課設(shè)—板式換熱器

1、南 京 工 業(yè) 大 學材料工程原理B課程設(shè)計設(shè)計題目： 板式換熱器 -煤油處理能力10000公斤/小時 專 業(yè)： 班 級： 學 號： 姓 名： 日 期： 2014/12/202015/1/5 指導教師： 張振忠 教授 設(shè)計成績： 日 期： 2014年材料工程原理B課程設(shè)計 “板式換熱器設(shè)計組1”任務(wù)書（一）設(shè)計題目 板式換熱器設(shè)計1-油處理能力10000公斤/小時（二）設(shè)計任務(wù)及操作條件1、處理能力 見下表2、設(shè)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5×105

2、Pa（4）油定性溫度下的物性參數(shù)：名稱（kg/m3）Cp (kj/.)（Pa.s） (W/m.)油8252.228.66×10-40.14 目錄1 設(shè)計方案簡介 1.1換熱器的概述-4 1.2板式換熱器的概述-4 1.3板式換熱器的基本結(jié)構(gòu)-4 1.4組裝形式-5 1.5密封墊片-6 1.6傳熱板片-6 1.7板式換熱器的特點-7 1.8板式換熱器的應(yīng)用-72 設(shè)計的一般原則 2.1類型的選擇-7 2.2板片面積的選擇-8 2.3單片面積的選擇-8 2.4流速的選取-8 2.5流向的選取-8 2.6流程的選取-8 2.7流道的選擇-8 2.8墊片材料選取-93 板式換熱器設(shè)計計算 3

3、.1計算熱負荷-9 3.2計算平均溫差及冷卻流量-9 3.3水的定性溫度-9 3.4初步估計面積-9 3.5設(shè)計方案一-10 3.6設(shè)計方案二-12 3.7設(shè)計方案三-14 3.8方案確定及設(shè)計結(jié)果一覽表-164 輔助設(shè)備及選型 4.1水泵及水管的計算選型-17 4.2油泵及油管的計算選型-185 附圖-186 設(shè)計感言-187 參考文獻-19一：設(shè)計簡介1. 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(shè)備，又稱熱交換器。換熱器是化工、石油、動力、飾品及其他許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。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(yīng)用更加廣泛，

4、日常生活中取暖用的暖氣散熱片、汽輪機裝置中的凝汽機和航天火箭上的油冷卻器等，都是換熱器。它的主要功能是保證工藝過程中對介質(zhì)所要求的特定溫度，同時也是提高能源利用率的主要設(shè)備之一。換熱器種類很多，若按換熱器傳熱面積形狀和結(jié)構(gòu)可分為管式換熱器和特殊形式換熱器；根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本上可分為三大類即：間壁式、混合式和蓄熱式。在三大類換熱器中，間壁式換熱器應(yīng)用最多1.2板式換熱器概述 本成套設(shè)備由板式換熱器、平衡槽、離心式衛(wèi)生泵、熱水裝置（包括蒸汽管路、熱水噴入器）、支架以及儀表箱等組成。用于牛奶或其它熱敏感性液體之殺菌冷卻。欲處理的物料先進入平衡槽，經(jīng)離心式衛(wèi)生泵送入換熱器、經(jīng)過預(yù)熱

5、、殺菌、保溫、冷卻各段，凡未達到殺菌溫度的物料，由儀表控制氣動回流閥換向、再回到平衡槽重新處理。物料殺菌溫度由儀表控制箱進行自動控制和連續(xù)記錄，以便對殺菌過程進行監(jiān)視和檢查。此設(shè)備適用于對牛奶預(yù)殺菌、巴式殺菌。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三種。1.3板式換熱器的基本結(jié)構(gòu) 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。板片的四周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、上下倒桿和夾緊螺栓等組成。

6、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。1.4組裝形式 板式換熱器是根據(jù)實際操作的需要設(shè)計和選取的，而流程的選取和設(shè)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)，而程與程之間為并聯(lián)。1.5密封墊片 密封墊片是換熱器的重要構(gòu)件，對它的基本要求是耐熱、耐壓、耐腐蝕。板式換熱器通過

7、壓板壓緊墊片達到密封。為確保可靠的密封，必須在操作條件下密封面上保持足夠的壓緊力。板式換熱器由于密封周邊長，需用墊片兩大，在使用過程中需用平凡拆卸和清洗，泄露可能性大。如果墊片材料選取不當，彈性不好，所用膠水不黏或涂的不勻，都可能發(fā)生脫墊、變形、老化等。加之板片生產(chǎn)過程中，有時發(fā)生翹曲，也可能造成泄漏。一臺換熱器往往由幾十片甚至幾百片傳熱板片組成，墊片的中心很難對準，組裝時容易使墊片某段壓扁或擠出，造成泄漏，因此必須增加墊片上下接觸面積。墊片廣泛采用天然橡膠、丁晴橡膠、氯丁橡膠、硅橡膠、氯橡膠1.6傳熱板片 傳熱板片是板式換熱器的關(guān)鍵性元件，板片的性能直接影響整個設(shè)備的經(jīng)濟技術(shù)性能。為了增加板

8、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(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計主要考慮以下兩個因素：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(gòu)思出各種形式的波紋板片，以求得換熱效率高、流體阻力低、承受能力大的波紋板片。板片按幾何形狀區(qū)分為：水平平直波紋、人字形波紋、斜波紋、鋸齒形波紋等波紋板片。如圖：1.7板式換熱器的特點 （1）優(yōu)點：1.總的傳熱系數(shù)高，因板式換熱器中，板面被壓制成波紋或槽溝，在低速下即可達到湍流，故總的傳熱系數(shù)高，而液體阻力增加不大，污垢熱阻亦較小，對低粘度液體的傳熱，K值可高達7000；2.結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積設(shè)備提供的傳熱面積

9、大；3.操作靈活性大，可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)板片數(shù)目以增減傳熱面積，或以調(diào)節(jié)流道的辦法，適應(yīng)冷、熱流體流量和溫度的變化要求；4.加工制造簡單，檢修清洗方便，熱損失小。 （2）缺點：1.允許操作壓力較低，最高不超過1961KPa，否則容易滲漏；2，操作溫度不能太高，因受墊片熱性能的限制，如合成橡膠墊圈不高于130，對壓縮石棉墊圈也應(yīng)低于250；3.處理量不大，因板間距小，流速亦不能過大。1.8板式換熱器的應(yīng)用（1） 制冷：用作冷凝器和蒸發(fā)器。（2） 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。（3） 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。（4） 冶金工業(yè)：鋁酸鹽母液加熱或

10、冷卻，煉鋼工藝冷卻等。（5） 機械工業(yè)：各種淬火液冷卻，減速器潤滑油冷卻等。（6） 電力工業(yè)：高壓變壓器油冷卻，發(fā)電機軸承油冷卻等。（7） 造紙工業(yè)：漂白工藝熱回收，加熱洗漿液等。（8） 紡織工業(yè)：粘膠絲堿水溶液冷卻，沸騰硝化纖維冷卻等。（9） 食品工業(yè)：果汁滅菌冷卻，動植物油加熱冷卻等。二：設(shè)計的一般原則2.1板式換熱器類型的選擇板式換熱器的種類較多，每種都有相適應(yīng)的工況，工程設(shè)計中應(yīng)首先對此做出選擇。（1） 溫度在200以上，壓力大于2MPa,可以選擇釬焊式換熱器，若總面積較大，則可以選擇全焊式換熱器；（2） 溫度大于300，壓力大于3.5MPa，應(yīng)選擇板殼式換熱器；對于末端溫差小的工況，

11、可以選擇淺槽波紋；對于拆卸比較頻繁的，可選擇拆式換熱器；（3） 對于流量相差較大的，可選用非對稱性換熱器2.2板型的選擇主要考慮需要達到的的換熱效果以及壓降要求；若承壓要求在1.2MPa以上，大多數(shù)情況下選擇人字形波紋；若壓降要求較小而對換熱效果要求不高，可選用平直波紋；若介質(zhì)中雜質(zhì)較多，可選用球形波紋；對于壓降與換熱效果都有一定的工況，還可以選擇熱混合板片。2.3單片面積的選擇 選擇合理的單片面積，能夠避免總板片數(shù)過多或過少。板片過多會使設(shè)備占地面積太大；過少可能會使流程數(shù)增多，壓降增大；同時單片面積的大小在一定程度上還與角孔大小有關(guān)，直接影響流量和流速的變化。 單臺最大處理量參考值 2.4

12、流速的選取流體在板間的流速影響換熱性能和流體的壓力降，流速高換熱系數(shù)高，但流體的壓力降也增大，反之則情況相反。板間平均流速。流速低于時流體就達不到湍流狀態(tài)且會形成較大死角區(qū)，流速過高則會導致阻力將組增。2.5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(yīng)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(yīng)采用下相同的流道數(shù)。2.6流向的選擇 換熱器采用等程布置，介質(zhì)的流向能夠?qū)崿F(xiàn)全逆流，獲得最大的平均溫差；當兩側(cè)不等程時，逆流和順流會交替出現(xiàn)。2.7流道數(shù)的選擇 流道數(shù)的確定受板間流速的影響，而板間流速的選

13、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。2.8墊片材料的選擇 選擇墊片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。 墊片性能和使用溫度三：板式換熱器設(shè)計計算3.1計算熱負荷 Q=()=（W）3.2計算逆流平均溫差及冷卻流量3.3水的定性溫度查表得：名稱（kg/m3）（/.)µ（Pa.s） (W/m.)水992.24.1746.53×10-40.6353.4初選換熱面積粘度小于0.5×103Pa·S，油與水換熱時列管式的換熱器的K的值約為300800W（m2·），而板式換

14、熱器的傳熱系數(shù)為列管式的24倍，則可初估為2000W（m2·）3.5方案一： 初選BR0.1型板式換熱器，其單通道截面積為（）實際單板換熱面積為0.1152（） 試選組裝形式為。油的流程數(shù)為7，每程通道數(shù)為5；水的流程數(shù)為5，每程通道數(shù)為7。 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)。根據(jù)所選組裝形式查如下圖：可得：=0.97=×=0.97×24.85=24.1初估換熱面積為：S=核算總傳熱系數(shù)K（1） 油側(cè)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=4，當量直徑 油的換熱系數(shù)： （2） 水側(cè)的對流換熱系數(shù)： 冷卻水的流速 水的換熱系

15、數(shù)： （3） 金屬板的熱阻： 板材為不銹鋼（1Gr18Ni9Ti）,其導熱系數(shù)為，板厚，則（4） 污垢熱阻： 油側(cè)： 水側(cè)：（5） 總傳熱系數(shù)K： 傳熱面積S 安全系數(shù)為：，傳熱面積的裕度可滿足工藝要求。壓降計算油：水：油和水的壓降都滿足條件，此方案可取。所選板式換熱器規(guī)格型號：BR0.13.6方案二： 試選BR0.2型板式換熱器，其單通道截面積為，實際單板換熱面積為0.208 初估換熱系數(shù)K=1000，換熱面積為：試選組裝形式為。油的流程數(shù)為6，每程通道數(shù)為6；水的流程數(shù)為4，每程通道數(shù)為9。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)： =×=0.97×24.85

16、=24.1初估換熱面積為：核算總傳熱系數(shù)K（1） 油側(cè)的對流傳熱系數(shù)： 流速 采用0.2的人字形板式換熱器，其板間距=4，當量直徑 油的換熱系數(shù)： （2） 水側(cè)的對流傳熱系數(shù)： 流速 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)為，板厚，則 （4）污垢熱阻： 油側(cè)： 水側(cè)： （5）總傳熱系數(shù)K： 傳熱面積S 安全系數(shù)為：，傳熱面積的裕度可滿足工藝要求。壓降計算：油：水：油和水的壓降都滿足條件，此方案可取。所選板式換熱器規(guī)格型號：BR0.2/11-3.7方案三 試選BR0.3型板式換熱器，其單通道截面積為，實際單板換熱面積為0.27 初估換熱系數(shù)K=10

17、00，換熱面積為：試選組裝形式為。油的流程數(shù)為6，每程通道數(shù)為5；水的流程數(shù)為2，每程通道數(shù)為15。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)： =×=0.97×24.85=24.1初估換熱面積為：核算總傳熱系數(shù)K（3） 油側(cè)的對流傳熱系數(shù)： 流速 采用0.2的人字形板式換熱器，其板間距=4，當量直徑 油的換熱系數(shù)： （4） 水側(cè)的對流傳熱系數(shù)： 流速 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)為，板厚，則 （4）污垢熱阻： 油側(cè)： 水側(cè)： （5）總傳熱系數(shù)K： 傳熱面積S 安全系數(shù)為：，傳熱面積的裕度可滿足工藝要求。壓降

18、計算：油：水：油和水的壓降都滿足條件，此方案可取。所選板式換熱器規(guī)格型號：BR0.3/11-3.8方案確定及設(shè)計結(jié)果一覽表方案名稱板片塊數(shù)安全系數(shù)K設(shè)計方案一7016.382247設(shè)計方案二7220.261250設(shè)計方案三6017.91136將三種方案進行對比，從其板片數(shù)，換熱系數(shù)，占大面積，經(jīng)濟成本，安全等多方面綜合考慮，選擇第一種方案。 人字形板式換熱器技術(shù)參數(shù)和計算結(jié)果 換熱器類型：人字形板式油水換熱器 換熱面積（） ：7.95 裕度：16.38 技術(shù)參數(shù)： 物料名稱 油側(cè) 水側(cè) 操作壓強（Pa） 12091 26573 操作溫度() 100/40 50/30 流體密度（） 825 99

19、2.2 流速（m/s） 0.8 0.76 總傳熱量（kw） 370 總傳熱系數(shù)（） 2247 對流傳熱系數(shù) 4119 16750 污垢系數(shù)（） 0.000052 0.000043 推薦使用材料 1Gr18Ni9Ti 換熱器規(guī)格 Br0.1 板片尺寸，長×寬×高（mm） 625×235×0.8 有效傳熱面積（） 0.1152 波紋形式 人字形波紋 波紋高度（mm） 4 法向波紋節(jié)距（mm） 10 流道寬度（mm） 210 平均板間距（mm） 4 平均流道橫截面積() 0.00084 平均當量直徑（mm） 0.008四輔助設(shè)備的選型4.1水泵及水管的選型 水

20、的質(zhì)量流量，體積流量 。取，選取 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0.76m/s，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)，兩個彎頭的阻力系數(shù) ，則管路的壓頭損失為 則揚程 根據(jù)體積流量，揚程（水柱），可從離心泵規(guī)格表 中選用型號為IS65-50-125的離心泵。4.2油泵及油管的類型 油的質(zhì)量流量，體積流量 ，取油管直徑，選取無縫鋼管 管路總長10m，換熱器平面高出油泵平面10m。 油管內(nèi)流速， 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)，兩個彎頭的阻力系數(shù) ，則管路的壓頭損失為 則揚程 根據(jù)體積流量，揚程（水柱），可從離心泵規(guī)格表 中選用型號為I