化工原理课程设计指导 山东理工大学化学工程学院 化学工程系编 2017年1月
化工原理课程设计指导 山东理工大学化学工程学院 化学工程系编 2017 年 1 月
目录 第1章概论.1 1.1化工原理课程设计的目的和要求 .1 1.2化工原理课程设计的内容和步骤 .1 第2章列管式换热器设计. 2.1设计和选用时应考虑的问题.5 2.2管壳式换热器的给热系数.6 2.3流体通过换热器的阻力损失.8 2.4对数平均温差的修正.8 2.5管壳式换热器的设计和选用步骤. .10 第3章筛板精馏塔设计.。 12 3.1概述 3.2收集基础数据 3.3工艺流程的选择 3.4做全塔的物料平衡 3.5确定操作条件 3.6确定回流比 3.7理论板数与实际板数 3.8确定冷凝器与再沸器的热负荷 3.9初估冷凝器与再沸器的传热面积 3.10塔径计算及板间距确定 3.11堰及降液管的设计 3.12塔高 主要参考文献
目 录 第 1 章 概论 . 1 1.1 化工原理课程设计的目的和要求 . 1 1.2 化工原理课程设计的内容和步骤. 1 第 2 章 列管式换热器设计 . 5 2.1 设计和选用时应考虑的问题 . 5 2.2 管壳式换热器的给热系数 . 6 2.3 流体通过换热器的阻力损失 . 8 2.4 对数平均温差的修正 . 8 2.5 管壳式换热器的设计和选用步骤 . 10 第 3 章 筛板精馏塔设计 . 12 3.1 概述 3.2 收集基础数据 3.3 工艺流程的选择 3.4 做全塔的物料平衡 3.5 确定操作条件 3.6 确定回流比 3.7 理论板数与实际板数 3.8 确定冷凝器与再沸器的热负荷 3.9 初估冷凝器与再沸器的传热面积 3.10 塔径计算及板间距确定 3.11 堰及降液管的设计 3.12 塔高 主要参考文献
第一章绪论 1.1化工原理课程设计的目的和要求 课程设计是《化工原理》课程的一个总结性教学环节，是培养学生综合运用本门课程及有 关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练。在整个教学计划中，它也起者培养学 生独立工作能力的重要作用。 课程设计不同于平时的作业，在设计中需要学生自己做出决策，即自己确定方案，选择流 程，查取资科，进行过程和设备计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比 较，择优选定最理想的方案和合理的设计。所以，课程设计是培养学生独立工作能力的有益实 践。 通过课程设计学生应该注重以下几个能力的训练和培： ()查阅资料，选用公式和搜集数据（包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集）的能力： (2)树立既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作时的劳动 条件和环境保护的正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力： (3)迅速准确的进行工程计算的能力： (4)用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力。 1.2化工原理课程设计的内容和步骤 (1)课程设计的基本内容 ①设计方案简介对给定或选定的工艺流程，主要的设备型式进行简要的论述： ②主要设备的工艺设计计算包括工艺参数的选定、物料衡算、热量衡算、设备的工艺尺寸 计算及结构设计： ③典型辅助设备的选型和计算包括典型辅助设备的主要工艺尺寸计算和设备型号规格的 选定： ④带控制点的工艺流程简图以单线图的形式绘制，标出主体设备和辅助设备的物料流向、 物流量、能流量和主要化工参数测量点： ⑤主体设备工艺条件图图面上应包括设备的主要工艺尺寸，技术特性表和接管表： 完整的课程设计由说明书和图纸两部分组成。说明书是设计的书面总结，也是后续设计工 作的主要依据，应包括以下主要内容： ①封面（课程设计题目、班级、姓名、指导教师、时间）： ②目录： ③设计任务书： ④设计方案简介： ⑤工艺设计计算： ©辅助设备的计算及选型： -1-
- 1 - 第一章 绪 论 1.1 化工原理课程设计的目的和要求 课程设计是《化工原理》课程的一个总结性教学环节，是培养学生综合运用本门课程及有 关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练。在整个教学计划中，它也起着培养学 生独立工作能力的重要作用。 课程设计不同于平时的作业，在设计中需要学生自己做出决策，即自己确定方案，选择流 程，查取资料，进行过程和设备计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比 较，择优选定最理想的方案和合理的设计。所以，课程设计是培养学生独立工作能力的有益实 践。 通过课程设计,学生应该注重以下几个能力的训练和培养： (1)查阅资料，选用公式和搜集数据(包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集)的能力； (2)树立既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作时的劳动 条件和环境保护的正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力； (3)迅速准确的进行工程计算的能力； (4)用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力。 1.2 化工原理课程设计的内容和步骤 （1）课程设计的基本内容 ①设计方案简介 对给定或选定的工艺流程，主要的设备型式进行简要的论述； ②主要设备的工艺设计计算 包括工艺参数的选定、物料衡算、热量衡算、设备的工艺尺寸 计算及结构设计； ③典型辅助设备的选型和计算 包括典型辅助设备的主要工艺尺寸计算和设备型号规格的 选定； ④带控制点的工艺流程简图 以单线图的形式绘制，标出主体设备和辅助设备的物料流向、 物流量、能流量和主要化工参数测量点； ⑤主体设备工艺条件图 图面上应包括设备的主要工艺尺寸，技术特性表和接管表； 完整的课程设计由说明书和图纸两部分组成。说明书是设计的书面总结，也是后续设计工 作的主要依据，应包括以下主要内容： ①封面（课程设计题目、班级、姓名、指导教师、时间 ）； ②目录； ③设计任务书； ④设计方案简介； ⑤工艺设计计算； ⑥辅助设备的计算及选型；
⑦设计结果汇总表： ⑧设计评述及设计者对本设计有关问题的讨论： ⑨工艺流程图及设备工艺条件图： ⑩参考资料。 (2)课程设计的光明 ①动员和布置任务： ②阅读指导书和查阅资料： ③设计计算，绘图和编写说明书： ④考核和答解。 整个设计是由论述、计算和绘图三部分组成。论述应该条理清晰，观点明确：计算要求方 法正确，误差小于设计要求，计算公式和所用数据必须注明出处：图表应能简要表达计算的结 (3)带控制点的工艺流程图的绘制 带控制点的工艺流程图是一种示意性的图样它以形象的图形、符号、代号表示出化工设备、 管路、附件和仪表自控等，借以表达出一个生产中物料及能量的变化始末。工艺流程图绘制范 用加下： 必须反映出全部工艺物料和产品所经过的设备： ①应全部反映出主要物料管路，并表达出进出装置界区的流向： ②冷却水、冷冻盐水、工艺用的压缩空气、蒸汽（不包括副产品蒸汽）及蒸汽冷凝液系统等 的整套设备和管线不在图内表示，仅示意工艺设备使用点的进出位置： ③标出有助于用户确认及上级或有关领导审批用的一些工艺数据（例如：温度、压力、物流的 质量流量或体积流量、密度、换热量等)： ④包括绘制图例，图画上必要的说明和标注，并按图签规定签署 ⑤必须标注工艺设备，工艺物流线上的主要控制点符及调节阀等。这里指的控制点符包括 被测变量的仪表功能（如调节、纪录、指示、积算、连锁、报警、分析、检测及集中，就地仪表等）。 流程图的绘制步骤如下： ①用细实线(0.3mm)画出设备简单外形，设备一般按1：100或1：50的比例绘制，如某种设备 过高（如精馏塔），过大或过小，则可适当放大或缩小： ②常用设备外形可参照图11所示，对于无示例的设备可绘出其象征性的简单外形，表明 设备的特征即可： ③用粗实线(0.9mm)画出连接设备的主要物料管线，并注出流向箭头： ④物料平衡数据可直接在物料管道上用细实线引出并列成表： ⑤辅助物料管道（如冷却水、加热蒸汽等），用中粗实线(0.6mm)表示： ⑥设备的布置原则上按流程图由左至右，图上一律不标示设备的支脚、支架和平台等 般情况下也不标注尺寸。 .2
- 2 - ⑦设计结果汇总表； ⑧设计评述及设计者对本设计有关问题的讨论； ⑨工艺流程图及设备工艺条件图； ⑩参考资料。 （2）课程设计的步骤 ①动员和布置任务； ②阅读指导书和查阅资料； ③设计计算,绘图和编写说明书； ④考核和答辩。 整个设计是由论述、计算和绘图三部分组成。论述应该条理清晰，观点明确；计算要求方 法正确，误差小于设计要求，计算公式和所用数据必须注明出处；图表应能简要表达计算的结 果。 (3) 带控制点的工艺流程图的绘制 带控制点的工艺流程图是一种示意性的图样,它以形象的图形、符号、代号表示出化工设备、 管路、附件和仪表自控等，借以表达出一个生产中物料及能量的变化始末。工艺流程图绘制范 围如下： 必须反映出全部工艺物料和产品所经过的设备； ①应全部反映出主要物料管路，并表达出进出装置界区的流向； ②冷却水、冷冻盐水、工艺用的压缩空气、蒸汽(不包括副产品蒸汽)及蒸汽冷凝液系统等 的整套设备和管线不在图内表示，仅示意工艺设备使用点的进出位置； ③标出有助于用户确认及上级或有关领导审批用的一些工艺数据(例如:温度、压力、物流的 质量流量或体积流量、密度、换热量等)； ④包括绘制图例，图画上必要的说明和标注，并按图签规定签署； ⑤必须标注工艺设备，工艺物流线上的主要控制点符及调节阀等。这里指的控制点符包括 被测变量的仪表功能(如调节、纪录、指示、积算、连锁、报警、分析、检测及集中,就地仪表等)。 流程图的绘制步骤如下： ①用细实线(0.3mm)画出设备简单外形，设备一般按 1:100 或 1:50 的比例绘制，如某种设备 过高(如精馏塔)，过大或过小，则可适当放大或缩小； ②常用设备外形可参照图 1-1 所示，对于无示例的设备可绘出其象征性的简单外形，表明 设备的特征即可； ③用粗实线(0.9mm)画出连接设备的主要物料管线，并注出流向箭头； ④物料平衡数据可直接在物料管道上用细实线引出并列成表； ⑤辅助物料管道(如冷却水、加热蒸汽等)，用中粗实线(0.6mm)表示； ⑥设备的布置原则上按流程图由左至右，图上一律不标示设备的支脚、支架和平台等，一 般情况下也不标注尺寸
工艺物料的介质代码自行编制。 ·般以分子式及其编写字母表示。辅助物料如公用系统介 质代号规定如表1-1。 表1-1辅助物料和共用系数介质代号 代号 中文名称 代号 中文名称 水 蒸汽 BW 锅炉给水 HS 高压蒸汽 B服 盐水 低压蒸六 BRR 盐水回水 中压蒸汽 BRS 盐水补给水 C 冷凝液 CW (循环冷却水 PWW 生产废水 CWR (循环)冷却回水 CS 化学污水 名 冷却水 冷冻回水 (用于零度以上) 图上应标注单元设备的代号，单元设备分类代号见表1-2 表1-2单元设备分类代号 单元设备 代号 单元设备 代号 现场装置，基础，混凝土构件 A 炉子 B 转化器，反应器，再生器 换热器 槽、储键 塔 系、压缩机、风机、驱动机和鼓风机 管道 M 特殊装置 L 电气 N 仪表 Q (4)主体设备工艺条件图（此部分内容教师可根据具体题目有选择的要求） 主体设备是指在每个单元操作中处于核心地位的关键设备，如传热中的换热器，蒸发中的 蒸发器，蒸馏和吸收中的塔设备（板式塔和填料塔），干燥中的干燥器等。一般，主体设备在不 同单元操作中是不同的，即使同一设备在不同单元操作中其作用也不相同，如某一设备在某个 单元操作中为主体设备，而在另一单元操作中就可变为辅助设备。例如，换热器在传热中为主 体设备，而在精馏或干燥操作中就变为辅助设备。泵、压缩机等也有类似情况。 主体设备工艺条件图是将设备的结构设计和工艺尺寸的计算结果用一张总图表示出来。图 面上应包括如下内容： ①设备图形指主要尺寸（外形尺寸、结构尺寸、连接尺寸）人接管、人孔等： ②技术特性指装置的用途、生产能力、最大允许压强、最高介质温度、介质的毒性和爆 炸危险性： -3
- 3 - 工艺物料的介质代码自行编制，一般以分子式及其编写字母表示。辅助物料如公用系统介 质代号规定如表 1-1。 表 1-1 辅助物料和共用系数介质代号 图上应标注单元设备的代号，单元设备分类代号见表 1-2。 表 1-2 单元设备分类代号 单元设备 代号 单元设备 代号 现场装置,基础,混凝土构件 转化器,反应器,再生器 槽、储罐 泵、压缩机、风机、驱动机和鼓风机 特殊装置 仪表 A D F J L Q 炉子 换热器 塔 管道 电气 B C E M N (4)主体设备工艺条件图(此部分内容教师可根据具体题目有选择的要求) 主体设备是指在每个单元操作中处于核心地位的关键设备，如传热中的换热器，蒸发中的 蒸发器，蒸馏和吸收中的塔设备(板式塔和填料塔)，干燥中的干燥器等。一般，主体设备在不 同单元操作中是不同的，即使同一设备在不同单元操作中其作用也不相同，如某一设备在某个 单元操作中为主体设备，而在另一单元操作中就可变为辅助设备。例如，换热器在传热中为主 体设备，而在精馏或干燥操作中就变为辅助设备。泵、压缩机等也有类似情况。 主体设备工艺条件图是将设备的结构设计和工艺尺寸的计算结果用一张总图表示出来。图 面上应包括如下内容: ①设备图形 指主要尺寸(外形尺寸、结构尺寸、连接尺寸)、接管、人孔等； ②技术特性 指装置的用途、生产能力、最大允许压强、最高介质温度、介质的毒性和爆 炸危险性； 代号 中文名称 代号 中文名称 W 水 S 蒸汽 BW 锅炉给水 HS 高压蒸汽 BR 盐水 LS 低压蒸汽 BRR 盐水回水 MS 中压蒸汽 BRS 盐水补给水 C 冷凝液 CW (循环)冷却水 PWW 生产废水 CWR (循环)冷却回水 CS 化学污水 RW 冷却水 (用于零度以上) RW 冷冻回水
③设备组成一览表注明组成设备的各部件的名称等。 应予以指出，以上设计全过程统称为设备的工艺设计。完整的设备设计，应在上述工艺设计基 础上再进行机械强度设计，最后提供可供加工制造的施工图。这一环节在高等院校的教学中， 属于化工机械专业中的专业课程，在设计部门则属于机械设计组的职责。 资 园 需定T银式 U试试 平新式 片 显式气粑 图1-1流程图设备外形图例 .4
- 4 - ③设备组成一览表 注明组成设备的各部件的名称等。 应予以指出，以上设计全过程统称为设备的工艺设计。完整的设备设计，应在上述工艺设计基 础上再进行机械强度设计，最后提供可供加工制造的施工图。这一环节在高等院校的教学中， 属于化工机械专业中的专业课程，在设计部门则属于机械设计组的职责。 图 1-1 流程图设备外形图例
第二章管壳式换热器的设计和选用 化工生产中所用的换热器类型很多，按其用途分，有加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和 再沸器等。按其结构分，有列管式、板式等。不同类型换热器，其性能各异，因此要了解各种 换热器的特点，以便根据工艺要求选用适当类型，同时还要根据传热的基本原理，选择流程， 确定换热器的基本尺寸，计算传热面积以及计算流体阻力等。 本章着重对列管式换热器的设计进行详细介绍。 2.1设计和选用时应考虑的问题 ()冷热流体流动通道的选择 、不洁净或易结垢的液体宜在管程，因管内清洗方便，但U形管式的不宜走管程： b、离蚀性流体宜在管程，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，饱和蒸汽比较清洁，而且冷凝液容易排出 ©、被冷却的流体宜走壳程，便于散热： 「、若两流体温差大，对于刚性结构的换热器，宜将给热系数大的流体通入壳程，以减小热 应： g、流量小而粘度大的流体一般以壳程为宜，因在壳程>IO0即可达到湍流。但这不是绝 对的，如果流动阻力损失允许，将这种流体通入管内并采用多管程结构，反而会得到更高的给 热系数。 以上各点常常不可能同时满足，而且有时还会相互矛后，故应根据具体情况，抓住主要问 题，作出适宜的决定。 (2)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，对流传热系数越大，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。 (3)换热管规格和排列选择 换热管直径越小，换热器单位容积的传热面积越大。因此对于洁净的流体可完管径可取得 小些。但对于不洁净或易结垢的流体，管径应取的大些，以免堵塞。为了制造和维修的方便， 国内目前常见的系列标准规定采用019×2mm和25×2.5mm两种规格，管长有1.5、20、3.0 6.0m,排列方式：正三角形、正方形直列和错列排列，见图2-1
- 5 - 第二章 管壳式换热器的设计和选用 化工生产中所用的换热器类型很多，按其用途分，有加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和 再沸器等。按其结构分，有列管式、板式等。不同类型换热器，其性能各异，因此要了解各种 换热器的特点，以便根据工艺要求选用适当类型，同时还要根据传热的基本原理，选择流程， 确定换热器的基本尺寸，计算传热面积以及计算流体阻力等。 本章着重对列管式换热器的设计进行详细介绍。 2.1 设计和选用时应考虑的问题 (1) 冷热流体流动通道的选择 a、不洁净或易结垢的液体宜在管程，因管内清洗方便，但 U 形管式的不宜走管程； 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，饱和蒸汽比较清洁，而且冷凝液容易排出； e、被冷却的流体宜走壳程，便于散热； f、若两流体温差大，对于刚性结构的换热器，宜将给热系数大的流体通入壳程，以减小热 应力； g、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，如果流动阻力损失允许，将这种流体通入管内并采用多管程结构，反而会得到更高的给 热系数。 以上各点常常不可能同时满足，而且有时还会相互矛盾，故应根据具体情况，抓住主要问 题，作出适宜的决定。 (2) 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，对流传热系数越大，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。 (3) 换热管规格和排列选择 换热管直径越小，换热器单位容积的传热面积越大。因此对于洁净的流体可完管径可取得 小些。但对于不洁净或易结垢的流体，管径应取的大些，以免堵塞。为了制造和维修的方便， 国内目前常见的系列标准规定采用19×2mm 和25×2.5mm 两种规格，管长有 1.5、2.0、3.0、 6.0m，排列方式：正三角形、正方形直列和错列排列，见图 2-1
C (1)正三角形排列（②）正方形排列（③）正方形错列 图2-1换热管排列方式 各种排列方式的优点： [正方形排列：易清洗，但给热效果较差 正方形错列：可提高给热系数 等边三角形：排列紧凑管外流体湍流程度高。给热系数大 (4)折流挡板 安装折流挡板的目的是为提高壳程对流传热系数，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2-2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。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。 死区 烈 a切除过少b.切除适当c切除过多 图2-2挡板切除对流动的影响 2.2管壳式换热器的给热系数 给热系数包括管内流动的给热系数和壳程给热系数，管内流体的给热系数前面已经学过， 而壳程的给热系数与折流挡板的形状、板间距，管子的排列方式、管径及管中心距等因素有关。 壳程中由于设有折流挡板，流体在壳程中横向穿过管束，流向不断变化，湍动增强，当R>I00 即可达到湍流状态。 2.2.1流体在圆形直管内的强制湍流 Nu=0.Pr .6
- 6 - 图 2-1 换热管排列方式 各种排列方式的优点： 等边三角形：排列紧凑，管外流体湍流程度高，给热系数大 正方形错列：可提高给热系数 正方形排列：易清洗，但给热效果较差 (4)折流挡板 安装折流挡板的目的是为提高壳程对流传热系数，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 2-2 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。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。 a.切除过少 b.切除适当 c.切除过多 图 2-2 挡板切除对流动的影响 2.2 管壳式换热器的给热系数 给热系数包括管内流动的给热系数和壳程给热系数，管内流体的给热系数前面已经学过， 而壳程的给热系数与折流挡板的形状、板间距，管子的排列方式、管径及管中心距等因素有关。 壳程中由于设有折流挡板，流体在壳程中横向穿过管束，流向不断变化，湍动增强，当 Re 100 即可达到湍流状态。 2.2.1 流体在圆形直管内的强制湍流 k Nu 0.023Re Pr 0.8 =
a-0m号9学 使用范围：Re>10000,0.71,即PP,>P3。因此，液体被加热时，n取0.4：冷 却时，取0.3。对于气体，其粘度随温度升高而增大，气体被加热时层流底层增厚，气体的导 热系数随温度升高也略有升高，总的结果使对流传热系数减少。气体被加热时的对流传热系数 必小于冷却时的对流传热系数。由于大多数气体的Pr<1,即P4<P3,故同液体一样，气体被 加热时n取0.4，冷却时n取0.3. 通过以上分析可知，温度对近处层流底层内流粘度的影响，会引起近壁流层内速度分布的 变化，故整个截面上的速度分布也将产生相应的变化。 (4)特征速度为管内平均流速。 以下是对上面的公式进行修正： a.高粘度 要考虑壁面温度变化引起粘度变化对a的影响（μ是在t下：而μw是在tw下）。在实际中， 由于壁温难以测得，工程上近似处理为： 对于液体，加热时：（丛）04=1.05，冷却时：(“)14=0.5 b.过渡区 2300<Re<10000时，先按湍流计算a,然后乘以校正系数 过渡区内流体比剧烈的湍流区内的流体的R小，流体流动的湍动程度减少，层流底层变厚， a减小。 ©.流体在弯管中的对流传热系数 先按直管计算，然后乘以校正系数 f=0*1,n -7
- 7 - p k du c d 0.023 ( ) ( ) 0.8 = 使用范围：Re>10000，0.750 注意事项： （1）定性温度取流体进出温度的算术平均值 tm； （2）特征尺寸为管内径 di； （3）流体被加热时，k＝0.4，流体被冷却时，k＝0.3； 上述 n 取不同值的原因主要是温度对近壁层流底层中流体粘度的影响。当管内流体被加热 时，靠近管壁处层流底层的温度高于流体主体温度；而流体被冷却时，情况正好相反。对于液 体，其粘度随温度升高而降低，液体被热时层流底层减薄，大多数液体的导热系数随温度升高 也有所减少，但不显著，总的结果使对流传热系数增大。液体被加热时的对流传热系数必大于 冷却时的对流传热系数。大多数液体的 Pr>1,即 Pr0.4>Pr0.3。因此，液体被加热时，n 取 0.4；冷 却时，n 取 0.3。对于气体，其粘度随温度升高而增大，气体被加热时层流底层增厚，气体的导 热系数随温度升高也略有升高，总的结果使对流传热系数减少。气体被加热时的对流传热系数 必小于冷却时的对流传热系数。由于大多数气体的 Pr<1，即 Pr0.4<Pr0.3，故同液体一样，气体被 加热时 n 取 0.4，冷却时 n 取 0.3。 通过以上分析可知，温度对近处层流底层内流粘度的影响，会引起近壁流层内速度分布的 变化，故整个截面上的速度分布也将产生相应的变化。 （4）特征速度为管内平均流速。 以下是对上面的公式进行修正： a．高粘度 0.8 0.33 0.14 0.027 ( ) ( ) ( ) w p du c d = 要考虑壁面温度变化引起粘度变化对的影响（是在 tm下；而W 是在 tw 下）。在实际中， 由于壁温难以测得，工程上近似处理为： 对于液体，加热时： ( ) 1.05 0.14 = w ，冷却时： ( ) 0.95 0.14 = w b．过渡区 2300<Re<10000 时，先按湍流计算，然后乘以校正系数 1 Re 6 10 1.0 0.8 5 f = − 过渡区内流体比剧烈的湍流区内的流体的 Re 小，流体流动的湍动程度减少，层流底层变厚， 减小。 c．流体在弯管中的对流传热系数 先按直管计算，然后乘以校正系数 f (1 1.77 ) R d f = +
式中 —管径 R一弯管的曲率半径。 由于弯管处受离心力的作用，存在二次环流，湍动加剧，α增大。 2.2.2流体在圆形直管内的强制层流 特点：1)物性特别是粘度受管内温度不均匀性的影响，导致速度分布受热流方向影响。2) 层流的对流传热系数受自然对流影响严重使得对流传热系数提高。3)层流要求的进口段长度长， 实际进口段小时，对流传热系数提高。 (1)GrI0,Vd60 定性温度、特征尺寸取法与前相同，按壁温确定，工程上可近似处理为： 对于液体，加热时：（片“=105，冷却时：（片=0奶 (2)G>25000时，自然对流的影响不能忽略时，乘以校正系数f=0.81+0.015G3) 在换热器设计中，应尽量避免在强制层流条件下进行传热，因为此时对流传热系数小，从 而使总传热系数也很小。 2.2.3流体在换热器管壳间流动 一般在列管换热器的壳程加折流挡板，折流挡板分为圆形和圆缺形两种。由于装有不同形 式的折流挡板，流动方向不断改变，在较小的Re下(Re=IO0)即可达到湍流， 圆缺形折流挡板，弓形高度25%D,α的计算式： Nn=0.36Res5Pr⅓(L)04 4 适用范围：Re=2×103~106. 定性温度：进、出口温度平均值：tw一u 特征尺寸：(1)当量直径d。 参图2-3 正方形推列：d=4-0.785d2 d 图2-3d。的计算 -8
- 8 - 式中 d──管径； R──弯管的曲率半径。 由于弯管处受离心力的作用，存在二次环流，湍动加剧，增大。 2.2.2 流体在圆形直管内的强制层流 特点：1）物性特别是粘度受管内温度不均匀性的影响，导致速度分布受热流方向影响。2） 层流的对流传热系数受自然对流影响严重使得对流传热系数提高。3）层流要求的进口段长度长， 实际进口段小时，对流传热系数提高。 （1）Gr60 定性温度、特征尺寸取法与前相同，w 按壁温确定，工程上可近似处理为： 对于液体，加热时： ( ) 1.05 0.14 = w ，冷却时： ( ) 0.95 0.14 = w （2）Gr>25000 时，自然对流的影响不能忽略时，乘以校正系数 08(1 0 015 ) 1/ 3 f = . + . Gr 在换热器设计中，应尽量避免在强制层流条件下进行传热，因为此时对流传热系数小，从 而使总传热系数也很小。 2.2.3 流体在换热器管壳间流动 一般在列管换热器的壳程加折流挡板，折流挡板分为圆形和圆缺形两种。由于装有不同形 式的折流挡板，流动方向不断改变，在较小的 Re 下（Re=100）即可达到湍流。 圆缺形折流挡板，弓形高度 25%D，的计算式： 3 0.14 1 0.55 0.36Re Pr ( ) w Nu = 适用范围：Re=2×103～106。 定性温度：进、出口温度平均值；tw→μw。 特征尺寸：（1）当量直径 de 参图 2-3 正方形排列： 0 2 0 2 4( 0.785 ) d t d de − = 图 2-3 de的计算