【《一台用于回收化工厂废水余热的板式换热器设计案例》2600字】

一台用于回收化工厂废水余热的板式换热器设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u7808一台用于回收化工厂废水余热的板式换热器设计案例 1194791.1板式换热器的设计过程 1278211.1.1参数的确定 157061.1.2初步设计的结果 684561.1.3流道内参数变化 7115211.2改变参数对板式换热器性能的影响 9316591.2.1改变人字形角对换热性能的影响 947041.2.2改变板间距对换热性能的影响 11304191.3小结 12本文主要任务是设计一台用于回收化工厂废水余热,来加热居民生活用水的板式换热器。以下为已知参数：废水的流量为G1=25t/h,废水入口温度为80℃；生活用水的流量为G2=25t/h,生活用水人口温度为20℃,经换热后达44℃。在初步确定好板式换热器的几何参数后,改变人字形角的大小和板间距来研究这两个参数对板式换热器性能的影响,来确定最佳的参数。1.1板式换热器的设计过程首先利用HTRI对板式换热器进行初步设计,确定板式换热器的几何模型,之后再调整人字形角、板几间距和不同板片的组合模式等参数,综合换热性能参数以及压降等评价指标,获得最终的板式换热器换热器模型。1.1.1参数的确定综合已定参数可得该板式换热器内的热交换为单相液体之间的热交换。国内化工厂的循环水水压一般为0.2-0.5MPa,城市的生活用水水压一般为0.7MPa,即初步确定所设计的板式换热器废水入口压力为0.5MPa,生活用水入口压力为0.8MPa。在水-水换热的情况下[11],允许压降一般在20-100KPa的范围内。人字形波纹板的承压能力很好,能够在较高的压力下工作,其最高工作压力一般在0.4-2MPa左右,初步选定Alfalaval公司的M10-B型号的人字形板片,该板片的基本参数如下：单板换热面积为0.24m2,板片的长度为879mm,宽度为375mm,板片上下中心距为719mm,左右中心距为223mm,角孔直径为100.076mm,人字形角为30°,板间距为2.55mm,板片厚度为0.6mm。生活用水一般是经过处理过后达到使用标准的硬水,故其污垢热阻为0.000043m2·K/W,化工厂废水的污垢热阻为0.000052m2·K/W。将以上参数输入软件,如图4-1所示。(a)流体基本参数输入(b)板片型号以及参数的选择(c)污垢热阻的输入图4-1各类参数的输入由于用于化工厂的板式换热器需要进行经常性地检修与清洗,故选择易拆卸的“U”字形布置,逆流的对数平均温差最大,换热效果最好,因此冷热流体之间为逆流布置,冷热流体的进出口布置在同一侧,且均为单流程,冷热流体的流道均为70个,因此总板片数为141,如图4-2所示。(a)流动形式(b)冷热流体进出口(蓝色为冷流体,红色为热流体)图4-2冷热流体的布置HTRI内部有比较完整的物性库,只需选择好流体后勾选系统自行计算即可,这时只要添加对应流体就行,之后系统会自动计算流体的物性参数,若不想采用HTRI内部的物性库,用户也可以自行输入流体的物性参数进行计算,只需勾选用户自定义即可,采用HTRI内部物性库的步骤如图4-3所示。(a)(b)(c)图4-3采用HTRI物性库的步骤1.1.2初步设计的结果参数确定无误后即可进行运行,运行后系统会自行设计满足要求的板式换热器,图4-4为初步设计的板式换热器结构图,图4-5为设计运行后冷热流体进出口温度变化,表4-1为板式换热器设计结果,包含了换热器设计运行完成后的各种参数。图4-4板式换热器设计结构图图4-5冷热流体进出口温度表4-1板式换热器设计结果项目热流体冷流体流体名称水水流量(m3/h)2535进口温度/出口温度(℃)80.00/46.4620.00/41.00平均温度/壁面温度(℃)63.23/49.1232.00/42.97进口压力/平均压力(kPa)500.00/499.40800.01/798.81总压降/允许压降(kPa)1.21/20.002.40/20.00标准通道流速(m/s)0.120.16分布不均系数0.770.73换热器性能热流体传热系数(W/m2·K)3423.73实际传热系数(W/m2·K)1435.21冷流体传热系数(W/m2·K)3678.43换热面积(m2)33.34对数平均温差(℃)30.8设计裕量(%)51.451.1.3流道内参数变化如图4-6所示,从流体入口的第一个通道到最后一个通道,冷热流体的板间流速、雷诺数和压降逐渐降低,由于冷流体的流量大于热流体的流量,所以冷流体的板间流速以及压降要大于热流体的,而冷热流体物性参数的差异造成了热流体的雷诺数大于冷流体的雷诺数。压力差是流体流动的推动力,所以随着通道内压力差的降低,冷热流体的流速以及雷诺数也随着不断降低,由于第一个通道的压力差最大,所以通道内的流速比其余通道内的流速大,雷诺数也是第一个通道内的最大。(a)流速的变化(b)雷诺数的变化(c)压降的变化图4-6流道内参数的变化趋势1.2改变参数对板式换热器性能的影响1.2.1改变人字形角对换热性能的影响人字形角作为板式换热器的重要参数之一,对板式换热器的整体性能有着重要的影响,在不改变板式换热器几何参数的情况下改变人字形角的大小来研究人字形角对板式换热器换热性能的影响。如图4-7(a)所示随着人字形角的增加实际换热系数不断增加随后趋于稳定,因为增大人字形角度会加强对流体的扰动,不断破坏形成的边界层,从而强化换热,当人字形角大于60°时,强化换热的效果并不明显,冷热流体间的换热趋于一个稳定值,因此过大的人字形角并不能很好地强化换热。如图4-7(b)所示,冷热流体的总压降随着人字形角的增大而不断增大,在人字形角小于65°时,随着人字形角的增大,冷热流体的压降增加地较为缓慢,但在人字形角大于65°时,压降的趋势陡然上升,呈指数型增长,这是因为流体在过大的人字形角的流道中流道时,流体的流道阻力特别大,导致了过大的压降。由此可得,过大的人字形角不仅不能有效地强化换热,而且还造成过大的压降,同时还对制造工艺有很高的要求,因此人字形角不宜过大,综合换热与压降,当人字形角为60°时,换热性能较好,压降也在允许范围内,此时最为经济。(a)(b)图4-7换热系数与压降随人字形角的变化趋势1.2.2改变板间距对换热性能的影响在人字形角为60°与板式换热器的几何参数不变的情况下,改变板间距的大小,获得了如图4-8所示的换热系数和冷热流体总压降与板间距的关系,图4-8(a)中为换热系数与板间距的关系,随着板间距的增大,总换热系数不断减小,这是因为板间距增大会使流体的流通面积增大,在通过的流量不变的情况下,流体的流速会随之减小,削弱了换热,总换热系数也随之减小。图4-8(b)为冷热流体总压降与板间距之间的关系,冷热流体总压降随板间距的增大而减小,这也是因为由于流道流通面积的增大导致流速减小,流动损失也随之减小,导致压降减小。(a)(b)图4-8换热系数与压降随板间距的变化趋势板式换热器的流道较窄,容易发生堵塞,且有密封垫片厚度的影响,板式换热器的板间距一般在2.5mm以上。板式换热器的总换热系数和压降在板间距变化的情况下为单调函数,因此需要综合不同的工艺要求以及需方的工作要求,如在需要较强的换热而不太考虑压降的情况下选择较小的板间距,若不希望流道的阻力损失过大,则选择较大的板间距。1.3小结本章对板式换热器进行了设计,并研究了人字形角和板间距对板式换热器性能的影响,得出了如下结