.50kg/s 3Cp,c(t2t1)4.17410(5030)Q有效

（5）、初步选择传热系数，与换热器规格 根据管内为水，管外为煤油（有机液体），K值范围为

340~910W/(m2C)，

假设K=420W/(m2C)故

Q有效0.96106 由于A54.75m2 'Ktm42041.75

Tmtm15050503060C＞50C，因此需要考虑热补偿。 22 换热器规格： 1、管子规格与排列方法

选用252.5mm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

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列，优点有：管板的强度高；流体走短路的机会少，且管外流体湍动较大，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。 2、管程和壳程数的确定 管程数NP可按下式计算，即 NPu u'u——管程内流体的适宜速度，m/s；u'——单管程时管内

式中

流体的实际速度，m/s。 取 u0.91.1m/s 取 1.0

水的流量为Wc =11.5kg/s，对于φ25×2.5mm的管子，

u'4Wcdi2n11.50.27m/s

3.149920.0221404 求得NPu1.00ms3.70u'0.27ms

所以选用4管程。由R和P查得温度校正系数为t0.84大于0.8，所以采用单壳程。

设所需单管程数为n，传热管的内径为0.02m，管内体积流量

VcWc/11.50/9920.0116m3/s

且VCn40.0202140.0116m3S1 n=137.7 取140

按单程计算，所需传热管长度为 L=

A53.4723.4(m)nsdi3.140.023

3、确定管长

管长的选择是以清洗方便和合理使用为准, 我国生产的钢管的钢管长多为 6m、9m，故系列标准中管长有 1.5m、2m、3m、4.5m、6m

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和 9m 六种，其中以 3m 和 6m 更为普通。

因为管程4,若单程长23.4,所以管长23.4/4=5.85所以选择6米的管.

4、壳体的内径计算

初步设计中可用下式计算壳体的内径，即 Dt(nc1)(23)d0(取3)

式中

D壳体内径，m；t管中心距，m；nc横穿管束中心线上的管数；

其中t0.032m,nc1.1n1.114013.02

则D0.032(13.021)30.0250.460m460mm;

按照此方法计算得到的壳内径应圆整， 所以取D=500mm。

5、折流板形式的确定

折流挡板的主要作用是引导壳程流体反复的改变方向做错流流动，以加大壳程流体流速和湍动速度，致使壳程对流传热系数提高。 选择水平圆缺形折流板，切去的弓形高度为外壳内径的25.0%（圆缺率的范围一般为20%~45%），即为：50015.0%125.0mm。 折流板的间距，在允许的压力损失范围内希望尽可能小。一般推荐折流板间隔最小值为壳内径的1/5或者不小于50mm。折流板间距取h=150mm。

折流板的最大无支撑间距如表所示：

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换热管外径（mm） 最大无支撑间距14 1100 16 1300 19 1500 25 1850 32 2200 38 2500 (mm) 故最大无支撑间距为1850mm.

折流板的厚度可由下表得出：

换热管无支撑跨距 公称直径DN（mm） <300 300~600 600~900 900~1200 1200~1500 1500 折流板的最小厚度(mm) <400 400~700 700~900 900~1500 3 4 5 6 4 5 6 8 5 6 8 10 8 10 10 12 10 10 12 16 10 12 16 16 所以取值为12mm 折流板数NB1Lh6139 0.15因此初选固定板式换热器规格尺寸如下：

换热器直径D 500mm 管排方式: 正三角形排列 管长L6m 管数：140

管程数 4 管尺寸 φ25×2.5mm 中心距32mm 公称面积S66.7m2

换热器的实际传热面积

A0nd0L1403.140.0256.84m2

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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：

Q有效0.961062K0354.63W/(mC) 'A0tm.8441.75' 估计壁面温度tw’=50C ,允许压强为105Pa.

（6）、计算管程给热系数i，

估计壁面温度tw’=50C ,允许压强为105Pa. 因为管中水的质量流量为Wc11.50kg/s，则 水的体积流量为VcWc/11.50/9920.0116m3/s 内径di=0.020

Aindi21403.140.02020.01099m2

Np444uiVc/Ai0.0116/0.010991.2747m/s

ReidiuiCp0.021.27479923.207104(湍流) 30.653104.1741030.653103Pri4.3059

0.633所以：

0.80.4RePr（液体被加热）di

0.6330.80.023（3.873104）4.30590.46111.7W/(m2C)0.02i0.023因为管程给热系数i>>传热系数K,所以K选择合理。 (7)、计算壳程给热系数o

换热器中心附近管排中流体流通截面积为

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AohD(1do0.025)0.150.5(1)0.01m2 t0.032 式中 h——折流挡板间距，取150mm

t——管中心距，对于252.5mm的管中心距为32mm。 煤油的质量流量为Ws17000/3600kg/s4.722kg/s，则 煤油的体积流量为VsWs/4.722/7660.0061m3/s 由于换热器为单壳程，所以煤油的流速为：

uoVs/Ao0.0061/0.01m/s0.3759m/s

由于管为三角形排列，则有

4(deo3223tdo)4(0.03220.0252)24240.0202m do3.140.025煤油在壳程中流动的雷诺数为

Reodeuo0.02020.37597661.038104 30.56010因为Reo在2103~1106范围内，故可采用凯恩(Kern)法求算

o，即

o0.36deRe0.55Pr1/3

2.391030.560103Pro12.87

0.104Cp

由于液体被冷却 取0.95，所以

o0.36deRe0.55Pr01/30.360.1040.55（1.038104）12.871/30.95667.54W/(m2C) 0.0202（8）、核算总传热系数K0，核算面积裕度

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管壁热阻可忽略时，总传热系数K0为： 确定污垢热阻

Rsi3.44104m2C/W（自来水）

Rso1.74104m2C/W（煤油）

K011oRsoRsidododiidi110.0250.0251.741043.44104667.540.025255.40.02427.37W/(m2C)

K0427.371.21在（1.1~2.2）范围内，符合题意。 'K0354.63A0nd0L1403.140.0256.84m2

Q有效0.961062A54.75m'Ktm42041.75 裕度HA0A.8454.7518.4% A54.75 H在10%-20%之间 符合要求 。

（9）核算壁面温度：

传热管平均壁温 twTm/itm/o100/6111.740/667.5445.9C1/o1/i1/667.541/6111.7

壳体壁温可近似取为壳程流体的平均温度 即T=100 C 壳体壁温与传热管壁温差为t=100C-45.9C=54.1C 该温差大，故需设温度补偿装置。 基本相符。故假设合理。

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tw与假设的壁面温度相差不大，

tw'tw'

（10）核算压强降 1、计算管程压强降 Pi(p1p2)FtNpNs

3前已算出：ui1.0556m/s Rei3.87310（湍流）

取不锈钢管壁的粗糙度0.1mm，则由摩擦系数图查得0.045 所以

0.10.005 di20Lui269921.05562P0.0457461.29Pa 1di20.0223ui239921.05562P21658.07Pa

22对于252.5mm的管子，有Ft=1.5,且Np=4,Ns=1

4Pi(P1P2)FtNpNs(7461.291658.07)1.5415.47210Pa

2、计算壳程压强降

p2)FsNs Po(p1由于Fs1.15,Ns1 所以P1Ff0nc(NB1)2uo2

管子为正三角形排列，则取F=0.5

nc1.1n1.114013.02

折流挡板间距h0.15m

2Soh(Dncd0)0.15(0.613.020.025)0.0412m

30.0061msVs0.3759m/s uo20.01mAo 19

douo0.0250.37597661.29104 Reo0.5601030.2280.2285（1.29104）0.9767 fo5Reo所以

7660.37592P0.50.976713.02(391)137.0Pa1Ff0nc(NB1)2222huo20.157660.3759239(3.5)6331.8Pa P2NB(3.5)D20.622uop2)FsNs(1376331.8)1.152.311104Pa Po(p1从上面计算可知，Po﹤105、Pi﹤3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。 （11）详细结构设计，管板壳体的强度核算 1、结构设计 （a）壳体厚度计算

按照JB 1153-73标准，壳体承受压力Pc=0.1MPa,采用16MnR，腐蚀余量C=1mm,焊接系数0.85，在最大温度1600C下[]t107MPa，

DN0.5m

PcDi/(2[]tPc)

0.10.5/(21070.850.1)

0.00028m0.28mm经过查图表得C10.9mm,C21mm，得

nC1C20.280.912.183mm

按照最小厚度确定对于低合金钢不小于6mm,故此n6mm。

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（b）封头计算

按照JB4732-95标准，采用圆形封DN=500mm,壁厚与壳体相同。 （c）法兰及螺栓计算

按照GB1159-71标准，法兰取用DN=500mm,PN=16MPa记法兰-PL 400—1.6，螺栓参数及其他配置见没有冷却器装配图。螺栓孔数n=24。

按照GB/T8163标准，换热管取用252.5mm，管间距为32mm,管长为6m。

（e）拉杆和定距管的选取

按照HG21517-95标准，参看拉杆直径选用表，当换热管25d57时，拉杆直径取dn=16mm,参照拉杆数量选用表，在400DN700时，拉杆数量取4.

根据换热器设计手册，定距管的尺寸同换热管的尺寸相同，材料选用10号钢。外径为ø25mm。

拉杆的连接尺寸

拉杆直径d 16

（f）接管

换热器中流体进、出口的接管直径按下式计算，即

拉杆螺纹公称直径La Lb dn 16 20 ≥60 2.0 b 19

d4V

u 式中 V——流体的体积流量，m3/su——流体在接管中的流速，m/s。

流速u 的经验值可取为对流体 u=1.0m/s 自来水进出口接管的内径 （管程）

d24V2u40.0116121.6mm DN=130mm

3.141.0煤油进出口接管的内径（壳程）

d14V140.006188.6mm DN=90mm

u3.141.0接管内径取DN=90㎜时。

参考接管伸出长度表，接管伸出长度取150㎜。 按照接管最小位置标准，接管距法兰

L1=DN/2+（b-4）+C=130/2+(44-4)+30=115㎜ 结合本设计，取L1=200㎜

接管内径取DN=130㎜时，参考接管伸出长度表，接管伸出长度取150㎜。

按照接管最小位置标准，接管距法兰

L2=DN/2+（b-4）+C=130/2+(44-4)+30=135㎜ 结合本设计，取L2=200㎜ (g)接管法兰

按照GB1159-71标准，接管法兰以接管为准选择，其具体参数及配置安装见煤油冷却器装配图。

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（h）折流板计算

本设计取用缺损25%的弓形折流板，参考折流板最大无支撑跨距和本设计要求，间距取h=0.15m,板数为39，折流板外径为494.7㎜。

(i) 防冲板计算

按照设置防冲板条件煤油的密度和流速

1u127660.37592108.242300时，本设计不需设置防冲板，其具体

参数及配置安装见煤油冷却器装配图。 （j）管板计算

管板计算现在有多种方式，本设计按照GB 151 标准计算管板参数。

壳程设计压力Ps=0.1Mpa 管程设计压力Pt=0.3MPa 垫片压紧力作用中心圆直径DG=422.5㎜ 管子外径d=25㎜ 管子壁厚δt=2.5㎜ 管子根数n=140根 管间距S=32㎜ 管子金属总面积

na=nπδt (d-δt)=1403.142.5(252.5)24727.5mm2 开孔面积nπd²/4=1403.14252/468687.5mm2

管子有效长度L=6000㎜ 管子设计温度下弹性模量Et=200000MPa 管子设计温度下许用应力 [σ]tt=107Mpa 管子设计温度下屈服点σts=235MPa 管子回转半径

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i1/4d2d222t1/42522522.58.004 管子受压失稳当量长度lcr=2250㎜ 系数

Cr22Etts 23.142200000235

129.5管子稳定许用应力，经计算

lcr2250i8.004281.1129.5Cr

2Et3.142200000cr2lcr/i222250/8.004212.48MPa

管板

管板设计温度下的弹性模量Ep=210000MPa 管板刚度削弱系数取η=0.4(按一般情况计算) 管板强度削弱系数取μ=0.4（一般情况可与η相同） 焊脚高度6/2=4.24 管板设计温度下许用应力[σ]tr=113Mpa 许用拉托力取[q]=0.5*[σ]tr=535Mpa 系数计算

管板布管区面积：三角方形排列时

At0.866nS2Ad0.8661403227818.24 131968mm2开孔后面积

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A1= At- nπd ²/4=1319681403.14252/463280.5mm2 管板布管区当量直径

Dt4At/4131968/3.14410mm

管束模数

KtnatELDt 20000024727.56000410

2010.37管束无量纲刚度

KttKE2010.370.0239 p0.4*210000系数β=na/A1 =24727.5/63280.5=0.3908 ρt=Dt/DG=415.5/422.5=0.983 无量纲压力 PdaP1.5t0.31.5*0.4*1070.004673

rK~1/3得 P~t0.02391/31/24.21a0.0046731/2

1/ρt=1.0

K~1/3按P~t11/2a，t查图，得

C=0.15 管板计算厚度

DtCPa410*0.15*0.00467342mm

δn=δ+C1+ h2=42+1+4

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=50mm (圆整后) （k）膨胀节的选用与计算

固定管板式换热器在换热过程中，管束与壳体有一定的温差存在，而管板、管束与壳体是刚性连接在一起，当温差达到某一个温度直时，由于过大的温差应力往往会引起壳体的破坏和管束的弯曲，需设置补偿装置，如膨胀节。膨胀节是安装在固定管板式换热器上的挠性构件，对管束与壳体间的变形差进行补偿，以此来消除壳体与管束间因温差而引起的温差应力。

由于管束与壳体温差大于50℃，产生的温差应力过大应设置膨胀节，消除温差应力。

2.强度核算： 1.壳体强度核算 壳体能承受的压力

壁厚腐蚀余量为1mm，有效壁厚δe=6mm。 P=【σ】φ×2δ/D

=113×0.85×2×6÷500 =1.921Mpa P>P水压=0.25Mpa 壳体强度符合要求 2.封头强度核算

封头有效壁厚同样为6mm

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封头能承受的压力P=δ2【σ】φ/（0.5δ+Di×K）

形状系数K=1/6【2+（Di/2hi）2】=1/6×【2+（500÷2÷150）2】 =0.8

所以P=6×2×113×0.85÷（0.5×6+500×0.8）=2.86Mpa P>P水压'=0.5Mpa

所以封头强度也符合要求。 3.换热管强度核算 钢管能承受的压力

钢管负偏差为10%，有效壁厚为2.5-2.5×10%=2.25mm P=2δ【σ】/D

=2×2.25×113÷（20+2.25）=22.85Mpa P>P水压=0.5MPa 换热管强度符合要求。

换热器主要结构尺寸和计算结果列表 参数 流率/(kg/h) 进/出口温度C 压力/pa 物定性温度C 密度/kg/m3 管程(水) 41400 30/50 0.3 40 992 壳程（煤油） 17000 150/50 0.1 100 766 19

性参数 物性参数 设备结构参数 比热容Cp kJ（/kgC） 4.174 2.39 黏度 mPas导热系数 W（/mC）0.563 0.633 4.3059 固定板式 500 φ25×2.5mm 台数 0.566 0.104 12.87 1 1 32 普朗特数 形式 壳体内径/mm 管径/mm 壳程数 管心距/mm 管长/mm 管数目 传热面积/m2 6000 140 管子排列 折流板数 折流板间距/mm 正三角 39 150 53.47 管程数 主要计算结果 流速/m/s 表面传热系数W/(m2C) 2污垢热阻mC/W 4 管程 1.0556 6111.7 材料 16MnR 壳程 0.3759 667.54 3.44104 1.74104 压力/Mpa

0.07979 0.0231 19

热流量/w 传热温差/C 2W/(mC) 传热系数0.96×106 54.1 427.37 18.4 裕度/%

七．设计的评述与体会心得

八．参考文献目录

【1】 聂清德编；《化工设备设计基础》，天津大学出版社，2000

P90;P210

【2】 钱颂文编；《换热器设计手册》，化学工业出版社，2002

P13P19;P136P190

【3】 谢端缓、苏元复合编；《化工工艺算图: 常用物料物性数据》，

化学工业出版社，1973

P90;P210

【4】 陈敏恒编《化工原理》上册，化学工业出版社，第三版

P220P230

【5】 匡国柱、史启才主编《化工单元过程及设备课程设计》，

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化学工业出版社，2001

P51P185

【6】 王晓红，田文德编《化学过程计算机应用基础》，

化学工业出版社，2007 P44P51

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