板式换热器设计－油处理能力7000公斤小时.doc

设计任务书 材料工程导论课程设计 设计题目： 板式换热器设计油处理能力 7000 公斤/小时 专 业： 无机非金属材料 班 级： 学 号： 姓 名： 日 期： 2014.9.1-2014.9.13 指导教师： 设计成绩： 日 期： 设计任务书设计任务书 材料工程原理课程设计 i 1、处理能力 ：板式换热器设计-油处理能力 7000 公斤/小时 2、设备型式 ：板式换热器 3、操作条件 （1）油： 入口温度 100，出口温度 40 （2）冷却介质：冷却塔循环水，入口温度 30，出口温度 50 （3）油侧与水侧允许压强降：不大于 5105pa （4）油定性温度下的物性参数： 名称 （kg/m3 ） cp(kj/)（pas） (w/m) 油 8252.228.6610-40.14 目录目录 第一章设计方案简介 ii 一、设计方案简介一、设计方案简介 1 1.1 板式换热器简介1 1.2 板式换热器的应用1 1.3 板式换热器的组装形式. 2 1.4 设计的一般原则 . 2 二、工艺流程简图二、工艺流程简图 5 三、工艺计算和主题设备设计三、工艺计算和主题设备设计 6 3.1 传热计算 6 3.2 方案一 6 3.3 方案二 8 3.4 方案三 10 3.5 方案四 12 四、设计结果一览表四、设计结果一览表 14 五、附图五、附图 15 六、辅助设备六、辅助设备 18 七、参考文献七、参考文献 19 八、个人感悟八、个人感悟 20 材料工程原理课程设计 iii 第一章设计方案简介 0 一、设计方案简介一、设计方案简介 选择设计方案的原则是保证达到工艺要求的热流量，操作上要安全可靠， 结构上要简单，可维护性好，要能节省操作费用和设备投资，设计方案主要 包括： 1.11.1 板式换热器简介板式换热器简介 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。它具有换热效率高、 热损失小、结构紧凑轻巧、占 地面积小、 安装清洗方便、应用广泛、使用寿命长等特 点。在相同压力损失情况下，其传热系数比 管式换 热器高 3-5 倍，占地面积为管式换 热器的三分之一，热回收率可高达 90%以上。 如右图，在固定压紧板上，交替的安放 一张板片和一个垫圈，然后安放活动压紧板， 旋紧压紧螺栓即构成一台板式换热器。各传热板片按一定的顺序相叠即形成板片间的流 道，冷、热流体在板片两侧各自的流道内流动，通过传热板片进行热交换。 1.21.2 板式换热器应用板式换热器应用 （1） 制冷：用作冷凝器和蒸发器。 （2） 暖通空调：配合锅炉使用的中间换热器、高层建筑中间换热器等。 （3）化学工业：纯碱工业，合成氨，酒精发酵，树脂合成冷却等。 （4）冶金工业：铝酸盐母液加热或冷却，炼钢工艺冷却等。 （5）机械工业：各种淬火液冷却，减速器润滑油冷却等。 材料工程原理课程设计 1 （6）电力工业：高压变压器油冷却，发电机轴承油冷却等。 （7） 造纸工业：漂白工艺热回收，加热洗浆液等。 （8）纺织工业：粘胶丝碱水溶液冷却，沸腾硝化纤维冷却等。 （9）食品工业：果汁灭菌冷却，动植物油加热冷却等。 （10）油脂工艺：皂基常压干燥，加热或冷却各种工艺用液。 （11）集中供热：热电厂废热区域供暖，加热洗澡用水。 （12）其他：石油、医药、船舶、海水淡化、地热利用。 1.31.3 组装形式组装形式 板式换热器是根据实际操作的需要设计和选取的，而流程的选取和设计是根据板式 换热器的传热方程进行计算的，组装形式有三种： （1）串联流程 流体在一程内流经每一垂直流道后，接着就改变方向，流经下一程。 在这种流程中，两流体的主体流 向是逆流，但相邻流道中有并流 也有逆流。 （2）并流流程 流体分别 流入平行的流道，然后汇聚成一 股流出，为单程。 （3）混流流程 为并流流 程和串联流程的组合，在同一流 程内是并联的，而程与程之间为 串联。 1.41.4 设计的一般原则设计的一般原则 1.类型的选择 板式换热器种类较多，每种都有相适应的工况，工程设计中应首先对此作出选择。 a.温度在 200以上，压力大于 2mpa，可以选择钎焊式换热器，若总面积较大，则还 可以选择全焊式换热器； b.温度大于 300，压力大于 3.5mpa，应选择板壳式换热器； 第一章设计方案简介 2 对于末端温差小的工况，可选用浅槽波纹；对于拆卸比较频繁的，可选用拆式换热器； c.对于流量相差较大的，可选用非对称性换热器。 2.板型选择 主要考虑需要达到的换热效果以及压降要求： 若承压要求在 1.2mpa 以上，大多数情况下选择人字形波纹；若压降要求较小而对换热效 果要求不高，可选用平直波纹；若介质中杂质较多，可选用球形波纹；对于压降与换热 效果都有一定要求的工况，还可以选择热混合板片。 3.单片面积的选择 选择合理的单片面积，能够避免总板片数过多或过少。 板片过多会使设备占地面积太大；过少可能会使流程数增多，压降增大； 同时单片面积的大小在一定程度上还与角孔大小有关，直接影响流量和流速。 板片单板面积，角孔直径，单板最大处理量参数图 材料工程原理课程设计 3 4.流速的选取 流体在板间的流速影响换热性能和流体的压力降，流速高换热系数高，但流体的压 力降也增大，反之则情况相反。板间平均流速。流速低于 时流体就达不到湍流状态且会形成较大死角区，流速过高则会导致阻力将 组增。 5.流程的选取 对于一般对成型流到的半式换热器，两流体的体积流量大致向当时，应尽可能按等程 分布，如两侧流体相差悬殊，则流量小的一侧可按多程布置。多程换热器除非特别需要， 一般对同一流体在个程中应采用相同的流道数。 6.流向的选择 换热器采用等程布置，介质的流向能够实现全逆流，获得最大的平均温差；当两侧不 等程时，逆流和顺流会交替出现。 7.流道数的选择 流道数的确定受板间流速的影响，而板间流速的选取有一定的范围，同时还受到允许 压降的制约。当板间流速一定时，流道数的多少取决于流量的大小。 8.垫片材料的选择 选择垫片材料主要考虑耐温和耐腐蚀两个因素。 国产垫片材料的选择可参见下表： 项目氯丁橡胶丁腈橡胶硅橡胶氟橡胶石棉纤维 板 拉断强度， ma =8.00=9.00=7.00=10.007.010.0 拉断伸长率 =300=250=200=200 硬度75+-275+-260+-280+-5 性 能 永久压缩变 形 =20=20=25=25 第 3 章工艺计算和主题设备设计 4 二、工艺流程简图二、工艺流程简图（本换热器主要用于较干燥地区） 确定组装形式图示判据： 此方案可选用 假定流程数 n1，n2 假定流道数 m1，m2 计算tm 及 re，pr 求解1，2 及 k 的值 计算传热面积 a 计算安全系数，若不满足要求，重新假定流程数 计算压降p pp允 如不满足要求，重新假定流道数 材料工程原理课程设计 5 三、工艺计算和主题设备设计三、工艺计算和主题设备设计 3.13.1 传热计算传热计算 1.计算热负荷 q1=qm1cp(t1-t2)= ( 7000/3600)2.22103(10040) =2.59105w=q2 qm2=11169.14 kg/h 2.计算平均温差 逆流平均温度：t1=(100-50) =50 t2=(40-30) =10 tm = （100-50）-（40-30）/(100-50)/(40-30)=24.85 水的定性温度： tm = ( 30+50 )/2 = 40 定性温度下水及油物性数据: 名称 c（kg/m3） cpc(kj/)c（pas） c (w/m) 水992.24.174 6.5310-4 0.635 油8252.22 8.6610-4 0.14 4.初估换热面积及初选板型 粘度大于的油与水换热时，列管式换热器的 k 值大约为 300spa 3 101 800，而板式换热器的传热系数为管式换热器的 24 倍，则可初估 k 为 1200 )( 2 m w 。 )( 2 m w 初估换热面积 s=2.59105/(130024.85)=8.02 m2 3.23.2 混流组装（方案一）混流组装（方案一） 1.初选 br0.1 型板式换热器，其单通道横截面积为 8.410-4m2，实际单板换热面积为 0.1152m2，试选组装形式为 br0.1/。 104 85 8 因所选版型为混流采用列管式换热器的温差校正系数 r=（t1-t2）/(t2-t1)=3; p=(t2-t1)/(t1-t1)=0.286 2.查表可得温差校正系数为 0.96，故 tm=0.96 tm=23.86 初估换热面积 s=2.59105/（23.861300）=8.35 m2 第 4 章设计结果一览表 6 3.核算总传热系数 k (1）油侧的对流传热系数 1 计算油的流速得 u1= 7000 / (360082588.410-4)=0.351 m/s 采用 0.1m2人字形板式换热器，其板间距为 4mm，当量直径为 8mm。 re1=du / = (810-30.351825)/8.6610-4=2675 pr1=cp/ = (2.221038.6610-4)/0.14=13.73 1=0.18(/d)re0.7pr0.43(/w)0.14 油被冷却，取(/w)0.14=0.95 1=0.18(0.14/0.008) 26750.713.730.430.95=2313.98w/(m2). (2）水侧的对流传热系数 2 流速 u2=7000/(3600992.2108.410-4)=0.372 m/s re2=du /=(810-30.372992.2)/6.5310-4=4528 pr2=cp/ =4.29 2=0.18(/d)re0.7pr0.43(/w)0.14 油被加热，取(/w)0.14=1.05 2=0.18(0.635/810-3) 45280.74.290.431.05=10168w/(m2). (3）金属板的热阻 b/w 板材为不锈钢（1cr18ni9ti），其导热系数 w=16.8 w/(m2),板厚为 b=0.8mm，则 b/w=0.0000476 w/(m2) (4）污垢热阻 油侧 r1=0.000052 w/(m2) 水侧 r2=0.000034 w/(m2) (5) 总传热系数 k 1/k=1/1 + 1/2 + b/w + r1 + r2 =1/2313.98+ 1/10168+ 0.0000476 + 0.000052 + 0.000034 材料工程原理课程设计 7 故 k=1506w/(m2) 4.传热面积 s s=q/ktm= 2.59105/(150623.86)=7.2m2 安全系数为 (9.1-7.2)/7.2=26 传热面积的裕度满足工艺要求 5.压降计算 p=1064 re-0.233密度流速 2m(m 为系数) 经计算p1p2 全部满足条件 选板式式换热器满足要求，其规格型号为：br0.1/。 104 85 8 主要性能参数： 外形尺 寸 （mm） 有效传 热面积 （m2） 波纹形 式 （mm） 波纹高 度 （mm） 流道宽 度 （mm） 平均板 距 （mm） 平均流道 横截面积 （m2） 平均当 量直径 （mm） 65223 50.8 0.1152等腰三 角形 1421040.000848 3.33.3 混流组装（方案二）混流组装（方案二）: : 1.初选 br0.1 型板式换热器，其单通道横截面积为 8.410-4m2,实际单板换热面积为 0.1152m2，试选组装 br0.1/。 104 58 8 2.因所选板型为混流，采用列管式换热器的温差校正系数： r=（t1-t2）/(t2-t1)=3.0 p=(t2-t1)/(t1-t1)=0.286 查列管式换热器的温差校正系数为 0.96 tm=0.96 tm=23.86 初估换热面积 s=2.59105/（23.861300）=8.35 m2 3.核算总传热系数 k （1）油侧的对流传热系数 1 第 4 章设计结果一览表 8 计算油的流速得 u1= 7000/(360082558.410-4)=0.561m/s 采用 0.1m2人字形板式换热器，其板间距为 4mm，当量直径为 8mm re1=du/=810-30.561825/8.6610-4=4276 pr1=cp/=2.221038.6610-4/0.14=13.73 1=0.18(/d)re0.7pr0.43(/w)0.14 油被冷却，取(/w)0.14=0.95 1=0.18(0.14/0.008) 42760.713.730.430.95=3213w/(m2) （2）水侧的对流传热系数 2 流速 u2=7000/(3600992.2208.410-4)=0.186 m/s re2=du /= (810-30.186992.2)/6.5310-4=2264 pr2=cp/ =4.29 2=0.18(/d)re0.7pr0.43(/w)0.14 油被加热，取(/w)0.14=1.05 2=0.18(0.635/810-3) 22640.74.290.431.05=6259w/(m2). （3）金属板的热阻 b/w 板材为不锈钢（1cr18ni9ti），其导热系数w=16.8 w/(m2),板厚 为 b=0.8mm，则 b/w=0.0000476 w/(m2) （4）污垢热阻 油侧 r1=0.000052 (m2) / w 水侧 r2=0.000034(m2) / w （5) 总传热系数 k 1/k=1/1 + 1/2 + b/w + r1 + r2 =1/3213+ 1/6259+ 0.0000476 + 0.000052 + 0.000034 故 k=1654 w/(m2) 4.传热面积 s 材料工程原理课程设计 9 s=(2.59105)/(165423.86)=6.56m2 安全系数为(9.1-6.56)/6.56=38.7% 传热面积的裕度可满足工艺要求。 5.压降的计算 p=1064re-0.233密度流速 2m(m 为系数) 油侧 u1=0.561m/s，p 5105pa,满足要求。 水侧 u2=0.186m/s，p 5105pa，满足要求。 选板式式换热器满足要求，其规格型号为：br0.1/ 104 58 8 主要性能参数： 外形尺 寸 （mm） 有效传 热面积 （m2） 波纹形 式 （mm） 波纹高 度 （mm） 流道宽 度 （mm） 平均板 距 （mm） 平均流道 横截面积 （m2） 平均当 量直径 （mm） 65223 50.8 0.1152等腰三 角形 1421040.000848 3.33.3 并流组装并流组装( (方案三方案三) ) 1.初选 br0.2 型板式换热器，其单通道横截面积为 1.0310-3m2,实际单板换热面积为 0.208m2,预估 k 值为 1200，则 s=2.59105/(120024.85)=8.69 m2 试选组装 br0.2/。 122 64 9 2.查表可得温差校正系数为 0.96， 故 tm=0.96tm=23.86 初估换热面积 s=2.59105/（23.861200）=9.04m2 3.核算总传热系数 k （1）油侧的对流传热系数 1 计算油的流速得 u1= 7000/ (360082561.0310-3)=0.381m/s 采用 0.2m2人字形板式换热器，其板间距为 4.1mm，当量直径为 8.2mm。 re1=du / = (8.210-30.381825)/8.6610-4=2976 pr1=cp/ = (2.221038.6610-4)/0.14=13.73 第 4 章设计结果一览表 10 1=0.18(/d)re0.7pr0.43(/w)0.14 油被冷却，取(/w)0.14=0.95 1=0.18(0.14/0.0082) 29760.713.730.430.95=2432.5 w/(m2). （2）水侧的对流传热系数 2 流速 u2=11169.14/(3600992.2121.0310-3)=0.252m/s re2=du /=(8.210-30.252992.2)/6.5310-4=3139.8 pr2=cp/ =4.29 2=0.18(/d)re0.7pr0.43(/w)0.14 水被加热，取(/w)0.14=1.05 2=0.18(0.635/8.210-3) 3139.80.74.290.431.05=7677w/(m2). （3）金属板的热阻 b/w 板材为不锈钢（1cr18ni9ti），其导热系数 w=16.8 w/(m2),板厚为 b=1mm， 则 b/w=0.0000595 w/(m2) （4）污垢热阻 油侧 r1=0.000052 w/(m2) 水侧 r2=0.000034 w/(m2) （5) 总传热系数 k 1/k=1/1 + 1/2 + b/w + r1 + r2 =1/2432.5 + 1/7677+ 0.0000595 + 0.000052 + 0.000034 故 k=1456w/(m2) 4.传热面积 s s=q/ktm= 2.59105/(145623.86)=7.46m2 安全系数为 (8.94-7.46)/7.46=19.8 传热面积的裕度满足工艺要求 5.压降的计算 p=1064re-0.233密度流速 2m(m 为系数) 油侧 u1=0.381m/s，p=10642976-.233 8250.3812 2.8 pa 5105pa,满足要求。 材料工程原理课程设计 11 水侧 u2=0.252m/s，p=10643139-.233 992.20.2522 2.8 pa 5105pa，满足要 求。 选板式式换热器满足要求，其规格型号为：br0.2 / 122 64 9 外形尺 寸 （mm） 有效传 热面积 （m2） 波纹形 式 （mm） 波纹高 度 （mm） 流道宽 度 （mm） 平均板 距 （mm） 平均流道 横截面积 （m2） 平均当 量直径 （mm） 96832 01 0.208等腰三 角形 62664.10.001038.2 3.43.4 混流组装方案四混流组装方案四: : 1.初选 br0.2 型板式换热器，其单通道横截面积为 1.0310-3m2,实际单板换热面积为 0.208m2，试选组装 br0.2/。 122 83 9 2.因所选板型为混流，采用列管式换热器的温差校正系数： r=（t1-t2）/(t2-t1)=3.0 p= (t2-t1)/(t1-t1)=0.286 查列管式换热器的温差校正系数为 0.96 tm=0.96tm=23.86 初估换热面积 s=2.59105/（23.861200）=9.04 m2 3.核算总传热系数 k (1）油侧的对流传热系数 1 计算油的流速得 u1= 7000/(360082581.0310-3)=0.286 m/s 采用 0.2m2人字形板式换热器，其板间距为 4.1mm，当量直径为 8.2mm re1=du/=8.210-30.286825/8.6610-4=2234 pr1=cp/=2.221038.6610-4/0.14=13.73 1=0.18(/d)re0.7pr0.43(/w)0.14 油被冷却，取(/w)0.14=0.95 1=0.18(0.14/0.0082) 29760.713.730.430.95=1990w/(m2) (2)计算水的流速得 第 4 章设计结果一览表 12 流速 u2=11169.14/(3600992.2121.0310-3)=0.252m/s re2=du /=(8.210-30.252992.2)/6.5310-4=3139.8 pr2=cp/ =4.29 2=0.18(/d)re0.7pr0.43(/w)0.14 水被加热，取(/w)0.14=1.05 2=0.18(0.635/8.210-3) 3139.80.74.290.431.05=7677w/(m2). (3）金属板的热阻 b/w 板材为不锈钢（1cr18ni9ti），其导热系数w=16.8 w/(m2),板厚 为 b=1mm，则 b/w=0.0000595 w/(m2) (4）污垢热阻 油侧 r1=0.000052 (m2) / w 水侧 r2=0.000034 (m2) / w (5) 总传热系数 k 1/k=1/1 + 1/2 + b/w + r1 + r2 =1/1990+ 1/7677+ 0.0000595 + 0.000052 + 0.000034 故 k=1258w/(m2) 4.传热面积 s s=(2.59105)/(125823.86)=8.6m2 安全系数为(9.77-8.6)/8.6=13.6% 传热面积的裕度可满足工艺要求。 5.压降的计算 p=1064re-0.233密度流速 2m(m 为系数) 油侧 u1=0.286m/s，p 5105pa,满足要求。 水侧 u2=0.252m/s，p 5105pa，满足要求。 主要性能参数： 外形尺 寸 （mm） 有效传 热面积 （m2） 波纹形 式 （mm） 波纹高 度 （mm） 流道宽 度 （mm） 平均板 距 （mm） 平均流道 横截面积 （m2） 平均当 量直径 （mm） 材料工程原理课程设计 13 方案三、方案三、 四金属热阻较大，四种方案污垢热阻相当，方案二传热系数四金属热阻较大，四种方案污垢热阻相当，方案二传热系数 k k 最大，方案四传热系数相最大，方案四传热系数相 对较小，但是从经济因素以及导热性能综合考虑，方案三较合理，所以选择方案三。对较小，但是从经济因素以及导热性能综合考虑，方案三较合理，所以选择方案三。 96832 01 0.208等腰三 角形 62664.10.001038.2 第 4 章设计结果一览表 14 四、设计结果一览表四、设计结果一览表 参数油水 流量/（kg/h）500011169.14 进/出温度/100/4030/50 定性温度/7040 密度/(kg/m3)825992.2 定压比热容 /(kj/kg.k) 2.224.174 粘度 pa.s 8.6610-46.5310-4 物 性 热导率(w/m.k)0.140.635 外形尺寸（长*宽*高） 6252350.8 有效传热面积，m20.208 波纹形式等腰三角形 波纹高度，mm3.7 流道宽度，mm320 平均板间距，mm4.1 平均流道横截面积，m20.00 设 备 结 构 参 数 平均当量直径，mm8.2 主要计算结果油水 流速（m/s）0.3810.252 表面传热系数/w/(m2.k)24337677 污垢热阻/m2.k/w0.0000520.000034 re 29763140 pr13.734.29 热流量/kw259 传热系数 w/(m2.k)1456 裕度/%19.8% 材料工程原理课程设计 15 五、附图五、附图 第 5 章附图 16 材料工程原理课程设计 17 第六章辅助设备 18 六、辅助设备六、辅助设备 1.1.水泵的选择水泵的选择 水的质量流量 qm=3.1kg/s，体积流量=3.124 10m3/s v q 3 得到=125.7mm，取 d=126mm。 u q d v 4 选取1334mm 水管，管路总长为 20m，其中换热器截面高出蓄水池表面 15m，吸 入管路长 5m。 管内流速 0.252m/s， 雷诺数=3140 e r 取相对粗糙度=0.00156, 查得摩擦系数 d 0.024 截止阀全开时的阻力系数，两个 90弯头的阻力系数0 . 6 1 5 . 1275 . 0 2 则管路的压头损失为 g u d l h f 2 )( 2 =0.036 81 . 9 2 252 . 0 252 . 0 )5 . 16 126 . 0 20024 . 0 ( 则扬程 h=15+0.036=15.036m（水柱） 依据体积流量 qv=11.25m3/h，扬程 h=15+0.036=15.036m（水柱），可从离心泵规格 表中选用型号为 is50-32-125 的离心泵。 2.2.油泵的选择油泵的选择 油的质量流量 qm=1.944kg/s,油的体积流流量=2.3610-3m3/s v q 得到=88.8mm，取 d=89mm u q d v 4 选择1089.5mm 油管，管路总长为 10m， 换热器截面高出泵截面 10m。 管内流速 u=0.381m/s ,雷诺数=2976 e r 第 7 章参考文献 0 取钢管相对粗糙度，=0.00303，查得摩擦系数 =0.027 d 截止阀全开时的阻力系数，0 . 6 1 两个 90弯头的阻力系数，5 . 1275 . 0 2 则管路的压头损失为 g u