热水冷却器课程设计.doc

南 京 工 业 大 学材料工程原理B课程设计设计题目： 热水冷却器的设计 专 业： 班 级： 高材 学 号： 姓 名： 日 期： 指导教师： 设计成绩： 日 期： 设计任务书（1） 设计题目热水冷却器的设计（2） 设计任务及操作条件 1.处理能力 t/a热水 2.设备型式 锯齿形板式换热器 3.操作条件（1） 热水：入口温度80，出口温度60 （2）冷却介质：循环水，入口温度32，出口温度 40（3）允许压强降：不大于5105Pa （4）每年按330天计，每天24小时连续运行 4.建厂地址 天津地区 （三）设计要求 选择适宜的锯齿形式板式换热器并进行核算。 目 录 1 概述1.1 板式换热器的基本结构.41.2板式换热器的优缺点.61.3板式换热器与管式换热器的比较.71.4板式换热器的实际应用.8 2 设计方案简介2.1板式换热器的选型.92.2板式换热器的优化设计方向.102.3 工艺流程简图 .13 3 热水冷却器的设计工艺计算3.1符号说明.143.2定性温度下的物性数据 .143.3计算热负荷 . .15 3.4计算平均温度差.153.5初估换热面积及初选板型.153.6核算总传热系数K.163.7估算传热面积.183.8计算压力降.18 4 辅助设备的选择与计算4.1泵的选择.19 5 设计结果概要.21 附录 工艺流程图.23 主体设备图.24参考资料.25设计小结.26 1 概述板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。各种板片之间形成薄矩形通道，通过半片进行热量交换。板式换热器是液液、液汽进行热交换的理想设备。1.1 板式换热器的基本结构1.1.1整体结构1.1.2 组装型式 板式换热器的流程是根据实际操作的需要设计和选用的，而流程的选用和设计是根据板式换热器的传热方程和流体阻力进行计算的。图为三种典型的组装型式。 串联流程 并联流程 混合流程 板式换热器组装型式的表示方法为： 式中：，表示程数；，表示每程流道数；原则上规定分子上为热流体流程，分母上为冷流体流程。1.1.3 传热板片 传热板片是板式换热器的关键元素，板片的性能直接影响整个设备的技术经济性能。为了增加有效的传热面积，将板片冲压成有规则的波纹，板片的波纹形状及结构尺寸的设计主要考虑以下两个因素：一是提高板的刚性，能耐较高的压力：二是使介质在低流速下发生强烈湍流，从而强化传热过程。 板片按波纹几何形状区分有：水平平直波纹、人字形波纹、斜波纹、锯齿形波纹、球形波纹、竖直波纹等波纹板片。1.1.4 密封垫片 板式换热器是通过压板压紧垫片，达到密封。垫片材料广泛采用天然橡胶、丁腈橡胶、氯丁橡胶、丁苯橡胶、丁酯橡胶、硅橡胶和氟橡胶等。橡胶垫片具有不耐有机溶剂腐蚀的特点。1.2 板式换热器的优缺点1.2.1板式换热器优点 (1)换热效率高,热损失小在最好的工况条件下, 换热系数可以达到, 在一般的工况条件下, 换热系数也可以在30004000 左右,是管壳式换热器的35倍。设备本身不存在旁路,所有通过设备的流体都能在板片波纹的作用下形成湍流,进行充分的换热。完成同一项换热过程, 板式换热器的换热面积仅为管壳式的1/ 31/ 4。 (2)占地面积小重量轻除设备本身体积外, 不需要预留额外的检修和安装空间。换热所用板片的厚度仅为0. 60. 8mm。同样的换热效果, 板式换热器比管壳式换热器的占地面积和重量要少五分之四。 (3)污垢系数低流体在板片间剧烈翻腾形成湍流, 优秀的板片设计避免了死区的存在, 使得杂质不易在通道中沉积堵塞,保证了良好的换热效果。 (4)检修、清洗方便换热板片通过夹紧螺柱的夹紧力组装在一起,当检修、清洗时, 仅需松开夹紧螺柱即可卸下板片进行冲刷清洗。 (5)产品适用面广 设备最高耐温可达180, 耐压2.0MPa , 特别适应各种工艺过程中的加热、冷却、热回收、冷凝以及单元设备食品消毒等方面, 在低品位热能回收方面, 具有明显的经济效益。各类材料的换热板片也可适应工况对腐蚀性的要求。1.1.2板式换热器的缺点 （1）允许操作压力较低，最高不超过1961kPa，否则容易渗漏。 （2）操作温度不能太高，因为垫片耐热性能的限制，如对合成橡胶垫圈不高于130，对压缩石棉垫圈也应低于250。 （3）处理量不大，因板间距小，流道截面较小，流速亦不能过大。板式换热器缺点是密封周边较长，容易泄漏，使用温度只能低于150，承受压差较小，处理量较小，一旦发现板片结垢必须拆开清洗。1.3板式换热器与管壳式换热器的比较（1）传热系数高由于不同的波纹板相互倒置，构成复杂的流道，使流体在波纹板间流道内呈旋转三维流动，能在较低的雷诺数（一般Re=50200）下产生紊流，所以传热系数高，一般认为是管壳式的35倍。（2）对数平均温差大，末端温差小在管壳式换热器中，两种流体分别在管程和壳程内流动，总体上是错流流动，对数平均温差修正系数小，而板式换热器多是并流或逆流流动方式，其修正系数也通常在0.95左右，此外，冷、热流体在板式换热器内的流动平行于换热面、无旁流，因此使得板式换热器的末端温差小，对水换热可低于1，而管壳式换热器一般为5.（3）占地面积小板式换热器结构紧凑，单位体积内的换热面积为管壳式的25倍，也不像管壳式那样要预留抽出管束的检修场所，因此实现同样的换热量，板式换热器占地面积约为管壳式换热器的1/51/10。（4）容易改变换热面积或流程组合，只要增加或减少几张板，即可达到增加或减少换热面积的目的；改变板片排列或更换几张板片，即可达到所要求的流程组合，适应新的换热工况，而管壳式换热器的传热面积几乎不可能增加。（5）重量轻板式换热器的板片厚度仅为0.40.8mm，而管壳式换热器的换热管的厚度为2.02.5mm，管壳式的壳体比板式换热器的框架重得多，板式换热器一般只有管壳式重量的1/5左右。（6） 价格低采用相同材料，在相同换热面积下，板式换热器价格比管壳式约低40%60%。（7） 制作方便板式换热器的传热板是采用冲压加工，标准化程度高，并可大批生产，管壳式换热器一般采用手工制作。（8） 容易清洗框架式板式换热器只要松动压紧螺栓，即可松开板束，卸下板片进行机械清洗，这对需要经常清洗设备的换热过程十分方便。（9） 热损失小板式换热器只有传热板的外壳板暴露在大气中，因此散热损失可以忽略不计，也不需要保温措施。而管壳式换热器热损失大，需要隔热层。（10）容量较小是管壳式换热器的10%20%。（11）单位长度的压力损失大由于传热面之间的间隙较小，传热面上有凹凸，因此比传统的光滑管的压力损失大。1.4 板式换热器的实际应用 板式换热器已广泛应用于冶金、矿山、石油、化工、电力、医药、食品、化纤、造纸、轻纺、船舶、供热等部门，可用于加热、冷却、蒸发、冷凝、杀菌消毒、余热回收等各种情况。1).太阳能利用行业：参与太阳能集热板中传热介质乙二醇等防冻液热量交换过程，以达到利用太阳能目的。化学工业制造氧化钛、酒精发酵、合成氨、树脂合成、制造橡胶、冷却磷酸、冷却甲醛水、碱炭工业、电解制碱。 2).钢铁工业：冷却淬火油，冷却电镀用液、冷却减速器润滑油、冷却轧制机、拉丝机冷却液。 3).冶金行业：铝酸盐母液的加热和冷却，冷却铝酸钠，炼铝轧机润滑油冷却。 4).机械制造业：各种淬火液冷却，冷却压力机、工业母机润滑油，加热发动机用油 5).食品工业：制盐，乳品，酱油，醋的杀菌、冷却，动植物油加热、冷却，啤酒生产中啤酒、麦芽汁的加热冷却，制糖，明胶浓缩，杀菌、冷却，制造谷氨酸钠。 6).纺织工业：各种废液热回收，沸腾磷化纤维的冷却，冷却粘胶液，醋酸和酸醋酐的冷却，冷却碱水溶液，粘胶丝的加热和冷却。 7).造纸工业：冷却黑水，漂白用盐、碱液的加热、冷却，玻璃纸废液的热回收，加热蒸煮酸，冷却氢氧化钠水溶液，回收漂白张纸的废液，排气的凝缩，预热浓缩纸浆似的废液。 8).集中供暖：热电厂废热区域供暖，加热生活用水，锅炉区域供暖 9).油脂工业：加热、冷却合成洗涤剂，加热鲸油，冷却植物油，冷却氢氧化钠，冷却甘油、乳化油。 10).电力工业：发电机轴泵冷却，变压器油冷却。 11).船 舶：柴油机，中央冷却器，卸套水冷却器，活塞冷却器，润滑油冷却器，预热器，海水淡化系统（包括多级及单级） 12).海水养殖育苗行业：配套锅炉给育苗海水升温已节约煤炭的使用，从而节能环保提高效率。 13).其 他:医药、石油、建陶、玻璃、水泥、地热利用等。2 板式换热器的选型及优化2.1板式换热器的选型2.1.1板型的选取板片型式或波纹式应根据换热场合的实际需要而定。对流量大允许压降小的情况，应选用阻力小的板型，反之选用阻力大的板型。根据流体压力和温度的情况，确定选择可拆卸式，还是钎焊式。确定板型时不宜选择单板面积太小的板片，以免板片数量过多，板间流速偏小，传热系数过低，对较大的换热器更应注意这个问题。2.1.2 流速的选取 流体在板间的流速影响换热性能和流体的压降，流速高固然换热系数高，但流体压降也增大，反之则情况相反。一般板间平均流速为0.20.8m/s。流速低于0.2m/s时流体就达不到湍流状态且会形成较大的死角区，流速过高则会导致阻力降剧增。2.1.3 流程的选取 对于一般对称型流通的板式换热器，两流体的体积流量大致相当时，应尽可能按等程布置，若两侧流量相差悬殊时，则流量小的一侧可按多程布置。另外，当某一介质温升或温降幅度较大时，也可采取多程布置。2.1.4 流向的选取 单相换热时，逆流具有最大的平均传热温差。在一般换热器的设计中都尽量把流体布置为逆流。2.2. 板式换热器的优化设计方向2.2.1板式换热器的优化方法（1）提高传热效率板式换热器是间壁传热式换热器，冷热流体通过换热器板片传热，流体与板片直接接触，传热方式为热传导和对流传热。提高板式换热器传热效率的关键是提高传热系数和对数平均温差。提高换热器传热系数只有同时提高板片冷热两侧的表面传热系数，减小污垢层热阻，选用热导率高的板片，减小板片的厚度，才能有效提高换热器的传热系数。提高板片的表面传热系数由于板式换热器的波纹能使流体在较小的流速下产生湍流(雷诺数一150时 )，因此能获得较高的表面传热系数，表面传热系数与板片波纹的几何结构以及介质的流动状态有关。板片的波形包括人字形、平直形、球形等。经过多年的研究和实验发现，波纹断面形状为三角形(正弦形表面传热系数最大，压力降较小，受压时应力分布均匀，但加工困难)的人字形板片具有较高的表面传热系数，且波纹的夹角越大，板间流道内介质流速越高，表面传热系数越大。减小污垢层热阻减小换热器的污垢层热阻的关键是防止板片结垢。板片结垢厚度为1 mm时，传热系数降低约10%。因此，必须注意监测换热器冷热两侧的水质，防止板片结垢，并防止水中杂物附着在板片上。有些供热单位为防止盗水及钢件腐蚀，在供热介质中添加药剂，因此必须注意水质和黏性药剂引起杂物沾污换热器板片。如果水中有黏性杂物，应采用专用过滤器进行处理。选用药剂时，宜选择无黏性的药剂。选用热导率高的板片板片材质可选择奥氏体不锈钢、钛合金、铜合金等。不锈钢的导热性能好，热导率约14.4 W/(mK) ，强度高，冲压性能好，不易被氧化，价格合金和铜合金低，供热工程中使用最多，但其耐氯离子腐蚀的能力差比钛。减小板片厚度板片的设计厚度与其耐腐蚀性能无关，与换热器的承压能力有关。板片加厚，能提高换热器的承压能力。采用人字形板片组合时，相邻板片互相倒置，波纹相互接触，形成了密度大、分布均匀的支点，板片角孑L及边缘密封结构已逐步完善，使换热器具有很好的承压能力。国产可拆式板式换热器最大承压能力已达到了2.5 MPa。板片厚度对传热系数影响很大，厚度减小0.1mm，对称型板式换热器的总传热系数约增加600W/(m K)，非对称型约增加500 W/(m K) 。在满足换热器承压能力的前提下，应尽量选用较小的板片厚度。（2）提高对数平均温差板式换热器流型有逆流、顺流和混合流型(既有逆流又有顺流)。在相同工况下，逆流时对数平均温差最大，顺流时最小，混合流型介于二者之问。提高换热器对数平均温差的方法为尽可能采用逆流或接近逆流的混合流型，尽可能提高热侧流体的温度，降低冷侧流体的温度。（3）进出口管位置的确定对于单流程布置的板式换热器，为检修方便，流体进出口管应尽可能布置在换热器固定端板一侧。介质的温差越大，流体的自然对流越强，形成的滞留带的影响越明显，因此介质进出口位置应按热流体上进下出，冷流体下进上出布置，以减小滞留带的影响，提高传热效率。2.2.2降低换热器阻力的方法提高板问流道内介质的平均流速，可提高传热系数，减小换热器面积。但提高流速，将加大换热器的阻力，提高循环泵的耗电量和设备造价。循环泵的功耗与介质流速的3次方成正比，通过提高流速获得稍高的传热系数不经济。当冷热介质流量比较大时，可采用以下方法降低换热器的阻力，并保证有较高的传热系数。（1）采用热混合板热混合板的板片两面波纹几何结构相同，板片按人字形波纹的夹角分为硬板(H)和软板(L)，夹角(一般为120左右)大于90为硬板，夹角(一般为70左右)小于90为软板。热混合板硬板的表面传热系数高，流体阻力大，软板则相反。硬板和软板进行组合，可组成高(HH)、中(HL)、低(LL)3种特性的流道，满足不同工况的需求。冷热介质流量比较大时，采用热混合板比采用对称型单流程的换热器可减少板片面积。热混合板冷热两侧的角孔直径通常相等，冷热介质流量比过大时，冷介质一侧的角孑L压力损失很大。另外，热混合板设计技术难以实现精确匹配，往往导致节省板片面积有限。因此，冷热介质流量比过大时不宜采用热混合板。（2）采用非对称型板式换热器对称型板式换热器由板片两面波纹几何结构相同的板片组成，形成冷热流道流通截面积相等的板式换热器。非对称型(不等截面积型)板式换热器根据冷热流体的传热特性和压力降要求，改变板片两面波形几何结构，形成冷热流道流通截面积不等的板式换热器，宽流道一侧的角孑L直径较大。非对称型板式换热器的传热系数下降微小，且压力降大幅减小。冷热介质流量比较大时，采用非对称型单流程比采用对称型单流程的换热器可减少板片面积15%一30%。（3）采用多流程组合当冷热介质流量较大时，可以采用多流程组合布置，小流量一侧采用较多的流程，以提高流速，获得较高的传热系数。大流量一侧采用较少的流程，以降低换热器阻力。多流程组合出现混合流型，平均传热温差稍低。采用多流程组合的板式换热器的固定端板和活动端板均有接管，检修时工作量大。（4）设换热器旁通管当冷热介质流量比较大时，可在大流量一侧换热器进出口之问设旁通管，减少进入换热器流量，降低阻力。为便于调节，在旁通管上应安装调节阀。该方式应采用逆流布置，使冷介质出换热器的温度较高，保证换热器出口合流后的冷介质温度能达到设计要求。设换热器旁通管可保证换热器有较高的传热系数，降低换热器阻力，但调节略繁。（5）板式换热器形式的选择换热器板间流道内介质平均流速以0306ms为宜，阻力以不大于100 kPa为宜。根据不同冷热介质流量比，可参照表1选用不同形式的板式换热器，表中非对称型板式换热器流道截面积比为2。采用对称型或非对称型、单流程或多流程板式换热器，均可设置换热器旁通管，但应经详细的热力计算。 2.2.3合理选用板片材质不锈钢板片可能产生腐蚀失效的现象有点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀、均匀腐蚀等，应力腐蚀的发生率较高。由氯离子引起的应力腐蚀最多，板片材质可根据介质中的氯离子质量浓度按表2选用 ，表中304、316代表的不锈钢材料牌号为OCrl8Ni9、0Crl7Nil2Mo2，TA1代表钛合金。 2.3 工艺流程简图 3 热水冷却器的设计工艺计算3.1符号说明 热流体质量流量， 冷流体质量流量， 热水定压比热， 冷水定压比热，平均温差， 校正后的平均温差，K 总传热系数， S 换热面积，雷洛准数，无因次 普兰特准数，无因次 热流体对流传热系数， 冷流体对流给热系数, 材料导热系数, 板材厚度,3.2计算定性温度，并查取定性温度下的物性数据 热水：冷水：查化工原理附录，两流体在定性温度下的物性数据如下表物性流体定性温度密度kg/m3粘度mPas比热容kJ/(kg)导热系数W/(m)热水70977.80.4064.1870.668冷却水36993.60.7094.1740.6283.3计算热负荷式中3.4计算平均温差3.5 初估换热面积及初选板型对于热水与冷却水的换热，列管式换热器的K值大约为8501700W/，而板式换热器的K值为列管式换热器的24倍，则可初估K为2500 W/。初估换热面积初选BJ0.2锯齿形波纹板片的板式换热器，其单通道流通截面积为0.0016，有效单片传热面积0.22。试选组装形式。该式表示其公称换热面积为2.64，热水的程数为2，每程的流道均为3；冷却水的程数为1，其流道为6。因所选板型为混流，故可采用列管式换热器的温差校正系数：查单壳程的温差校正系数图，得初估板式换热面积3.6核算总传热系数K3.6.1计算热水侧的对流给热系数热水在流道内的流速当量直径（为板片波纹高度，即板间距）（在285014600之间）选用0.2锯齿形波纹板片给热系数的计算公式（适用于）3.6.2计算冷却水侧的对流给热系数冷却水的质量流量冷却水在流道内的流速（在285014600之间）（适用于）3.6.3金属板的热阻板材为H62-1，其导热系数，板厚b=3.5（估计值）。3.6.4 污垢热阻由表查得热水侧：冷水侧：3.6.5总传热系数3.7估算传热面积所需传热面积设备实际传热面积安全系数3.8 计算压力降查锯齿形波纹板式换热器曲线图热水侧时，9319.5冷水侧时，137344 辅助设备的选择与计算4.1泵的选择ISWH卧式不锈钢离心泵参数表型号流量扬程m效率%转速r/min电机功率kw汽蚀余量m重量kgISWH40-1604.46.38.333323035404029002.22.347ISWH40-160A4.15.97.8292826.334393929001.52.347ISWH40-160B3.85.57.225.52422.534383729001.12.348ISWH40-2004.46.38.3515048263332290042.348ISWH40-200A4.15.97.8454442263130290032.362ISWH40-200B3.75.37.0383634.529292929002.22.352ISWH40-100I8.812.516.313.212.511.355 62 6029001.12.334ISWH40-100IA81114.510.610960606029000.752.332ISWH40-125IA81114.517161457575729001.12.333ISWH40-160I8.812.516.3333230455251290032.356ISWH40-160IA8.211.715.229282644515029002.22.347ISWH40-160IB7.310.413.5232220.550505029001.52.3434.1.1 对壳程热水所需的泵进行选择计算：由可得，考虑经济因素，从上表中选用ISWH40-160的泵：r=2900（r/min），4.1.2对管程循环水所需的泵进行计算选择：，可得，考虑经济因素，结合上表，选用ISWH40-100I的泵：r=2900（r/min），（便于调节）5 设计结果概要所选换热器的规格如下所选换热器的规格为，其主要技术参数如下：外形尺寸（长宽高）10003001.2有效传热面积.0.22波纹形式.锯齿形波纹高度.5.8法向波纹节距.40流道宽度.280平均板间距.5.8平均流道横截面积.0.0016平均当量直径.11.6板片材料.H62-1换热器主要技术参数和计算结果根据生产任务和设计要求计算，所选的锯齿形板式换热器的主要技术参数和计算结果见表参 数管程（冷水）壳程(热水）流量/(kg/h)15835.176313.13进（出）口温度/32（40）80（60）压力/MPa不大于105Pa物性定性温度/3670密度/(kg/m3)993.6977.8定压比热容/kJ/(kg)4.1744.187黏度/Pas0.0007090.000406热导率/W/(m)0.6280.668设备结构参数规格有效传热面积/m20.22尺寸/mm10003001.2循环水程数1循环水流道数6热水程数2热水流道数3平均流道横截面积/m20.0016平均当量直径/mm11.6波纹高度/mm5.8法向波纹节距/mm40波纹形式锯齿形材质H62-1主要计算结果管程壳程流速/(m/s)0