板式换热器设计.doc

板式换热器课程设计南 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1-油处理能力17000公斤 /小时 专 业： 高分子材料与工程 班 级： 高材1001班 学 号： 1102100124 姓 名： 联系方式： 日 期： 2013-1-5-2013-1-14 指导教师： 张振忠 设计成绩： 日 期： 2013-1-14 目 录设计任务书3 （一） 设计题目3 （二） 设计任务及操作条件3第1章 设计方案简介4 1.1 板式换热器概述4 1.2 确定设计原则7第2章 板式换热器的工艺设计计算10 2.1 设计计算步骤10 2.2 工艺设计数据一览表11 2.3 板式换热器设计计算12 2.4 压降核算16 2.5 换热器主要结构尺寸及计算结果一览表17第3章 辅助设备的计算与选择19 3.1 水泵的选择19 3.2 油泵的选择19第4章 附图21 4.1 工艺流程图21 4.2 主体设备工艺图22第五章 设计小结245.1 设计小结245.2 参考文献255.3 答辩及评语26 设计任务书（一）设计题目 板式换热器-油处理能力17000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5105 Pa（4）油定性温度下的物性参数：名称（kg/m3）Cp (KJ/)（Pa.s） (W/m)油8252.228.6610-40.14 油的中性温度= =70第一章 板式换热器概述1.1板式换热器的基本结构1.1.1 整体结构 板式换热器主要由一组长方形的薄金属板平行排列构成。用框架将板片夹紧组装于支架上，如下图所示。两相邻板片衬以垫片（橡胶或压缩石棉等）压紧，达到密封的目的。板片四角有圆孔，形成液体的通道。冷、热流体交替地在板片两侧流过，通过板片进行换热。板片通常被压制成各种槽形或波形的表面，这样增强了刚度，不致受压变形，同时也增强液体的湍流程度，增大传热面积，亦有利于流体的均匀分布。板式换热器主要由框架和板片两大部分组成。 板片由各种材料的制成的薄板用各种不同形式的磨具压成形状各异的波纹，并在板片的四个角上开有圆孔，用于介质的流道。板片的四周及角孔处用橡胶垫片加以密封。 框架由固定压紧板、活动压紧板、上下倒杆和夹紧螺栓等组成。板式换热器是将板片以叠加的形式装在固定压紧板、活动压紧板中间，然后用夹紧螺栓加紧而成。1.1.2 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。1.1.3 板式换热器的特点（1）优点： a.总传热系数高 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=50-200）下产生紊流，所以传热系数高，一般认为是管壳式的3-5倍。 b.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2-5倍，只要增加或减少几张板，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。 c.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。 d. 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。 e. 容量较小 是管壳式换热器的10%-20%。 （2）缺点：a. 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。 b 工作压力不宜过大，介质温度不宜过高，有可能泄露。 C.易堵塞 由于板片间通道很窄，一般只有2-5mm，当换热介质含有较大颗粒或纤维物质时，容易堵塞板间通道。 e.处理量不大，因板间距小，流道截面较小，流速亦不能过大。1.1.4 板式换热器的应用 制冷：用作冷凝器和蒸发器；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；化学工业：纯碱工业，合成氨，酒精发酵，树脂合成冷却等；冶金工业：铝酸盐母液加热或冷却，炼钢工艺冷却等；机械工业：各种淬火液冷却，减速器润滑油冷却等； 电力工业：高压变压器油冷却，发电机轴承油冷却等。1.2 确定设计原则1.2.1 选择板片的波纹形式及单板面积的选择 板片的选用原则：主要考虑板式换热器的工作压力，流体的压力将和传热系数。如果工作压力在1.6MPa以上，则别无选择的要采用人字形波纹板片;如果不高有特别要求阻力降低，则选用水平平直波纹板片较好一些;如果由于安装位置所限，需要高的换热效率以减少占地面面积，而阻力将可以不受限制则应选用人字形波纹板片。单板面积过小，则板式换热器的版片数多也即是占地面积增大，程数增多（造成阻力降增大）；反之，虽然占地面面积和阻力减少，难保证板间通道必要的流速。 板片按波纹的几何形状分类有：水平平直波纹、人字形波纹、斜波纹、锯齿形波纹等板片(见图1-2-1）。 1.2.2 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。1.2.3 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。1.2.4 流向的选取单向换热时，逆流具有最大的平均传热温差。本设计中将流体布置为逆流。1.2.5 并联流道的选取一程中并联流道数目的多少视给定流量及选取的流速而定，流速的高低受制于允许压降，在可能的最大流速以内，并联流道数目取决于流量的大小。1.2.6 垫片材料的选择密封垫片是换热器的重要构件，对它的基本要求是耐热、耐压、耐腐蚀。板式换热器通过压板压紧垫片达到密封。为确保可靠的密封，必须在操作条件下密封面上保持足够的压紧力。板式换热器由于密封周边长，需用垫片两大，在使用过程中需用平凡拆卸和清洗，泄露可能性大。如果垫片材料选取不当，弹性不好，所用胶水不黏或涂的不匀，都可能发生脱垫、变形、老化等。加之板片生产过程中，有时发生翘曲，也可能造成泄漏。一台换热器往往由几十片甚至几百片传热板片组成，垫片的中心很难对准，组装时容易使垫片某段压扁或挤出，造成泄漏，因此必须增加垫片上下接触面积。垫片材料广泛采用天然橡胶、丁晴橡胶、氯丁橡胶、硅橡胶、氯橡胶。这些材料的安全使用温度一般在125以下，最高不超过200。橡胶垫片有不耐有机溶剂腐蚀扥缺点。 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参见下表。此设计中预选压缩石棉橡胶垫片第2章 板式换热器的工艺设计计算 2.1 设计计算步骤 确定组装形式判断步骤: 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S 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 此方案可选用2.2 工艺计算数据一览表计算项目符号单位计算公式数值冷却水初温t已知30冷却水终温t已知50油初温T已知100油终温T已知40冷却水密度/m查表992.2冷却水比热容ckj/（kg）查表4.174冷却水粘度Pas查表油密度/m查表825油比热容ckj/（kg）查表2.22油粘度Pas查表水流量q/h27125水导热系数W/(m.)查表0.635油流量q/h已知17000油导热系数W/(m.)已知0.14逆流平均温差t23.612.3 板式换热器的设计计算2.3.1 计算热负荷=q（T1-T2）= 2.2210(100-40)=6.2910W2.3.2 计算逆流平均温差及水流量 逆流时 1=( 100-50)=50 2= (40-30)= 10 m=（50-10）/ln5 = 24.85因为水的特性温度为T = =40查表的名称（kg/m3）Cp (kj/.)（Pa.s）(W/m.)水992.24.1746.5310-40.635 Q1=Q2=(50-30)=6.2910W =27125 kg/h2.3.3 初估换热面积 粘度=0.5-1.010Pa.s,油与水换热时列管式的换热器的K值大约为300800W(m.),而板式换热器的传热系数为列管式换热器的24倍，则可初估为1000 W(m .).初估换热面积为 S = =25.31 m 初选BR0.3型板式换热器，其单通道横截面面积为1.1810m，实际单板传热面积为0.308 m。 试选组装形式18-（混流） 3 10为油的流程，程数为3，每程通道数为10， 1 30为水的流程，程数为1，每程通道数为30；换热面积为18m因所选版型为混流，采用列管式换热器的温差校正系数: R=3 P=0.286查表得 =0.95=0.95 24.85 = 23.61初估换热器面积 S= = = 26.64 m 2.3.4 核算总传热系数K （1）油侧的对流传热系数 流速 =0.485 m/s 采用 0.3m人字形板式换热器，其板间距=4.4mm 查表得 当量直径 = 7 mm = 0.007m = =0.007 0.485 825 / 0.000866 = 4066 = = 2220 0.000866 / 0.14 = 13.73 =0.18(/)Re1Pr1（）油被冷却，（）=0.95 = 2972 W/(m)（2） 水侧对流传热系数 流速 = 0.215 m/s Re= = 2875 P= = 4.29 =0.18Re1Pr1（） 水被加热（）=1.05 = 6925 W/(m.)（3） 金属板热阻板材为不锈钢（1Gr18Ni9Ti），其导热系数=16.8 W/(m)，板厚0.8，则=0.0000476(m) / W（4） 污垢热阻油侧 =0.000052(m) / W ,水侧 =0.000043(m) / W(5) 总传热系数K=+=0.000052+0.000043+0.0000476+1/2875+1/6925 = 0.000052+0.000043+0.0000476+0.0000348+0.0000144可算得K=1575(W/m) 计算传热面积S S=16.92 m安全系数为 = 7.40，传热系数过小，故舍去。重新假设 20- 时 ，根据上述方法，可算出如下数据： = =0.441m/s = 3697 = 13.73 =0.18(/)Re1Pr1（）= 2780 = = 0.235 m/s = 3142 = 4.29 =0.18Re1Pr1（） = 7369=+=0.000052+0.000043+0.0000476+1/2780+1/7369 可算得K=1567W/m) 计算传热面积S S=17.00 m安全系数为 = 17.76， 满足条件。2.4 压降计算（1）计算油侧压降 = 0.441m/s,Re= 3697 Eu= 1080Re=080(3697)=170.08 Eu=（37）Eu=72.89 P= Euu=11695 Pa 5 10Pa，满足要求。（2）计算水侧压降 = 0.235 m/s Re= 3142Eu=1080Re=176.42 Eu=(1/7)Eu=25.20P=Euu = 1381 Pa 500000Pa，满足要求。 故选板式换热器型号BR0.3-20-型式2.5 换热器主要结构尺寸及计算结果一览表换热器型号BR0.3-20-型式主要性能参数：外形尺寸（长宽高）11353700.7有效传热面积，m 0.308波纹形式等腰三角形波纹高度，3.7流道宽度 ，320平均板间距，4.4平均流到横截面积，m0.00118平均当量直径，7法向波纹间距，15板片材料302（1Cr18Ni9Ti）数据统计tm23.61C油的流速0.441m/s369713.732780水的流速0.235m/s31424.2973690.0000476油侧污垢热阻 R10.000052水侧污垢热阻R30.000043K1567所需传热面积S17.00实际加热面积S20.02安全系数17.76%油侧压强降水侧压强降垫圈压缩石棉橡胶 第三章 辅助设备的计算与选择3.1 水泵的选择水的质量流量kg/h，体积流量27.34m3/h = 0.203 m= 203 mm选取mm无缝GB 816387钢管，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m/s，取相对粗糙度，查得摩擦系数截止阀全开时的阻力系数，两个90弯头的阻力系数则管路的压头损失为 m则扬程m（水柱）同时流量27.34m3/h 从而可选用型号为IS65-50-125的离心泵。3.2 油泵的选择 煤油的质量流量kg/h， 煤油的体积流量m3/h = 0.128m = 128 mm，选择mm的无缝GB 816387钢管，管路总长为10m，换热器截面高出泵截面10m。管内流速 u = 0.441m/s雷诺数取钢管相对粗糙度，查得0.027，截止阀全开时的阻力系数，两个90弯头的阻力系数，则管路的压头损失为 m则扬程m同时体积流量20.61m3/h,可从离心泵规格表中选用型号为IS80-50-200的离心泵。辅助设备一览表型号与规格输水管GB 816387（mm）输水泵IS65-50-125输油管GB 816387（mm） 输油泵IS80-50-200课程设计总结这次课程设计在选择组装形式并通过计算判断该种方案是否符合要求花了自己大量时间。通过到图书馆去借参考资料回来进行翻阅以及上网查资料加深了我对课程设计的认识。在设计过程中，我对302 304 316不锈钢有了初步的认识，对各种管材及离心泵的规格和型号有了许多认识，也学到了在设计中要把设备的使用价值和经济考虑进去，同时以前的一些没能加以理解的知识得以重新回顾。在设计过程中通过对不同的选择组装型式进行对比，锻炼了自己独立思考解决问题的能力，同时在与同学交流讨论中也加深了自己对所学内容的理解，扩展了思维。我也清楚的认识到具备一定的计算机运用能力能给自己提供很大的便利，节省大量时间。通过这次课程设计也使自己对计算机中的一些相对计算方法进一步掌握。参考文献：1. 贾绍义，柴诚敬.化工原理课程设计.天津：天津大学出版社.2002. 2. 匡国柱等.化工单元过程及设备课程设计 (面向21世纪课程教材).北京：化学工业出版社.2002.3.