南京工業(yè)大學化工原理課程設計

1、南京工業(yè)大學材料工程原理B課程設計 南 京 工 業(yè) 大 學材料工程原理B課程設計設計題目： 板式換熱器1 -煤油處理能力5000噸/年 專 業(yè)： 班 級： 學 號： 姓 名： 日 期： 指導教師： 設計成績： 日 期： “板式換熱器設計組”任務書(一）設計題目 板式換熱器設計1-煤油處理能力5000噸/年（二）設計任務及操作條件1、處理能力 見下表2、設備型式 板式換熱器3、操作條件（1）油： 入口溫度100，出口溫度40（2）冷卻介質(zhì)：冷卻塔循環(huán)水，入口溫度30，出口溫度50。（3）油側(cè)與水側(cè)允許壓強降：不大于5105 Pa（4）油定性溫度下的物性參數(shù)：名稱（kg/m3）Cp (kj/.)（

2、Pa.s） (W/m.)油8252.228.6610-40.14 （5）工作制度：每年工作245天，每日工作8小時目錄設計任務書 21 設計簡介. 4 1.換熱器概述. 4 1.1板式換熱器4 1.2板式換熱器的應用4 1.3板式換熱器的特點4 2.板式換熱器的基本結構 5 2.1組裝形式（見下圖） 6 2.2傳熱板片.6 2.3密封墊片 6 3.設計的一般原則6 3.1板片波紋形式的選擇6 3.2單板面積的選擇.7 3.3板間流速的選取.7 3.4流程的選取.7 3.5流向的選取.8 3.6流道數(shù)的選取8 3.7墊片材料的選擇.82 工藝流程簡圖.83 板式換熱器的工藝設計計算 8 3.1設

3、計計算步驟8 3.2工藝物性數(shù)據(jù)10 3.3板式換熱器的計算 10 3.3.1計算熱負荷 10 3.3.2計算逆流平均溫度差及冷卻流量10 3.4初選換熱面積10 3.5方案一 . 12 3.6方案二 . 14 3.7方案三 . 16 3.8方案確定及設計結果一覽表. 184 輔助設備的選型 4.1.水泵及水管的選型 . 18 4.2.油泵及油管的選型 19 4.3附各公式符號的意義及單位. 205 設計小結. 20六參考文獻. 21一.設計簡介1.換熱器概述 換熱器，是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，又稱熱交換器。換熱器是化工、石油、動力、食品及其它許多工業(yè)部門的通用設備，在生產(chǎn)中占有

4、重要地位。在化工生產(chǎn)中換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，應用更加廣泛。換熱器種類很多，但根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本上可分三大類即：間壁式、混合式和蓄熱式。在三類換熱器中，間壁式換熱器應用最多。1.1 板式換熱器板式換熱器是由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成的一種新型高效換熱器。各種板片之間形成薄矩形通道，通過半片進行熱量交換。它與常規(guī)的管殼式換熱器相比，在相同的流動阻力和泵功率消耗情況下，其傳熱系數(shù)要高出很多，在適用的范圍內(nèi)有取代管殼式換熱器的趨勢。板式換熱器的型式主要有框架式（可拆卸式）和釬焊式兩大類，板片形式主要有人字形波紋板、水平平直波紋板和瘤形板片

5、三種。1.2板式換熱器的應用 a. 制冷：用作冷凝器和蒸發(fā)器。b. 暖通空調(diào)：配合鍋爐使用的中間換熱器、高層建筑中間換熱器等。 c. 化學工業(yè)：純堿工業(yè)，合成氨，酒精發(fā)酵，樹脂合成冷卻等。d. 冶金工業(yè)：鋁酸鹽母液加熱或冷卻，煉鋼工藝冷卻等。 e.機械工業(yè)：各種淬火液冷卻，減速器潤滑油冷卻等。 f. 電力工業(yè)：高壓變壓器油冷卻，發(fā)電機軸承油冷卻等。g. 造紙工業(yè)：漂白工藝熱回收，加熱洗漿液等。h. 紡織工業(yè)：粘膠絲堿水溶液冷卻，沸騰硝化纖維冷卻等。i.食品工業(yè)：果汁滅菌冷卻，動植物油加熱冷卻等。j. 油脂工藝：皂基常壓干燥，加熱或冷卻各種工藝用液。k. 集中供熱：熱電廠廢熱區(qū)域供暖，加熱洗澡用

6、水。l. 其他：石油、醫(yī)藥、船舶、海水淡化、地熱利用。1.3板式換熱器的特點（板式換熱器與管殼式換熱器的比較）優(yōu)點：a.傳熱系數(shù)高 由于不同的波紋板相互倒置，構成復雜的流道，使流體在波紋板間流道內(nèi)呈旋轉(zhuǎn)三維流動，能在較低的雷諾數(shù)（一般Re=50-200）下產(chǎn)生紊流，所以傳熱系數(shù)高，一般認為是管殼式的3-5倍。對數(shù)平均溫差大，末端溫差小 在管殼式換熱器中，兩種流體分別在管程和殼程內(nèi)流動，總體上是錯流流動，對數(shù)平均溫差修正系數(shù)小，而板式換熱器多是并流或逆流流動方式，其修正系數(shù)也通常在0.95左右，此外，冷、熱流體在板式換熱器內(nèi)的流動平行于換熱面、無旁流，因此使得板式換熱器的末端溫差小，對水換熱可低

7、于1，而管殼式換熱器一般為5。 b.占地面積小 板式換熱器結構緊湊，單位體積內(nèi)的換熱面積為管殼式的2-5倍，也不像管殼式那樣要預留抽出管束的檢修場所，因此實現(xiàn)同樣的換熱量，板式換熱器占地面積約為管殼式換熱器的1/5-1/8。容易改變換熱面積或流程組合，只要增加或減少幾張板，即可達到增加或減少換熱面積的目的；改變板片排列或更換幾張板片，即可達到所要求的流程組合，適應新的換熱工況，而管殼式換熱器的傳熱面積幾乎不可能增加。c.重量輕 板式換熱器的板片厚度僅為0.40.8mm，而管殼式換熱器的換熱管的厚度為2.02.5mm，管殼式的殼體比板式換熱器的框架重得多，板式換熱器一般只有管殼式重量的1/5左右

8、。 價格低 采用相同材料，在相同換熱面積下，板式換熱器價格比管殼式約低40%60%。d. 制作方便 板式換熱器的傳熱板是采用沖壓加工，標準化程度高，并可大批生產(chǎn)，管殼式換熱器一般采用手工制作。 容易清洗 框架式板式換熱器只要松動壓緊螺栓，即可松開板束，卸下板片進行機械清洗，這對需要經(jīng)常清洗設備的換熱過程十分方便。 熱損失小 板式換熱器只有傳熱板的外殼板暴露在大氣中，因此散熱損失可以忽略不計，也不需要保溫措施。而管殼式換熱器熱損失大，需要隔熱層。e. 容量較小 是管殼式換熱器的10%-20%。缺點：a. 單位長度的壓力損失大 由于傳熱面之間的間隙較小，傳熱面上有凹凸，因此比傳統(tǒng)的光滑管的壓力損失

9、大。 不易結垢 由于內(nèi)部充分湍動，所以不易結垢，其結垢系數(shù)僅為管殼式換熱器的1/3-1/10.b. 工作壓力不宜過大，介質(zhì)溫度不宜過高，有可能泄露 板式換熱器采用密封墊密封，工作壓力一般不宜超過2.5MPa，介質(zhì)溫度應在低于250以下，否則有可能泄露。 易堵塞 由于板片間通道很窄，一般只有2-5mm，當換熱介質(zhì)含有較大顆粒或纖維物質(zhì)時，容易堵塞板間通道。2.板式換熱器的基本結構 板式換熱器主要由框架和板片兩大部分組成。板片由各種材料的制成的薄板用各種不同形式的磨具壓成形狀各異的波紋，并在板片的四個角上開有角孔，用于介質(zhì)的流道。板片的周邊及角孔處用橡膠墊片加以密封。框架由固定壓緊板、活動壓緊板、

10、上下導桿和夾緊螺栓等構成。 板式換熱器是將板片以疊加的形式裝在固定壓緊板、活動壓緊板中間，然后用夾緊螺栓加緊而成。2.1組裝形式（見下圖）板式換熱器是根據(jù)實際操作的需要設計和選取的，而流程的選取和設計是根據(jù)板式換熱器的傳熱方程進行計算的，組裝形式有三種：1）串聯(lián)流程 流體在一程內(nèi)流經(jīng)每一垂直流道后，接著就改變方向，流經(jīng)下一程。在這種流程中，兩流體的主體流向是逆流，但相鄰流道中有并流也有逆流。2）并流流程 流體分別流入平行的流道，然后匯聚成一股流出，為單程。3）混流流程 為并流流程和串聯(lián)流程的組合，在同一流程內(nèi)是并聯(lián)的，而程與程之間為串聯(lián)。2.2傳熱板片 傳熱板片是板式換熱器的關鍵性元件，板片的

11、性能直接影響整個設備的經(jīng)濟技術性能。為了增加板片有效的傳熱面積，將板片沖壓成有規(guī)則的波紋，板片的波紋形狀及結構尺寸的設計主要考慮以下兩個元素：一是提高板片的剛性，能耐較高的壓力；二是使介質(zhì)在低速下發(fā)生強烈湍流，從而強化傳熱過程。人們構思出各種形式的波紋板片，以求得換熱率高，流體阻力低，承壓能力大的波紋板片。 板片按波紋的幾何形狀分類有：水平平直波紋、人字形波紋、斜波紋、鋸齒形波紋等板片。 板片材料采用不銹鋼，如1Cr18Ni9Ti,1Cr18Ni12Mo2Ti和H62-1是制造板片的主要材料，應用最為廣泛。2.3密封墊片密封墊片，是一種用于機械、設備、管道只要是有流體的地方就是用的密封備件，使

12、用內(nèi)外部，起密封作用的材料。密封墊片是以金屬或非金屬板狀材質(zhì)，經(jīng)切割，沖壓或裁剪等工藝制成，用于管道之間的密封連接，機器設備的機件與機件之間的密封連接。按材質(zhì)可分為金屬密封墊片和非金屬密封墊片。金屬的有銅墊片，不銹鋼墊片，鐵墊片，鋁墊片等。非金屬的有石棉墊片，非石棉墊片，紙墊片，橡膠墊片等。3.設計的一般原則3.1板片波紋形式的選擇主要是考慮板式換熱器的工作壓力、流體的壓力降和傳熱系數(shù)。如果工作壓力在1.6MPa以上，則別無選擇地選擇人字形波紋板片；如果工作壓力不高又特別要求阻力降低，則選用水平平直板片較好一些；如果安裝位置所限，需要高效率以減少換熱器占地面積，二阻力降可以不受限制，則應選用人

13、字形波紋板片。如下圖。3.2單板面積的選擇單板面積過小,則板片數(shù)目多,占地面積大,阻力降增大;反之,單板面積過大,則板片數(shù)目少,占地面積小,阻力降減少,但是難以保證適當?shù)陌彘g流速。因此,一般單板面積可按角孔流速為6 m/s左右考慮,則各種單板面積組成的板式換熱器處理量見下表： 表1-1單板面積（m2）0.10.20.30.50.81.02.0角孔直徑（mm）4050658080100125150175200200250400單臺最大流通能力（m3/h）274271.4137103170264381520678678106025003.3板間流速的選取流體在板間的流速,影響換熱性能和壓力降。流速

14、高,換熱系數(shù)高,阻力降也增大;反之,則相反。一般取板間流速為0.2 m/s0.8 m/s,且盡量使兩種流體板間速度一致。流速小于0.2 m/s時,流體達不到湍流狀態(tài),且會形成較大的死角區(qū);流速過高會導致阻力降劇增,氣體板間流速一般不大于10 m/s。3.4流程的選取對于一般對成型流到的半式換熱器，兩流體的體積流量大致向當時，應盡可能按等程分布，如兩側(cè)流體相差懸殊，則流量小的一側(cè)可按多程布置。多程換熱器除非特別需要，一般對同一流體在個程中應采用下相同的流道數(shù)。3.5流向的選取單相換熱時,逆流具有最大的平均溫差,一般在板式換熱器的設計中要盡可能把流體布置為逆流。兩側(cè)流體為等流程時,為逆流;當兩側(cè)流

15、體為不等流程時,順流與逆流交替出現(xiàn),平均溫差要小于純逆流。3.6流道數(shù)的選取流道數(shù)的確定受板間流速的 影響，而板間流速的選取有一定的范圍，同時還受到允許壓降的制約。當板間流速一定時，流道數(shù)的多少取決于流量的大小。3.7墊片材料的選擇選擇墊片材料主要考慮耐溫和耐腐蝕兩個因素。國產(chǎn)墊片材料的選擇可參見下表。 表12 墊片性能和使用溫度二工藝流程簡圖三板式換熱器的工藝設計計算3.1設計計算步驟 假定流程數(shù)n1，n2假定流道數(shù)m1，m2計算Tm及Re，Pr求解1，2及K的值 計算傳熱面積A計算安全系數(shù)，若不滿足要求，重新假定流程數(shù) 計算壓降PPP允 如不滿足要求，重新假定流道數(shù) 此方案可選用3.2工藝

16、物性數(shù)據(jù) 水：入口溫度=30 出口溫度=50 定性溫度=40 查表得：表3-1 油：入口溫度=100 出口溫度=40 油定性溫度下的物性參數(shù)：名稱（kg/m3）Cp (kj/.)（Pa.s） (W/m.)油8252.228.6610-40.14表2-23.3板式換熱器的計算 3.3.1計算熱負荷及水流量 3.3.2計算逆流平均溫度差及冷卻流量 3.4初選換熱面積粘度小于Pa.s油與水換熱時列管式的換熱器的K值大約為300800W/(m .),而板式換熱器的傳熱系數(shù)為列管式換熱器的24倍，則可初估為1000 W(m .)。 初步估計換熱面積:3.5方案一：1.初選BR0.1型板式換熱器，其單通道

17、橫截面面積為6.5610m，實際單板傳熱面積為0.109 m2。試選組裝形式。油的流程數(shù)為6，每程通道數(shù)為2；水的流程數(shù)為3，每程通道數(shù)為4；換熱面積為4m2 因為所選板型為混流，采用列管式換熱器的溫差校正系數(shù)：，查三殼程溫差校正系數(shù)圖，得所以校正后的初估換熱面積：2. 核算總傳熱系數(shù)K(1)油測的對流傳熱系數(shù)流速 采用0.1的人字形板式換熱器，其板間距，當量直徑油被冷卻，取油的換熱系數(shù)：(2) 水側(cè)的對流傳熱系數(shù)流速水被加熱，取取水的換熱系數(shù)：(3)金屬板的熱阻板材為不銹鋼（1Gr18Ni9Ti），其導熱系數(shù)=16.8 W/(m.)，板厚0.8，則=0.0000476(m.) / W(4)

18、污垢熱阻油側(cè)：R1=0.000052(m.) / W，水側(cè)：R2=0.000043(m.) / W (5）3.傳熱面積S安全系數(shù)為%=25.4%，傳熱面積的裕度可滿足工藝要求。4. 壓降計算圖3-1 人字形板式換熱器（油-水）油: u1=0.655m/s 水: u2=0.435m/s 油和水的壓降都滿足要求,此方案可行.故所選板式換熱器規(guī)格型號; 3.6方案二：1.初選BR0.1型板式換熱器，其單通道橫截面面積為6.5610m，實際單板傳熱面積為0.109 m2。試選組裝形式。油的流程數(shù)為4，每程通道數(shù)為3；水的流程數(shù)為6，每程通道數(shù)為2；換熱面積為4m2 因為所選板型為混流，采用列管式換熱器

19、的溫差校正系數(shù)：，查溫差校正系數(shù)圖，得所以校正后的初估換熱面積：3. 核算總傳熱系數(shù)K(1)油測的對流傳熱系數(shù)流速 采用0.1的人字形板式換熱器，其板間距，當量直徑油被冷卻，取油的換熱系數(shù)：(3) 水側(cè)的對流傳熱系數(shù)流速水被加熱，取取水的換熱系數(shù)：(3)金屬板的熱阻板材為不銹鋼（1Gr18Ni9Ti），其導熱系數(shù)=16.8 W/(m.)，板厚0.8，則=0.0000476(m.) / W(5) 污垢熱阻油側(cè)：R1=0.000052(m.) / W，水側(cè)：R2=0.000043(m.) / W (5）3.傳熱面積S安全系數(shù)為%=12.4%，傳熱面積的裕度可滿足工藝要求。5. 壓降計算油: u1=

20、0.436m/s 水: u2=0.87/s 油和水的壓降都滿足要求,此方案可行.故所選板式換熱器規(guī)格型號; 3.7方案三：1.初選BR0.1型板式換熱器，其單通道橫截面面積為6.5610m，實際單板傳熱面積為0.109 m2。試選組裝形式。油的流程數(shù)為4，每程通道數(shù)為3；水的流程數(shù)為4，每程通道數(shù)為3；換熱面積為4m2 因為所選板型為混流，采用列管式換熱器的溫差校正系數(shù)：，查溫差校正系數(shù)圖，得所以校正后的初估換熱面積：4. 核算總傳熱系數(shù)K(1)油測的對流傳熱系數(shù)流速 采用0.1的人字形板式換熱器，其板間距，當量直徑油被冷卻，取油的換熱系數(shù)：(4) 水側(cè)的對流傳熱系數(shù)流速水被加熱，取取水的換熱

21、系數(shù)：(3)金屬板的熱阻板材為不銹鋼（1Gr18Ni9Ti），其導熱系數(shù)=16.8 W/(m.)，板厚0.8，則=0.0000476(m.) / W(6) 污垢熱阻油側(cè)：R1=0.000052(m.) / W，水側(cè)：R2=0.000043(m.) / W (5）3.傳熱面積S安全系數(shù)為%=9%，傳熱面積的裕度可滿足工藝要求。6. 壓降計算油: u1=0.436m/s 水: u2=0.58m/s 油和水的壓降都滿足要求,此方案可行.故所選板式換熱器規(guī)格型號; 3.8方案確定及設計結果一覽表方案名稱板片塊數(shù)安全系數(shù)K方案一2425.4%1961方案二2412.4%1760方案三249%1707將三

22、個方案進行對比，從板片數(shù)，換熱系數(shù)，占內(nèi)地面積，經(jīng)濟成本，安全等方面綜合考慮，選擇第二種方案。換熱器類型：人字形板式油水換熱器換熱面積（m2）2.23裕度12.4%技術參數(shù)：物料名稱油側(cè)水側(cè)操作溫度（）100/4050/30流體密度（kg/m3）825992.2流速u（m/s）0.4360.87總傳熱量Q（kW ）94.4總傳熱系數(shù)K（W/m.）1760對流傳熱系數(shù)（W/m.）2696.318415.5污垢系數(shù)（W/m.）0.0000520.000043推薦使用材料1Gr18Ni9Ti換熱器規(guī)格板片尺寸（長*寬*厚 mm）有效傳熱面積（m2）0.109波紋形式人字形波紋平均板間距（mm）4平均

23、流道橫截面積（mm2）0.000656平均當量直徑(mm)0.008四輔助設備的選型4.1.水泵及水管的選型水的質(zhì)量流量，體積流量選取的水管,管路總長20m，其中換熱器截面高出蓄水池水平面15m，吸入管路長5m。管內(nèi)流速u=0.87m/s，Re=10575.4選擇新的無縫鋼管，取其絕對粗糙度，相對粗糙度，查表得摩擦系數(shù)截止閥全開時的阻力系數(shù)，兩個900彎頭的阻力系數(shù)；管路的壓頭損失為 m則揚程根據(jù)水的體積流量；揚程 （水 柱） ，可從離心泵規(guī)格表中選用IS50-32-250的離心泵。4.2.油泵及油管的選型油的質(zhì)量流量，體積流量： 選取的無縫鋼管 管路總長10m，其中換熱器平面高出油泵平面10

24、m，吸入管路長5m。 管內(nèi)流速0.436m/s 取其絕對粗糙度，相對粗糙度 查表得摩擦系數(shù)， 截止閥全開時的阻力系數(shù)， 兩個900彎頭的阻力系數(shù)； 管路的壓頭損失為 m 則揚程 根據(jù)油的體積流量；揚程 ， 可從離心泵規(guī)格表中選用KCB-55-2CY-3.3/0.33的離心泵。4.3附各公式符號的意義及單位符號意 義單位符號意 義單位Q熱負荷WCp比熱KJ/kg流體密度Kg/ m3tm平均溫差體積流量m3/sS傳熱面積m2K總傳熱系數(shù)W/ m2u流 速m/sT1、T2熱介質(zhì)進出口溫度t1、t2熱介質(zhì)進出口溫度m流程數(shù)n流道數(shù)對流換熱系數(shù)W/ m2s單通道截面積m2運動粘度m2/s介質(zhì)導熱系數(shù)W/ mp阻力損失（壓降）MpaEuEu = p / . W2無量綱Re無量綱de當量直徑mN