课设—板式换热器

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 煤油处理能力 10000 公斤 小时 专 业 班 级 学 号 姓 名 日 期 2014 12 20 2015 1 5 指导教师 张振忠 教授 设计成绩 日 期 2 2014 年材料工程原理 B 课程设计 板式换热器设计组 1 任务书 一 设计题目 板式换热器设计 1 油处理能力 10000 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 5 105 Pa 4 油定性温度下的物性参数 名称 kg m3 Cp kj Pa s W m 油 825 2 22 8 66 10 4 0 14 3 目录目录 1 1 设计方案简介设计方案简介 1 1 换热器的概述 4 1 2 板式换热器的概述 4 1 3 板式换热器的基本结构 4 1 4 组装形式 5 1 5 密封垫片 6 1 6 传热板片 6 1 7 板式换热器的特点 7 1 8 板式换热器的应用 7 2 2 设计的一般原则设计的一般原则 2 1 类型的选择 7 2 2 板片面积的选择 8 2 3 单片面积的选择 8 2 4 流速的选取 8 2 5 流向的选取 8 2 6 流程的选取 8 2 7 流道的选择 8 2 8 垫片材料选取 9 3 板式换热器设计计算板式换热器设计计算 3 1 计算热负荷 9 3 2 计算平均温差及冷却流量 9 3 3 水的定性温度 9 3 4 初步估计面积 9 3 5 设计方案一 10 3 6 设计方案二 12 3 7 设计方案三 14 3 8 方案确定及设计结果一览表 16 4 4 辅助设备及选型辅助设备及选型 4 1 水泵及水管的计算选型 17 4 2 油泵及油管的计算选型 18 5 5 附图附图 18 6 6 设计感言设计感言 18 7 7 参考文献参考文献 19 4 一 设计简介一 设计简介 1 1 1 1 换热器概述换热器概述 换热器 是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备 又称热交换器 换 热器是化工 石油 动力 饰品及其他许多工业部门的通用设备 在生产中占 有重要地位 在化工生产中换热器可作为加热器 冷却器 冷凝器 蒸发器和 再沸器等 应用更加广泛 日常生活中取暖用的暖气散热片 汽轮机装置中的 凝汽机和航天火箭上的油冷却器等 都是换热器 它的主要功能是保证工艺过 程中对介质所要求的特定温度 同时也是提高能源利用率的主要设备之一 换 热器种类很多 若按换热器传热面积形状和结构可分为管式换热器和特殊形式 换热器 根据冷 热流体热量交换的原理和方式基本上可分为三大类即 间壁 式 混合式和蓄热式 在三大类换热器中 间壁式换热器应用最多 1 21 2 板式换热器概述板式换热器概述 本成套设备由板式换热器 平衡槽 离心式卫生泵 热水装置 包括蒸 汽管路 热水喷入器 支架以及仪表箱等组成 用于牛奶或其它热敏感性 液体之杀菌冷却 欲处理的物料先进入平衡槽 经离心式卫生泵送入换热器 经过预热 杀菌 保温 冷却各段 凡未达到杀菌温度的物料 由仪表控制 气动回流阀换向 再回到平衡槽重新处理 物料杀菌温度由仪表控制箱进行 自动控制和连续记录 以便对杀菌过程进行监视和检查 此设备适用于对牛 奶预杀菌 巴式杀菌 板式换热器的型式主要有框架式 可拆卸式 和 钎焊式两大类 板片 形式主要有人字形波纹板 水平平直波纹板和瘤形板片三种 1 1 3 3 板板式式换换热热器器的的基基本本结结构构 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角孔 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 5 1 1 4 4 组组装装形形式式 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 而程与程 6 之间为并联 1 51 5 密封垫片密封垫片 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 垫片广泛采用天然橡胶 丁晴橡胶 氯丁橡胶 硅橡胶 氯橡胶 1 61 6 传热板片传热板片 传热板片是板式换热器的关键性元件 板片的性能直接影响整个设备的经 济技术性能 为了增加板片有效的传热面积 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 一是提高板片的刚性 能耐较高的压力 二是使介质在低速下发生强烈湍流 从而强化传热过程 人 们构思出各种形式的波纹板片 以求得换热效率高 流体阻力低 承受能力大 的波纹板片 板片按几何形状区分为 水平平直波纹 人字形波纹 斜波纹 锯齿形波 纹等波纹板片 如图 7 1 71 7 板式换热器的特点板式换热器的特点 1 优点 1 总的传热系数高 因板式换热器中 板面被压制成波纹或槽 沟 在低速下即可达到湍流 故总的传热系数高 而液体阻力增加不大 污垢 热阻亦较小 对低粘度液体的传热 K 值可高达 7000 2 结构紧凑 单位体积 设备提供的传热面积大 3 操作灵活性大 可以根据需要调节板片数目以增减 传热面积 或以调节流道的办法 适应冷 热流体流量和温度的变化要求 4 加工制造简单 检修清洗方便 热损失小 2 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 因受垫片热性能的限制 如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 流速亦不能过大 1 81 8 板式换热器的应用板式换热器的应用 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 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 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 二 设计的一般原则二 设计的一般原则 2 12 1 板式换热器类型的选择板式换热器类型的选择 板式换热器的种类较多 每种都有相适应的工况 工程设计中应首先对此 做出选择 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 可以选择浅槽波纹 对于拆卸比较频繁的 可选择拆式换热器 3 对于流量相差较大的 可选用非对称性换热器 2 2 2 2 板板型型的的选选择择 主要考虑需要达到的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的工况 还可以选择热混合板片 2 2 3 3 单单片片面面积积的的选选择择 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 的变化 单单台台最最大大处处理理量量参参考考值值 2 2 4 4 流流速速的的选选取取 9 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 2 52 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 2 62 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 2 72 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量的大小 2 82 8 垫片材料的选择垫片材料的选择 选择垫片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 垫片性能和使用温度垫片性能和使用温度 三 板式换热器设计计算 板式换热器设计计算 3 13 1 计算热负荷计算热负荷 Q W m q 1P C 21 TT 40100 1022 2 3600 10000 3 5 107 3 3 23 2 计算逆流平均温差及冷却流量计算逆流平均温差及冷却流量 10 85 24 10 50ln 3040 50100 ln 1221 1221 C tTtT tTtT tm 1096 15 3050 4174 3600107 3 3 5 122 hkg ttc Q q p m 3 33 3 水的定性温度水的定性温度 40 20 3050 Ctm 查表得 名称 kg m3 P C j K Pa s W m 水 992 2 4 1746 53 10 4 4 0 635 3 43 4 初选换热面积初选换热面积 粘度小于 0 5 103Pa S 油与水换热时列管式的换热器的 K 的值约为 300 800W m2 而板式换热器的传热系数为列管式的 2 4 倍 则可初估为 2000W m2 94 7 1 242000 107 3 2 5 m tK Q S m 3 53 5 方案一 方案一 初选 BR0 1 型板式换热器 其单通道截面积为 实际单板换 4 104 8 2 m 热面积为 0 1152 2 m 试选组装形式为 油的流程数为 7 每程通道数为 5 水的流程数为 75 57 5 每程通道数为 7 因为所选板型为混流 采用列管式换热器的温差校正系数 根据所选组装 形式查如下图 11 可得 0 97 0 97 24 85 24 1 m t m t 初估换热面积为 S 2 5 68 7 2000 1 24 107 3 m 核算总传热系数 K 1 油侧的对流传热系数 1 流速 8 0 5104 88253600 10000 4 1 smu 采用 0 1的人字形板式换热器 其板间距 4 当量直径 2 mmm mde008 0 6097 1066 8 82580 0 008 0 Re 4 1 11 1 ude 73 13 14 0 1066 8 1022 2 Pr 43 1 11 1 p C 油的换热系数 411995 073 136097 008 0 14 0 18 0 PrRe18 0 43 0 7 043 0 1 7 0 1 1 1 e d 2 水侧的对流换热系数 2 12 冷却水的流速 76 0 7104 82 9923600 1096 15 4 3 2 smu 9238 1053 6 2 99276 0008 0 Re 4 2 22 2 ude 29 4 635 0 1053 64174 Pr 4 2 22 2 p C 水的换热系数 1675005 129 4 9238 008 0 635 018 0 43 07 0 2 3 金属板的热阻 w b 板材为不锈钢 1Gr18Ni9Ti 其导热系数为 板厚 8 16 2 mW w 则mm8 0 0000476 0 2 m b w 4 污垢热阻 油侧 wmR 000052 0 2 1 水侧 wmR 000043 0 2 2 5 总传热系数 K 2 21 1 111 R b R K w 16750 1 000043 00000476 0 000052 0 4119 1 4 1045 4 KmWK 2 2247 传热面积 S 83 6 1 242247 107 3 5 m tK Q S 安全系数为 传热面积的裕度可满 38 16100 83 6 83 6 1152 0 1 N 足工艺要求 压降计算 油 PaPEu 542225 0 1051003 88 0825152 152 6097 1080 13 水 PaPEu 542225 0 1051091 7 76 02 992138油和水的压降都满足条件 此方案可取 所选板式换热器规格型号 BR0 1 75 57 11 120 5 3 63 6 方案二 方案二 试选 BR0 2 型板式换热器 其单通道截面积为 实际单板换 23 1003 1 m 热面积为 0 208 2 m 初估换热系数 K 1000 换热面积为 89 14 100085 24 107 3 2 5 mS 试选组装形式为 油的流程数为 6 每程通道数为 6 水的流程数为 94 66 4 每程通道数为 9 因为所选板型为混流 采用列管式换热器的温差校正系数 97 0 0 97 24 85 24 1 m t m t 初估换热面积为 35 15 1000 1 24 107 3 2 5 mS 核算总传热系数 K 1 油侧的对流传热系数 1 流速 54 0 61003 1 8253600 10000 3 1 smu 采用 0 2的人字形板式换热器 其板间距 4 当量直径 2 mmm mde008 0 4115 1066 8 82554 0 008 0 Re 4 1 11 1 ude 73 13 14 0 1066 8 1022 2 Pr 43 1 11 1 p C 油的换热系数 190173 134115 008 0 14 0 2288 0 PrRe2288 0 23 06461 0 3 0 1 6461 0 11 KmW de e 2 水侧的对流传热系数 2 14 流速 smu 48 0 91003 12 9923600 1096 15 3 3 2 5835 1053 6 2 99248 0008 0 Re 4 2 22 2 ude 29 4 635 0 1053 6 4174 Pr 4 2 22 2 p C 水的换热系数 762329 4 5835 008 0 635 0 2288 0 PrRe2288 0 23 06461 0 3 0 2 6461 0 22 KmW de e 3 金属板的热阻 w b 板材为不锈钢 1Gr18Ni9Ti 其导热系数为 板厚 8 16 2 mW w 则mm8 0 0000476 0 2 m b w 4 污垢热阻 油侧 wmR 000052 0 2 1 水侧 wmR 000043 0 2 2 5 总传热系数 K 2 21 1 111 R b R K w 7623 1 000043 0 0000476 0000052 0 1901 1 4 1000 8 1250 2 KmWK 传热面积 S 28 12 1 241250 107 3 2 5 m tK Q S m 安全系数为 传热面积的裕度可满 26 20100 28 12 28 12 208 0 1 N 足工艺要求 压降计算 15 油 PaPEu 542225 0 1051099 354 0 825166 166 4115 1080 水 PaPEu 542225 0 1051050 3 48 0 2 992153油和水的压降都满足条件 此方案可取 所选板式换热器规格型号 BR0 2 11 120 5 94 66 3 73 7 方案三方案三 试选 BR0 3 型板式换热器 其单通道截面积为 实际单板换 23 1026 1 m 热面积为 0 27 2 m 初估换热系数 K 1000 换热面积为 89 14 100085 24 107 3 2 5 mS 试选组装形式为 油的流程数为 6 每程通道数为 5 水的流程数为 152 56 2 每程通道数为 15 因为所选板型为混流 采用列管式换热器的温差校正系数 97 0 0 97 24 85 24 1 m t m t 初估换热面积为 35 15 1000 1 24 107 3 2 5 mS 核算总传热系数 K 3 油侧的对流传热系数 1 流速 53 0 51026 1 8253600 10000 3 1 smu 采用 0 2的人字形板式换热器 其板间距 4 当量直径 2 mmm mde008 0 4039 1066 8 82553 0 008 0 Re 4 1 11 1 ude 73 13 14 0 1066 8 1022 2 Pr 43 1 11 1 p C 油的换热系数 187873 134039 008 0 14 0 2288 0 PrRe2288 0 23 06461 0 3 0 1 6461 0 11 KmW de e 16 4 水侧的对流传热系数 2 流速 smu 24 0 151026 1 2 9923600 1096 15 3 3 2 2917 1053 6 2 99224 0 008 0 Re 4 2 22 2 ude 29 4 635 0 1053 6 4174 Pr 4 2 22 2 p C 水的换热系数 487029 4 2917 008 0 635 02288 0 PrRe2288 0 23 06461 0 3 0 2 6461 0 22 KmW de e 3 金属板的热阻 w b 板材为不锈钢 1Gr18Ni9Ti 其导热系数为 板厚 8 16 2 mW w 则mm8 0 0000476 0 2 m b w 4 污垢热阻 油侧 wmR 000052 0 2 1 水侧 wmR 000043 0 2 2 5 总传热系数 K 2 21 1 111 R b R K w 4870 1 000043 00000476 0000052 0 1878 1 4 1080 8 1136 2 KmWK 传热面积 S 51 13 1 241136 107 3 2 5 m tK Q S m 安全系数为 传热面积的裕度可满足 9 17100 51 13 51 13 27 0 1 N 17 工艺要求 压降计算 油 PaPEu 542225 0 1051087 3 53 0 825167 167 4039 1080 水 PaPEu 542225 0 1051002 1 24 0 2 992179油和水的压降都满足条件 此方案可取 所选板式换热器规格型号 BR0 3 11 120 5 152 56 3 83 8 方案确定及设计结果一览表方案确定及设计结果一览表 方案名称板片块数安全系数 K 设计方案一 70 16 38 2247 设计方案二 72 20 26 1250 设计方案三 60 17 9 1136 将三种方案进行对比 从其板片数 换热系数 占大面积 经济成本 安 全等多方面综合考虑 选择第一种方案 人字形板式换热器技术参数和计算结果 换热器类型 人字形板式油水换热器 换热面积 7 95 2 m 裕度 16 38 技术参数 物料名称 油侧 水侧 操作压强 Pa 12091 26573 操作温度 100 40 50 30 流体密度 3 mkg 825 992 2 流速 m s 0 8 0 76 总传热量 kw 370 总传热系数 2 mW 2247 对流传热系数 2 mW 4119 16750 污垢系数 WKm 2 0 000052 0 000043 推荐使用材料 1Gr18Ni9Ti 换热器规格 Br0 1 75 57 7 120 5 18 四 辅助设备的选型四 辅助设备的选型 4 14 1 水泵及水管的选型水泵及水管的选型 水的质量流量 体积流量skgqm 43 4 sm q q m v 1046 4 3 取 选取mm u q d v 4 86 4 mmd88 mm10108 管路总长 20m 其中换热器截面高出蓄水池水平面 15m 吸入管路长 5m 管内流速 0 76m s 选择新的无缝钢管 取其绝对粗糙度 5 1002 1 Re 相对粗糙度 查表得摩擦系数2 0 00227 0 88 2 0 d 026 0 截止阀全开时的阻力系数 两个弯头的阻力系数 0 6 1 90 则管路的压头损失为5 1275 0 2 m g u d l H f 39 0 81 92 76 0 5 10 6 088 0 20 026 0 2 22 则扬程mHZH f 39 1539 0 15 根据体积流量 扬程 水柱 可从离心泵规格hmqv 06 16 3 mH39 15 表 中选用型号为 IS65 50 125 的离心泵 4 24 2 油泵及油管的类型油泵及油管的类型 板片尺寸 长 宽 高 mm 625 235 0 8 有效传热面积 2 m 0 1152 波纹形式 人字形波纹 波纹高度 mm 4 法向波纹节距 mm 10 流道宽度 mm 210 平均板间距 mm 4 平均流道横截面积 2 m 0 00084 平均当量直径 mm 0 008 19 油的质量流量 体积流量skgqm 78 2 smqv 1027 3 33 取油管直径