板式換熱器設計

1、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- 油處理能力17000 公斤/小時專業(yè)：高分子材料與工程班級：高材 1001 班學號：1102100124姓名：聯(lián)系方式：日期：2013-1-5-2013-1-14指導教師：振忠設計成績：日期： 2013-1-14目錄33341.141.27102.1102.2112.3122.4162.517193.1193.219214.1214.222245.1245.2255.326設計任務書（一）設計題目板式換熱器 - 油處理能力 17000 公斤 / 小時（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）

2、油： 入口溫度 100，出口溫度 40（ 2）冷卻介質：冷卻塔循環(huán)水，入口溫度 30，出口溫度 50。（ 3）油側與水側允許壓強降：不大于 5105 Pa（ 4）油定性溫度下的物性參數(shù)：（kg/m3）Cp (KJ/（Pa.s ）(W/m)名稱 )油8252.228.66 10-40.14油的中性溫度 = 240=70100第一章板式換熱器概述1.1 板式換熱器的基本結構1.1.1整體結構板式換熱器主要由一組長方形的薄金屬板平行排列構成。 用框架將板片夾緊組裝于支架上，如下圖所示。兩相鄰板片襯以墊片（橡膠或壓縮石棉等）壓緊，達到密封的目的。板片四角有圓孔，形成液體的通道。冷、熱流體交替地在板片兩

3、側流過，通過板片進行換熱。板片通常被壓制成各種槽形或波形的表面， 這樣增強了剛度， 不致受壓變形，同時也增強液體的湍流程度，增大傳熱面積，亦有利于流體的均勻分布。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圓孔，用于介質的流道。板片的四周及角孔處用橡膠墊片加以密封?？蚣苡晒潭▔壕o板、活動壓緊板、上下倒桿和夾緊螺栓等組成。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。1.1.2組裝形式板式換熱器是根據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板式換熱器的傳熱方程

4、進行計算的，組裝形式有三種：1）串聯(lián)流程流體在一程流經每一垂直流道后，接著就改變方向，流經下一程。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，在同一流程是并聯(lián)。1.1.3板式換熱器的特點（ 1）優(yōu)點：a. 總傳熱系數(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呈旋轉三維流動，能在較低的雷諾數(shù)（一般 Re=50-200）下產生紊流，所以傳熱系數(shù)高，一般認為是管殼式的3-5 倍。b. 占地面積小 板式換熱器結構緊湊， 單位體積的換熱面積為管殼式的 2-

5、5 倍，只要增加或減少幾板，改變板片排列或更換幾板片，即可達到所要求的流程組合。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。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，管殼式換熱器一般采用手工制作。e. 容量較小 是管殼式換熱器的 10%-20%。（2）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大。b 工作壓力不宜過大，介質溫度不宜過高，有可能泄露。C. 易堵塞 由于板片間通道很窄，一般只有 2-5mm，當換熱介質含有較大顆?；蚶w維物質時，

6、容易堵塞板間通道。e. 處理量不大，因板間距小，流道截面較小，流速亦不能過大。1.1.4板式換熱器的應用制冷：用作冷凝器和蒸發(fā)器；暖通空調：配合鍋爐使用的中間換熱器、高層建筑中間換熱器等；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；冶金工業(yè)：鋁酸鹽母液加熱或冷卻，煉鋼工藝冷卻等；機械工業(yè)：各種淬火液冷卻，減速器潤滑油冷卻等；電力工業(yè)：高壓變壓器油冷卻，發(fā)電機軸承油冷卻等。1.2確定設計原則1.2.1選擇板片的波紋形式及單板面積的選擇板片的選用原則：主要考慮板式換熱器的工作壓力，流體的壓力將和傳熱系數(shù)。如果工作壓力在1.6MPa以上，則別無選擇的要采用人字形波紋板片 ; 如果不高有特別

7、要求阻力降低，則選用水平平直波紋板片較好一些 ; 如果由于安裝位置所限，需要高的換熱效率以減少占地面面積， 而阻力將可以不受限制則應選用人字形波紋板片。單板面積過小，則板式換熱器的版片數(shù)多也即是占地面積增大，程數(shù)增多（造成阻力降增大）；反之，雖然占地面面積和阻力減少，難保證板間通道必要的流速。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 ( 見圖 1-2-1 ）。1.2.2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

8、阻力將組增。1.2.3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， 如兩側流體相差懸殊，則流量小的一側可按多程布置。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)。1.2.4流向的選取單向換熱時，逆流具有最大的平均傳熱溫差。本設計中將流體布置為逆流。1.2.5并聯(lián)流道的選取一程中并聯(lián)流道數(shù)目的多少視給定流量及選取的流速而定，流速的高低受制于允許壓降， 在可能的最大流速以， 并聯(lián)流道數(shù)目取決于流量的大小。1.2.6墊片材料的選擇密封墊片是換熱器的重要構件，對它的基本要耐熱、耐壓、耐腐蝕。板式換熱器通過壓板壓緊墊片達到密封。為確保

9、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。墊片材料廣泛采用天然橡膠、丁晴橡膠、氯丁橡膠、硅橡膠、氯橡膠。這些材料的安全使用溫度一般在125以下，最高不超過200。橡膠墊片有不耐有機溶劑腐蝕扥缺點。選擇墊片材料主要考慮耐溫和耐

10、腐蝕兩個因素。 國產墊片材料的選擇參見下表。此設計中預選壓縮石棉橡膠墊片第二章板式換熱器的工藝設計計算2.1設計計算步驟確定組裝形式判斷步驟 :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 S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 PP P 允 如不滿足要求，重新假定流道數(shù)此方案可選用2.2工藝計算數(shù)據一覽表計算項目冷卻水初溫冷卻水終溫油初溫油終溫冷卻水密度冷卻水比熱容冷卻水粘度油密度油比熱容油粘度水流量水導熱系數(shù)油流量符號t 1t2T1T 22c 221c 11q m22q m1單位計算公式數(shù)值已知30已知50已

11、知100已知40 /m 3查表992.2kj/ （ kg）查表4.174Pa s查表46.56 10 /m 3查表825kj/ （ kg）查表2.22Pa s查表8.66 10 4 /hQ27125C2 t2W/(m 2 . )查表0.635 /h已知17000油導熱系數(shù)1W/(m 2已知0.14. )逆流平均溫差T1 t123.61t mT2 t2ln T1t1T2t 22.3板式換熱器的設計計算2.3.1計算熱負荷=q（） 170002.22 103(100 -40 )=6.29 105 W1m 1 Cp 1T1-T2 =36002.3.2計算逆流平均溫差及水流量逆流時 1=( 100-5

12、0) =50 2= (40-30) = 10 m=（50-10 ）/ln5 = 24.85因為水的特性溫度為T =3050 =40查表的2（kg/m3）Cp (kj/（Pa.s ）(W/m.)名稱. )水992.24.1746.53 10-40.635 Q1=Q2= qm2Cp 2 (50 -30 )=6.29 10 5 W3600qm2 =27125 kg/h2.3.3初估換熱面積粘度 =0.5-1.0 10 3 Pa.s, 油與水換熱時列管式的換熱器的2K 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 . ).初估換熱

13、面積為S =629000=25.31 m 2100024.85初選 BR0.3 型板式換熱器，其單通道橫截面面積為 1.18 10-3 m2 ，實際單板傳熱面積為 0.308 m 2 。試選組裝形式 18- 31 3010（混流） 3 10 為油的流程，程數(shù)為 3，每程通道數(shù)為 10， 1 30 為水的流程，程數(shù)為 1，每程通道數(shù)為30；換熱面積為 18m2因所選版型為混流，采用列管式換熱器的溫差校正系數(shù):R=T1 T2100-40=3= 50-30t 2 - t1P=t2t1 = 100503030 = 2 =0.286T1t27查表得=0.95t mttm=0.95 24.85 = 23.

14、61初估換熱器面積 S=Q1=629000= 26.64 m 2tm100023.61 10002.3.4核算總傳熱系數(shù) K（1）油側的對流傳熱系數(shù)1流速u1 =17000=0.485 m/s108250.001183600采用 0.3m 2 人字形板式換熱器，其板間距=4.4mm查表得當量直徑De = 7 mm = 0.007mRe1 =Deu11 =0.007 0.485 825 / 0.000866 = 40661Pr1 = C ph1 = 2220 0.000866 / 0.14 = 13.73h1 =0.18(h / De )Re10 .7 Pr1 0.45 （） 0.14w油被冷卻

15、，（） 0.14 =0.951 = 2972 W/(m 2 )w（2）水側對流傳熱系數(shù)2流速u2=27125= 0.215 m/s825300.001183600Re2 = Deu22 = 0.0070.215 992.2= 287526.5310 4P=c22=4.1741036.53104r0.635= 4.29222=0.18 2 Re10.7 Pr1 0.45 （） 0.14D ew水被加熱（） 0.14 =1.052 = 6925 W/(m 2 . )w（3）金屬板熱阻 bw板材為不銹鋼（ 1Gr18Ni9Ti ），其導熱系數(shù)w =16.8 W/(m 2 ) ，板厚 0.8，則 b

16、=0.0000476(m2 ) / Ww（4）污垢熱阻油側R1 =0.000052(m2 ) / W ,水側R2 =0.000043(m 2 ) / W(5) 總傳熱系數(shù) K1= 11+ 12+R1+R2+ b =0.000052+0.000043+0.0000476+1/2875+1/69Kw25 = 0.000052+0.000043+0.0000476+0.0000348+0.00001442 )可算得 K=1575(W/m計算傳熱面積 SS=Q= 629000=16.92 m 2K tm157523.61安全系數(shù)為6010.30816.92 = 7.40 ，傳熱系數(shù)過小，故舍去。16.

17、92重新假設20-3 11時 ，根據上述方法，可算出如下數(shù)據：13317000u1 =0.441m/s3600118250.00118Re1 = 3697Pr1 = 13.731 =0.18( h / De )Re10.7 Pr1 0 .45 （） 0 .14 = 2780wu2=27125= 0.235 m/s8253336000.00118Re 2 = 3142Pr 2= 4.292 =0.182 Re10.7 Pr1 0.45 （） 0.14 = 7369D ew1= 11+ 12 +R1+R2+ b =0.000052+0.000043+0.0000476+1/2780+1/73Kw6

18、9可算得2 K=1567W/m)計算傳熱面積 SS=Q=629000=17.00 m 2K tm 1567 23.61安全系數(shù)為66 10.30817.00= 17.76 ， 滿足條件。17.002.4壓降計算（1）計算油側壓降u1 = 0.441m/s,Re= 3697Eu= 1080Re 0. 225 =080(3697) - 0.225 =170.08Eu=（37）Eu=72.89 P= Euu 2 =11695 Pa 5105 Pa，滿足要求。（2）計算水側壓降u2 = 0.235 m/sRe= 3142-0.225=176.42Eu =(1/7)Eu=25.20Eu=1080Reu2

19、= 1381 Pa 500000Pa ，滿足要求。P=Eu故選板式換熱器型號BR0.3-20- 3 11 型式1 332.5換熱器主要結構尺寸及計算結果一覽表換熱器型號 BR0.3-20- 3 11 型式133主要性能參數(shù)：外形尺寸（長寬高）1135370 0.7有效傳熱面積， m20.308波紋形式等腰三角形波紋高度，3.7流道寬度 ，320平均板間距，4.4平均流到橫截面積， m20.00118平均當量直徑，7法向波紋間距，15板片材料12? t m油的流速 u1Re油0.181 e0.7 Pr 0.43 ( De水的流速 u2Re水0.182 e0.7 Pr0.43 ( Debw302（

20、1Cr18Ni9Ti ）數(shù)據統(tǒng)計23.61 o C0.441m/s369713.732780)0.14w0.235m/s31424.297369)0.14w0.0000476 m2C /W油側污垢熱阻 R10.000052m2C / W水側污垢熱阻 R30.000043m2C / WK1567/(m2C)W所需傳熱面積 S17.00m2實際加熱面積 S20.02m2安全系數(shù)17.76%油側壓強降p111695 pa水側壓強降p21381pa墊圈壓縮石棉橡膠第三章輔助設備的計算與選擇3.1 水泵的選擇水的質量流量 qm27125 kg/h ，體積流量 qv 27.34m3/hdqv= 0.203

21、 m= 203 mm0.785u選取2196 mm無縫 GB 8163 87 鋼管，管路總長為20m，其中換熱器截面高出蓄水池表面15m，吸入管路長 5m。管流速 u0.235 m/s， Re3142取相對粗糙度0.350.00173 ，查得摩擦系數(shù)0.015203d截止閥全開時的阻力系數(shù)16.0 ，兩個 90彎頭的阻力系數(shù)20.7521.5則管路的壓頭損失為H f(l) u2d2g(0.015201.5)0.23526.020.025 m0.2039.81則揚程 HZH f150.02515.025m（水柱）同時流量 qv27.34m3/h從而可選用型號為 IS65-50-125的離心泵。3

22、.2 油泵的選擇煤油的質量流量 qm17000 kg/h ，煤油的體積流量qv20.613/hmdqv= 0.128m = 128 mm，選擇 1405 mm的無縫 GB8163 87 鋼管，0.785u管路總長為 10m，換熱器截面高出泵截面10m。管流速 u = 0.441m/s雷諾數(shù) Re 3697取鋼管相對粗糙度0.350.0027，查得0.027 ，130d截止閥全開時的阻力系數(shù)兩個 90彎頭的阻力系數(shù)126.0 ，0.7521.5，則管路的壓頭損失為H f(l) u2d2g(0.027101.5)0.44126.020.095 m0.139.81則揚程HZH f100.09510.

23、095 m同時體積流量 qv20.61m3/h, 可從離心泵規(guī)格表中選用型號為 IS80-50-200的離心泵。輔助設備一覽表型號與規(guī)格輸水管GB 816387（ 2196 mm）輸水泵IS65-50-125輸油管GB 816387（ 1405 mm）輸油泵IS80-50-200課程設計總結這次課程設計在選擇組裝形式并通過計算判斷該種方案是否符合要求花了自己大量時間。 通過到圖書館去借參考資料回來進行翻閱以及上網查資料加深了我對課程設計的認識。在設計過程中，我對 302 304 316 不銹鋼有了初步的認識，對各種管材及離心泵的規(guī)格和型號有了許多認識， 也學到了在設計中要把設備的使用價值和經濟考慮進去，同時以前的一些沒能加以理解的知識得以重新回顧。 在設計過程過對不同的選擇組裝型式進行對比， 鍛煉了自己獨立思考解決問題的能力，同時在與同學交流討論中也加深了自己對所學容的理解，擴展了思維。我也清楚的認識到具備一定的計算機運用能力能給自己提供很大的便利， 節(jié)省大量時間。 通過這次課程設