重油冷却板式换热器

1、工业大学材料工程原理B课程设计设计题目： 重油冷却板式换热器-处理能力34000吨/年专业：班级：学号：姓名:日期：指导教师：设计成绩：日期：换热器设计任务书(一) 设计题目板式换热器设计(二) 设计任务及操作条件1处理能力34000吨每年重油冷却板式换热器设计2设备型式板式换热器3操作条件釜残液：重油，入口温度 102C, 出口温度40C(2)冷却介质：井水换热器的压强降：不大于 50kpa(4)重油平均温度下的物理参数：名称P(kg/m2 )Cp(KJ/ kg. C)(Pa.s)X(W/m.C)重油9861.992.9 x10- 30.136(5)工作时间：一年工作时间按300天计算，每天

2、工作24小时目录设计任务书2一.设计简介 41.换热八、器概述 41.1板式换热八、器.41.2板式换热器的应用41.3板式换热器的特点42板式换热器的基本结构52.1组装形式（见下图）62.2 传热板片 62.3 密封垫片 63.设计的一般原则 63.1板片波纹形式的选择63.2单板面积的选择73.3板间流速的选取73.4 流程的选取 73.5 流向的选取 83.6 流道数的选取 83.7 垫片材料的选择 8二. 工艺流程简图 8三. 板式换热器的工艺设计计算83.1 设计计算步骤 83.2 工艺物性数据 103.3板式换热器的计算 103.3.1计算热负荷 10计算逆流平均温度差及冷却流量

3、 103.4初选换热面积103.5方案123.6方 12案143.7方 14案一163.8方案确定及设计结果一览表 18四辅助设备的选型4.1. 水泵及水管的选型 184.2. 油泵及油管的选型 194.3附各公式符号的意义及单位 20五. 设计小结 20六. 参考文献 21一.设计简介1. 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、食品及其它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。换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式 基本上可分三

4、大类即：间壁式、混合式和蓄热式。在三类换热器中，间壁式换热 器应用最多。1.1 板式换热器 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。 它与常规的 管壳式换热器相比， 在相同的流动阻力和泵功率消耗情况下， 其传热系数要高出 很多，在适用的围有取代管壳式换热器的趋势。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。1.2板式换热器的应用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.

5、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。 1.3板式换热器的特点 （板式换热器与管壳式换热器的比较）优点：a. 传热系数

6、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。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 1C,而管壳式换热器一般 为5C。b. 占地面积小 板式换热器结构紧凑，单位体积的换热面积为管壳式的2-

7、5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 1/5-1/8。容易改变换热面积或流程组合，只 要增加或减少几板， 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。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，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。 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 4

8、0%60%。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。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。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。e. 容量较小是管壳式换热器的10%-20%。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。不易结垢 由于部充分湍动，所以不易结垢，其结垢系数仅为管壳式换热器的

9、1/3-1/10.b. 工作压力不宜过大，介质温度不宜过高，有可能泄露 板式换热器采用密 封垫密封，工作压力一般不宜超过 2.5MPa,介质温度应在低于250T以下，否 则有可能泄露。 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。2. 板式换热器的基本结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。板片的周边及角孔处用橡胶垫 片加以密封。框架由固定压紧板、活动压紧板、上下导杆和夹紧螺栓等构成。板式换热器是将板片以叠加的形式装在固定

10、压紧板、活动压紧板中间，然后用夹紧螺栓加紧而成。幽二u枇式換数器的般第梅團4中间幣片IA話稍划術筮岸II-SPW母抿向核片V2.1组装形式（见下图）IS 21律 板武蜒籍整無型俎装形武 应卜用联議:祥 4*>=ffiW C*->ffit-f> WWI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

11、流流程 为并流流程和串联流程的组合，在同一流程是并联的，而程与程 之间为串联。2.2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元素：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，以求得换热率高，流体阻力低，承压能力大的波纹板片。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。板片材料采用不锈钢，如1Cr18Ni9Ti,1Cr18Ni12Mo2T

12、i和H62-1是制造板片的 主要材料，应用最为广泛。2.3密圭寸垫片密封垫片，是一种用于机械、设备、管道只要是有流体的地方就是用的密封 备件，使用外部，起密封作用的材料。密封垫片是以金属或非金属板状材质，经 切割，冲压或裁剪等工艺制成，用于管道之间的密封连接，机器设备的机件与机 件之间的密封连接。按材质可分为金属密封垫片和非金属密封垫片。 金属的有铜 垫片，不锈钢垫片，铁垫片，铝垫片等。非金属的有石棉垫片，非石棉垫片，纸 垫片，橡胶垫片等。3. 设计的一般原则3.1板片波纹形式的选择 主要是考虑板式换热器的工作压力、流体的压力降和传热系数。如果工作压力在1.6MPa以上，则别无选择地选择人字形

13、波纹板片；如果工作压力不高又特别要求阻力降低，则选用水平平直板片较好一些；如果安装位置所限，需要高效率以 减少换热器占地面积，二阻力降可以不受限制，则应选用人字形波纹板片。如下 图。咼卜33人字悩诫统个早边桩00 C 0 o d0 0 9圏 1 36 ALflin (Wft*3.2单板面积的选择单板面积过小，则板片数目多，占地面积大，阻力降增大；反之,单板面积过大，则板片 数目少，占地面积小，阻力降减少，但是难以保证适当的板间流速。因此，一般单板面 积可按角孔流速为6 m/s左右考虑，则各种单板面积组成的板式换热器处理量见 下表：表1-1单板面积（m2）0.10.20.30.50.81.02.

14、0角孔直径（mm）4050658080100125150175200200250400单台取大流通能力（m3/h）274271.4137103170264381520678678106025003.3板间流速的选取流体在板间的流速，影响换热性能和压力降。流速高，换热系数高，阻力降也增 大;反之,则相反。一般取板间流速为 0.2 m/s0.8 m/s,且尽量使两种流体板间速度 一致。流速小于0.2 m/s时,流体达不到湍流状态，且会形成较大的死角区；流速过 高会导致阻力降剧增，气体板间流速一般不大于10 m/s。3.4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

15、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。3.5流向的选取单相换热时，逆流具有最大的平均温差，一般在板式换热器的设计中要尽可能 把流体布置为逆流。两侧流体为等流程时，为逆流;当两侧流体为不等流程时，顺流 与逆流交替出现，平均温差要小于纯逆流。3.6流道数的选取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。3.7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。表12垫片性能和使用温度

16、W 丁幢胶Cttffsaw胡00詁(XI7 0" )D,Gft>300吝250工200>zuu一龍751273*16012M)t5石25«25一-40*400-10-1站-6(5-2 匐-20-2DC加-350.工艺流程简图三.板式换热器的工艺设计计算3.1设计计算步骤3.2工艺物性数据水：入口温度t1=25 C出口温度t2=55 C2555定性温度垢=40。查表得:表3-1油：入口温度T,=102 C出口温度T2=40C油定性温度下的物性参数：名称(kg/m3)Cp (kj/ kg. C )(Pa.s)(W/m. C)重油9861.992.9X 10- 30.

17、136表2-23.3板式换热器的计算计算热负荷及水流量34000 100035Q q1C p1 (T1 T2)1.99 103 (102 40) 1.62 105(W)p300 24 36005q2 Cp2(t2 t1) 4.174 103 30 1.29 kgS1.62 10计算逆流平均温度差及冷却流量tmt1In1025547 C402515 Ct24715t1 T1 t2t2 T2 t1l 4728。2。t2153.4初选换热面积粘度大于1.0 10-3 Pa.s油与水换热时列管式的换热器的K值大约为50300/(m.°C)，而板式换热器的传热系数为列管式换热器的24倍，则可初

18、估为500 W(m .C)。初步估计换热面积：SQ 1.62 1011.56(m2)tm K 28.02 5003.5方案一：1初选BR0.1型板式换热器，其单通道横截面面积为6.56X 10-4m2，实际单板传热面积为0.109 m2。试选组装形式4-口。油的流程数为6,每程通道数为2;3 4水的流程数为3,每程通道数为4;换热面积为4m2 因为所选板型为混流，采用列管式换热器的温差校正系数：Rt2 t1102 5540 253.13, Pt2 t1T 1 t255 25102 400.48查三壳程温差校正系数图，得0.965所以tmtm 0.965 28.0227.04 C校正后的初估换热

19、面积:51.62 1027.04 50011.98 m22.核算总传热系数K(1)油测的对流传热系数1流速U147221.01m/s3600 2 986 6.56 10采用0.1m2的人字形板式换热器，其板间距4mm，当量直径De 2.0.008 mRe1De" 110.008 1.01 9862747.22.9 10Pr1cp1 11.9 103 2.9 10 30.13640.51油被冷却，取(一)0.140.95w油的换热系数:10.80.30.1410.027一Re1 Pr ()Dew0.1360.027 -0.0080 80 322747.2 .40.51 .0.95746

20、.3W/(m.K)水侧的对2流传热系数流速U21.29Re2P2992.2Deu22Cp2 24 6.56 10 40.495m/s0.。08 0.495 99225989.56.53 10 44.174 103 653 10 44.290.653水被加热，取取（一）0.141.05w水的换热系数:0.027 丄 ReDe0.80.4 / x 0.142 Pr2 (一)w0.02759 89.50.8 4.29 0.4 1.05 4 2 37.7W /(m2.K)0.008金属板的热阻 板材为不锈钢(1Gr18Ni9Ti),其导热系数w =16.8 W/(m2. °C),板厚0.8m

21、m,则-w=0.0000476(m2.C) / W(4) 污垢热阻油侧：R1=0.000052(m2.C) / W，水侧：R2=0.000043(m2. C) / W-K1b1R1R21w21746.30.000052 0.0000476 0.00004311.72 10 3(m2C)/W4237.72K 581.90W/(m .°C)QK tm1.62 105581.9 27.0410.30(m2)3. 传热面积S安全系数为需1100%=16-3%,传热面积的裕度可满足工艺要求4. 压降计算013 口<2 。匚艮 CK 碟 O . G 0-81 .O图3-10.1m2人字形板

22、式换热器 P u (油-水) 油：u1=1.01/s P 3.1 105 pa <5 105 pa水：u2=0.495m/s P 0.6 105 pa <5 105 pa油和水的压降都满足要求，此方案可行.故所选板式换热器规格型号；BR0.1§/41203.6方案二： 1初选BR0.1型板式换热器，其单通道横截面面积为6.56X 10-4m2，实际单板传热面积为0.109 m2。试选组装形式4-口。油的流程数为4,每程通道数为3;6 2水的流程数为6,每程通道数为2;换热面积为4m2 因为所选板型为混流，采用列管式换热器的温差校正系数：102 5540 253.13, R

23、t2卜T1 t255 25102 400.48查温差校正系数图，得0.965所以tmtm 0.965 28.0227.04 °C校正后的初估换热面积:3.核算总传热系数K51.62 10527.04 50011.98 m2(1) 油测的对流传热系数1流速 u.4 0.676m/s3600 3 986 6.56 10 4采用0.1m2的人字形板式换热器，其板间距4mm,当量直径De 2.0.008 mRe1DeU110.008 0.676 9861838.72132.9 10Pr1cp1 1331.9 102.9 1040.5110.136油被冷却，取(一)0.140.95w10.80

24、.3 .0.027 Re1 Pr ( De)0.14油的换热系数:0.027 0136 1838.20.8 40.510.3 0.95541.2W/(m2.K)0.008(2) 水侧的对流传热系数2流速u21.290.991m/ sRe 2P2992.2DeU2 2Cp2 22 6.56 100.008 0.991 992.26.53 104.174 1036.53 10 40.65312027.84.29水被加热，取取(一)0.141.05w水的换热系数：20.027Re0.8 P(一)0.14Dew0.027 -5 12027.80.8 4.290.4 1.057401.94W /(m2.

25、K)0.008金属板的热阻板材为不锈钢(1Gr18Ni9Ti)，其导热系数w=16.8 W/(m2. C),板厚 0.8 mm,则=0.0000476(m2C) / W(5) 污垢热阻油侧：R1=0.000052(m .C) / W，水侧:R2=0.000043(m .C) / W5)RiR21541.20.000052 0.0000476 0.00004317401.92.13 103(m2C)/W2K 470.49W/(mC)3.传热面积SQS -K tm1.62 1 052、12.73(m )470.49 27.0412 73安全系数为1273 1100%=10.12%，传热面积的裕度可

26、满足工艺要求11.565. 压降计算油：u1=0.676m/s P 0.91 105 pa <5 105 pa水：u2=0.991/s55P 2.4 105 pa <5 105 pa油和水的压降都满足要求，此方案可行.故所选板式换热器规格型号；BR0.1 /41203.7方案三： 1.初选BR0.1型板式换热器，其单通道横截面面积为6.56X 10-4m2，实际单板传热面积为0.109 m2。试选组装形式4-口。油的流程数为4,每程通道数为3;4 3水的流程数为4，每程通道数为3;换热面积为4m2 因为所选板型为混流，采用列管式换热器的温差校正系数：3.13，Rt2 t1T 1 t

27、20.48查温差校正系数图，得0.965所以 tmtm 27.04 C校正后的初估换热面积：S 11.98 m24.核算总传热系数K(1)油测的对流传热系数!流速 u14 0.676m/s3600 3 986 6.56 10 4采用0.1m2的人字形板式换热器，其板间距4mm,当量直径De 2.0.008 mRe1DeU1 10.008 0.676 9861838.72132.9 10Pr1Cp1 11.9 103 2.9 10 340.5110.136油被冷却，取(一)0.140.95w)0.142541.2W/(m .K)油的换热系数：10.80.3 .0.027 Re1 P” ( De(

28、3) 水侧的对流传热系数2流速u21.29Re 2Pr2992.23 6.56 100.660m/s0.008 0.660 992.26.53 108010.4DeU2 2224.174 103 6.53 10 40.6534.29水被加热，取取(一)0.141.05w水的换热系数:20 80 40 140. 6350 80 422 0.027Re2.8 Pr； ( )0.0278010.44.291.05 5347.4W/(m2.K)Dew0.008金属板的热阻w板材为不锈钢(1Gr18Ni9Ti),其导热系数w=16.8 W/(m2C),板厚0.8伽,b2则 =0.0000476(m C)

29、 / Ww(6) 污垢热阻油侧：R1=0.000052(m2.C) / W，水侧：R2=0.000043(m2. C) / WRi1 R221541.20.000052 0.0000476 0.00004315347.42.18 103(m2C)/W2 。K 459.27W/(m . C)3.传热面积S5S1.62 1013.04(m2)安全系数为鵲1K tm459.27 27.04100%=8.85%，传热面积的裕度可满足工艺要求6. 压降计算油:u1=0.667m/sP 0.93 105 pav5 105pa水：u2=0.660m/s55P 0.9 105 pa <5 105 pa油

30、和水的压降都满足要求，此方案可行.故所选板式换热器规格型号;叽盘/43.8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万案一2416.%581.9、J» 万案二2410.12%470.49、万案三248.85%459.27将三个方案进行对比，从板片数，换热系数，占地面积，经济成本，安全等方面 综合考虑，选择第二种方案。换热器类型：人子形板式油水换热器换热面积（m ）12.73裕度10.12%技术参数：物料名称油侧水侧操作温度C）102/4055/25流体密度（kg/m3）986992.2流速u (m/s)0.6760.991总传热量Q （kW ）162总传热系数K（W/m2.C

31、）470.49对流传热系数（W/m2.C）541.27401.94污垢系数（W/m2.C）0.0000520.000043推荐使用材料1Gr18Ni9Ti换热器规格54 3BR0.1 /4 1206 2板片尺寸（长*宽*厚mm）658 244 0.7有效传热面积（m ）0.109波纹形式人字形波纹平均板间距（mm）4平均流道横截面积（mm2）0.000656平均当量直径（mm）0.008四.辅助设备的选型4.1.水泵及水管的选型水的质量流量qm 1.29kg/s，体积流量qv 五1.30 10 3m3/s41mm选取50 4mm的水管，管路总长20m,其中换热器截面高出蓄水池水平面 15m，吸

32、入管路长5m。0.2，管流速u=0.991m/s, Re=12027.8选择新的无缝钢管，取其绝对粗糙度相对粗糙度一02 0.00488， d 41查表得摩擦系数0.03截止阀全开时的阻力系数1 6.°两个900弯头的阻力系数20.75 21.5 ；7管路的压头损失为Hf(d)2g(0.03200.0416.01.5)0.8722 9.810.85 m则扬程H ZH f 15 0.85 15.85m根据水的体积流量qv 1.30 10 3 36004.68m3/h ；扬程H 15.85m （水 柱）， 可从离心泵规格表中选用IS50-32-250的离心泵。4.2.油泵及油管的选型油的

33、质量流量qm34000 10324 300 36001.31kg/s体积流量qv 如 1.33 10 3m3/sqv,u450mm0.86 10 30.4364选取60 4mm的无缝钢管管路总长10m，其中换热器平面高出油泵平面 10m，吸入管路长5m管流速0.667m/sRe 1838.72取其绝对粗糙度0.2，相对粗糙度-0.20.004d50查表得摩擦系数0.046，截止阀全开时的阻力系数16.0，两个900弯头的阻力系数20.75 21.5 ；管路的压头损失为Hf/ l、u2100.4362()(0.0466.0 1.5)0.16 md2g0.052 9.81则扬程HZHf 10 0.16 10.16m根据油的体积流量qv 1.33 10 3 36004.788m3/h ;扬程H 10.16m