板式换热器课程设计.doc

1 南 京 工 业 大 学 材料工程原理 B课程设计 设计题目： 板式换热器设计 2油处理能力 20000 公斤油/小 时 专 业： 高分子材料高分子材料 班 级： 学 号： 姓 名： 日 期： 20132013、1 1、4-20134-2013、1 1、1414 指导教师： 张老师张老师 设计成绩： 日 期： 2 高材高材 10011001 班班-“-“板式换热器设计组板式换热器设计组 2”2”任务书任务书 （一）设计题目 板式换热器设计油处理能力 20000 公斤/小时 （二）设计任务及操作条件 1、处理能力 见下表 2、设备型式 板式换热器 3、操作条件 （1）油： 入口温度 70，出口温度 40 （2）冷却介质：工业硬水，入口温度 20， （3）水的流量为 20000kg/h （4）油侧与水侧允许压强降：不大于 105 Pa （5）油定性温度下的物性参数： 名称 （kg/m3 ） Cp (kj/.) （Pa.s） (W/m.) 油 8501.83.210-30.12 3 目录目录 一、设计方案简介一、设计方案简介.4 1.1 板式换热器简介.4 1.2 板式换热器的应用.5 1.3 板式换热器的组装形式.5 1.4 板式换热器的各种选择.6 （1）类型的选择6 （2）板型的选择6 （3）单片面积的选择6 （4）流速的选择7 （5）流程的选择7 （6）流向的选择7 （7）流道数的选择8 二、工艺流程简图二、工艺流程简图.8 三、工艺计算和主题设备设计三、工艺计算和主题设备设计.9 3.1 确定物性数据 9 1 热负荷 9 2 平均温差 9 3 定性温度下物性数据 .10 4 初估换热面积及初选板型10 5 核算总传热系数12 6 传热面积12 7 压差计算12 四、设计结果一览表四、设计结果一览表 1313 五、附图五、附图 1 15 5 六、六、辅助设备的选择辅助设备的选择 1 16 6 七、参考文献七、参考文献 1717 七、课程设计感言七、课程设计感言 1 18 8 4 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。 如左图，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。 5 1.21.2 板式换热器应用板式换热器应用 a. 制冷：用作冷凝器和蒸发器。 b. 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。 c. 化学工业：纯碱工业，合成氨，酒精发酵，树脂合成冷却等。 d. 冶金工业：铝酸盐母液加热或冷却，炼钢工艺冷却等。 e. 机械工业：各种淬火液冷却，减速器润滑油冷却等。 f. 电力工业：高压变压器油冷却，发电机轴承油冷却等。 g. 造纸工业：漂白工艺热回收，加热洗浆液等。 h. 纺织工业：粘胶丝碱水溶液冷却，沸腾硝化纤维冷却等。 i. 食品工业：果汁灭菌冷却，动植物油加热冷却等。 j. 油脂工艺：皂基常压干燥，加热或冷却各种工艺用液。 k. 集中供热：热电厂废热区域供暖，加热洗澡用水。 l. 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。 6 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 板式换热器各种选择板式换热器各种选择 （1 1）类型的选择）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。 （1）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； （2）温度大于 300，压力大于 3.5MPa，应选择板壳式换热器； 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； （3）对于流量相差较大的，可选用非对称性换热器。 （2 2）板型选择）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 3）单片面积的选择）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。 7 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 速的变化。 （4 4） 流速的选取流速的选取 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 5）流程的选取）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下相同的 流道数 （6 6）流向的选择）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 7）流道数的选择）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 8 量的大小 二、工艺流程简图二、工艺流程简图 9 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 确定物性数据确定物性数据 1.1.热负荷热负荷 Q1=qm1Cp(T1-T2)=Q2W 53 103)4070(108 . 1 3600 20000 919.32 1018 . 4 3600 20000 103 20 3 5 2 2 2 12 q C Q tt m p 2.2.平均温差平均温差 667.27 2040 919.3270 ln )2040()919.3270( ln )() 12 21 122 1 ( tT tT tTt T tm逆 3.3.定性温度下物性数据定性温度下物性数据 项目油水 定性温度 55 2 4070 t 46.26 2 919.3220 t 物性参数 CmW sPa CkgkJ CkJkg Cp 2 1 3 1 1 1 12. 0 102 . 3 8 . 1 850 mW sPa CkgkJ mkg Cp 611. 0 10624 . 8 178. 4 6 . 996 2 4 2 2 3 2 10 4.4.初估换热面积及初选板型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sPa 3 101 115470，而板式换热器的传热系数为管式换热器的 24 倍，则可 )( 2 m W 初估 K 为 1000。 )( 2 m W 初估换热面积083.10 667.271000 103 5 tm K Q S 逆 初选 BR0.1 型板式换热器，其单通道横截面积为，实际单板 24 104 . 8m 换热面积为 0.1152m2。 初选组装形式为。为油的流程，程数为 2，每程通 181 92 8 . 10 100 6 92 道数为 9；为水的流程，程数为 1，通道数为 18；换热面积为 10.8m2181 因所选版型为混流，采用列管式换热器的温差校正系数： 258 . 0 2070 20919.32 322 . 2 20919.32 4070 11 12 12 21 tT tt tt TT P R 查单壳程温差校正系数图，得 =0.97. 逆 837.2697. 0667.26 tt mm 初估换热器面积 2 5 18.11 837.261000 103 m K Q S tm 5.5.核算总传热系数核算总传热系数 K K （1）油侧的对流传热系数1 11 流速sm u 615. 0 00118 . 0 98503600 20000 1 采用 0.1m2人字形板式换热器，其板间距。mm4 . 4 当量直径mm De 8 . 84 . 422 14. 0 43 . 0 1 7 . 0 1 1 1 33 1 11 1 3 1 1 1 1 )(18 . 0 48 12 . 0 102 . 3108 . 1 1438 102 . 3 615 . 0 850008 . 0 PrRe Pr Re w e e D Cp uD 油被冷却，取。95 . 0 )( 14 . 0 w 200095 . 0 481438 008. 0 12 . 0 18 . 0 43 . 0 7 . 0 1 (2)水侧的对流传热系数2 同理， 14 . 0 43. 0 2 7 . 0 2 2 2 43 2 22 2 2 2 2 2 2 )(18. 0 90 . 5 611 . 0 10624 . 8 10178 . 4 2664 00118 . 0 6 . 996262 . 0 008 . 0 262 . 0 00118 . 0 18 6 . 9963600 20000 PrRe Pr Re w e e D Cp uD u sm 水被加热，取05 . 1 )( 14 . 0 w 703705 . 1 90. 52000 008 . 0 611. 0 18. 0 43 . 0 7 . 0 2 （3）金属板的热阻 w b 12 板材为不锈钢（1Cr18Ni9Ti） ，其导热系数，板厚)(8 .16 2 mW w b=0.8mm，则 Wm b w )(0000476 . 0 8 .16 1018 . 0 2 3 （4）污垢热阻 油侧 W)(000052 . 0 2 1 m R 水侧 Wm R )(000043 . 0 2 2 （5）总传热系数 K 2 21 1 111 RR w b K 7037 1 000043 . 0 0000476 . 0 000052. 0 2000 1 =7.85 10-4 K=1274K=1274)( 2 mW 6.6.传热面积传热面积 S S 所需传热面积 2 5 8 . 8 837.261274 103 m K Q S tm 实际加热面积 2 78.10308 . 0 35308 . 0 ) 1(mNS 安全系数为 ，传热面积的裕度可满足工艺要求5 .22100 8 . 8 8 . 878.10 7.7.压差计算压差计算 查 0.3m2人字形板式换热器图，)-(水油uP 油侧105PaPsm u 5 1 1094 . 0 ,615 . 0 水侧105PaPsm u 5 2 106 . 0,262 . 0 故，设计合理 13 故所选板式换热器规格型号：故所选板式换热器规格型号：BR0.3BR0.3 181 92 8 . 10 100 6 四、设计结果一览表四、设计结果一览表 参数油水 流量/（kg/h） 2000020000 进/出温度/ 70/4020/32.919 定性温度 / 5526.46 密度 /(kg/m3) 850996.6 定压比热容 /(kJ/kg.K) 1.84.178 粘度 Pa.s 3.210-30.862410-3 物 性 热导率 (w/m.k) 0.120.611 14 外形尺寸（长*宽*高）7 . 03701135 有效传热面积，m2 0.308 波纹形式等腰三角形 波纹高度，mm 3.7 流道宽度，mm 320 平均板间距，mm 4.4 平均流道横截面积，m2 0.00118 设 备 结 构 参 数 平均当量直径，mm 8.8 主要计算结果油水 流速（m/s） 0.6150.262 表面传热系数 /W/(m2.k) 20007037 污垢热阻/m2.K/W 0.0000520.000043 Re 14382664 Pr485.90 热流量/KW 300 传热系数 /W/(m2.k) 1274 裕度/% 22.5 15 5 5、附图附图 单单片片换换热热面面积积： 0.308法法兰兰通通径径： DNmm80 板板间间距距： mm4.4工工作作温温度度： 150 单单流流道道截截面面积积： 0.00118工工作作压压力力： MPa0.6，1.0，1.6 最最大大处处理理量量： m/h120角角孔孔直直径径： mm80 板板片片外外形形尺尺寸寸： mm1135*370*0.7法法向向波波纹纹节节距距： mm15 有有效效换换热热面面积积： 0.308流流道道宽宽度度： mm320 单单片片重重量量： kg1.79平平均均板板间间距距： mm4.4 角角孔孔尺尺寸寸： mm67平平均均流流道道截截面面积积： 0.00118 波波纹纹高高度度： mm3.7平平均均当当量量直直径径： mm7.0 波波纹纹型型式式等等腰腰三三角角形形板板片片材材料料304 316L BR0.3型型板板式式换换热热器器 参参数数 16 主体装配图主体装配图 6、辅助设备的选型辅助设备的选型 1.1.水泵的选择水泵的选择 水的质量流量kg/s，体积流=m3/s56 . 5 m q v q 3 1057 . 5 得到=0.165m=165mm，取 d=170mm。 u q d v 4 选取mm 水管，管路总长为 20m，其中换热器截面高出蓄水池 5 . 24219 表面 15m，吸入管路长 5m。 管内流速m/s，262 . 0 u2664Re 取相对粗糙度，查得摩擦系数 0016 . 0 219 35. 0 d 0232 . 0 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 17 则管路的压头损失为 g u d l H f 2 )( 2 m034 . 0 81. 92 262. 0 )5 . 10 . 6 219 . 0 20 0232 . 0 ( 2 则扬程m（水柱）034.15034. 015 f HZH 依据体积流量，扬程m（水柱） ，可从离心hmqv 3 1 . 20 6 .996 20000 034.15H 泵规格表中选用型号为 IS65-50-125 的离心泵。 2.2.油泵的选择油泵的选择 油的质量流量kg/s， 油的体积流流量=56 . 5 3600 20000 m q v q m3/s 3 1054 . 6 得m，取mm，选择mm 油管，管路总长为 10mm，换116 . 0 d119d4127 热器截面高出泵截面 10m。 管内流速 u=0.615m/s 雷诺数 =1438 e R 取钢管相对粗糙度，查得0.523，0028 . 0 127 35. 0 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 d l H f 2 )( 2 m23. 0 81. 92 615 . 0 )5 . 10 . 6 119 . 0 10 0523. 0( 2 则扬程m23.1023 . 0 10 f HZH 依据体积流量23.53m3/h,扬程10.23m,可从离心泵规格表中选用 v qH 型号为 IS80-50-200 的