《板式换热器设计－油处理能力7000公斤小时.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《板式换热器设计－油处理能力7000公斤小时.doc（25页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、 材料工程导论课程设计设计题目： 板式换热器设计油处理能力7000公斤/小时专 业： 无机非金属材料 班 级： 学 号： 姓 名： 日 期： 2014.9.1-2014.9.13 指导教师： 设计成绩： 日 期： 设计任务书1、处理能力 ：板式换热器设计-油处理能力7000公斤/小时2、设备型式 ：板式换热器3、操作条件（1）油： 入口温度100，出口温度40（2）冷却介质：冷却塔循环水，入口温度30，出口温度50（3）油侧与水侧允许压强降：不大于5105Pa（4）油定性温度下的物性参数：名称（kg/m3）CP(kJ/)（Pas） (W/m)油8252.228.6610-40.14目录一、设计
2、方案简介 11.1 板式换热器简介11.2 板式换热器的应用11.3 板式换热器的组装形式. 21.4 设计的一般原则 . 2二、工艺流程简图 5三、工艺计算和主题设备设计 63.1传热计算 63.2方案一 63.3方案二 83.4方案三 103.5方案四 12四、设计结果一览表 14五、附图 15六、辅助设备 18七、参考文献 19八、个人感悟 20 一、设计方案简介选择设计方案的原则是保证达到工艺要求的热流量，操作上要安全可靠，结构上要简单，可维护性好，要能节省操作费用和设备投资，设计方案主要包括：1.1 板式换热器简介 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
3、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。板式换热器是液液、液汽进行热交换的理想设备。它具有换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占 地面积小、安装清洗方便、应用广泛、使用寿命长等特点。在相同压力损失情况下，其传热系数比管式换 热器高3-5倍，占地面积为管式换热器的三分之一，热回收率可高达90%以上。如右图，在固定压紧板上，交替的安放一张板片和一个垫圈，然后安放活动压紧板，旋紧压紧螺栓即构成一台板式换热器。各传热板片按一定的顺序相叠即形成板片间的流道，冷、热流体在板片两侧各自的流道内流动，通过传热板片进行热交换。1.2 板式换热器应用 （1） 制冷：用作冷凝器和蒸发器。 （2） 暖
4、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。 （3）化学工业：纯碱工业，合成氨，酒精发酵，树脂合成冷却等。 （4）冶金工业：铝酸盐母液加热或冷却，炼钢工艺冷却等。 （5）机械工业：各种淬火液冷却，减速器润滑油冷却等。 （6）电力工业：高压变压器油冷却，发电机轴承油冷却等。 （7） 造纸工业：漂白工艺热回收，加热洗浆液等。 （8）纺织工业：粘胶丝碱水溶液冷却，沸腾硝化纤维冷却等。 （9）食品工业：果汁灭菌冷却，动植物油加热冷却等。 （10）油脂工艺：皂基常压干燥，加热或冷却各种工艺用液。 （11）集中供热：热电厂废热区域供暖，加热洗澡用水。 （12）其他：石油、医药、船舶、海水淡化、
5、地热利用。1.3 组装形式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 流体在一程内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）混流流程 为并流流程和串联流程的组合，在同一流程内是并联的，而程与程之间为串联。1.4设计的一般原则1.类型的选择 板式换热器种类较多，每种都有相适应的工况，工程设计中应首先对此作出选择。a.温度在200以上，压力大于2MPa，可以选择钎
6、焊式换热器，若总面积较大，则还可以选择全焊式换热器；b.温度大于300，压力大于3.5MPa，应选择板壳式换热器；对于末端温差小的工况，可选用浅槽波纹；对于拆卸比较频繁的，可选用拆式换热器；c.对于流量相差较大的，可选用非对称性换热器。2.板型选择 主要考虑需要达到的换热效果以及压降要求：若承压要求在1.2MPa以上，大多数情况下选择人字形波纹；若压降要求较小而对换热效果要求不高，可选用平直波纹；若介质中杂质较多，可选用球形波纹；对于压降与换热效果都有一定要求的工况，还可以选择热混合板片。3.单片面积的选择 选择合理的单片面积，能够避免总板片数过多或过少。 板片过多会使设备占地面积太大；过少可
7、能会使流程数增多，压降增大；同时单片面积的大小在一定程度上还与角孔大小有关，直接影响流量和流速。板片单板面积，角孔直径，单板最大处理量参数图4.流速的选取 流体在板间的流速影响换热性能和流体的压力降，流速高换热系数高，但流体的压力降也增大，反之则情况相反。板间平均流速。流速低于时流体就达不到湍流状态且会形成较大死角区，流速过高则会导致阻力将组增。 5.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相同的流道数。6.流向的选择 换热器采用等程布置，介质
8、的流向能够实现全逆流，获得最大的平均温差；当两侧不等程时，逆流和顺流会交替出现。7.流道数的选择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范围，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。8.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：项目氯丁橡胶丁腈橡胶硅橡胶氟橡胶石棉纤维板性 能拉断强度，Ma=8.00=9.00=7.00=10.007.010.0拉断伸长率=300=250=200=200硬度75+-275+-260+-280+-5永久压缩变形=20=20=25=25二、工艺流程简图（本换热器主要用于较干燥
9、地区） 确定组装形式图示判据：假定流程数n1，n2 假定流道数m1，m2计算Tm及Re，Pr求解1，2及K的值 计算传热面积A计算安全系数，若不满足要求，重新假定流程数 计算压降PPP允 如不满足要求，重新假定流道数 此方案可选用三、工艺计算和主题设备设计3.1传热计算1.计算热负荷Q1=qm1Cp(T1-T2)= ( 7000/3600)2.22103(10040) =2.59105w=Q2qm2=11169.14 kg/h2.计算平均温差逆流平均温度：t1=(100-50) =50 t2=(40-30) =10 tm = （100-50）-（40-30）/(100-50)/(40-30)=
10、24.85 水的定性温度：tm = ( 30+50 )/2 = 40 定性温度下水及油物性数据:名称c（kg/m3）CPc(kJ/)c（Pas）c (W/m)水992.24.1746.5310-40.635油8252.228.6610-40.144.初估换热面积及初选板型 粘度大于的油与水换热时，列管式换热器的K值大约为300800，而板式换热器的传热系数为管式换热器的24倍，则可初估K为1200。初估换热面积S=2.59105/(130024.85)=8.02 m23.2混流组装（方案一）1.初选BR0.1型板式换热器，其单通道横截面积为8.410-4m2，实际单板换热面积为0.1152m2
11、，试选组装形式为BR0.1/。因所选版型为混流采用列管式换热器的温差校正系数R=（T1-T2）/(t2-t1)=3; P=(t2-t1)/(T1-t1)=0.2862.查表可得温差校正系数为0.96，故 tm=0.96 tm=23.86初估换热面积S=2.59105/（23.861300）=8.35 m23.核算总传热系数K(1）油侧的对流传热系数1计算油的流速得u1= 7000 / (360082588.410-4)=0.351 m/s采用0.1m2人字形板式换热器，其板间距为4mm，当量直径为8mm。Re1=du / = (810-30.351825)/8.6610-4=2675Pr1=C
12、p/ = (2.221038.6610-4)/0.14=13.731=0.18(/d)Re0.7Pr0.43(/w)0.14油被冷却，取(/w)0.14=0.951=0.18(0.14/0.008) 26750.713.730.430.95=2313.98W/(m2).(2）水侧的对流传热系数2流速 u2=7000/(3600992.2108.410-4)=0.372 m/sRe2=du /=(810-30.372992.2)/6.5310-4=4528Pr2=Cp/ =4.292=0.18(/d)Re0.7Pr0.43(/w)0.14油被加热，取(/w)0.14=1.052=0.18(0.6
13、35/810-3) 45280.74.290.431.05=10168W/(m2).(3）金属板的热阻b/w板材为不锈钢（1Cr18Ni9Ti），其导热系数 w=16.8 W/(m2),板厚为b=0.8mm，则b/w=0.0000476 W/(m2)(4）污垢热阻油侧 R1=0.000052 W/(m2)水侧 R2=0.000034 W/(m2)(5) 总传热系数K1/K=1/1 + 1/2 + b/w + R1 + R2 =1/2313.98+ 1/10168+ 0.0000476 + 0.000052 + 0.000034 故 K=1506W/(m2)4.传热面积SS=Q/Ktm= 2.5
14、9105/(150623.86)=7.2m2安全系数为 (9.1-7.2)/7.2=26传热面积的裕度满足工艺要求5.压降计算 P=1064 Re-0.233密度流速2m(m为系数) 经计算P1P2全部满足条件选板式式换热器满足要求，其规格型号为：BR0.1/。主要性能参数：外形尺寸（mm）有效传热面积（m2）波纹形式（mm）波纹高度（mm）流道宽度（mm）平均板距（mm）平均流道横截面积（m2）平均当量直径（mm）6522350.80.1152等腰三角形1421040.0008483.3混流组装（方案二）:1.初选BR0.1型板式换热器，其单通道横截面积为8.410-4m2,实际单板换热面积
15、为0.1152m2，试选组装BR0.1/。2.因所选板型为混流，采用列管式换热器的温差校正系数：R=（T1-T2）/(t2-t1)=3.0P=(t2-t1)/(T1-t1)=0.286查列管式换热器的温差校正系数为0.96tm=0.96 tm=23.86初估换热面积S=2.59105/（23.861300）=8.35 m23.核算总传热系数K（1）油侧的对流传热系数1计算油的流速得u1= 7000/(360082558.410-4)=0.561m/s 采用0.1m2人字形板式换热器，其板间距为4mm，当量直径为8mmRe1=du/=810-30.561825/8.6610-4=4276Pr1=
16、Cp/=2.221038.6610-4/0.14=13.731=0.18(/d)Re0.7Pr0.43(/w)0.14油被冷却，取(/w)0.14=0.951=0.18(0.14/0.008) 42760.713.730.430.95=3213W/(m2)（2）水侧的对流传热系数2流速 u2=7000/(3600992.2208.410-4)=0.186 m/sRe2=du /= (810-30.186992.2)/6.5310-4=2264Pr2=Cp/ =4.292=0.18(/d)Re0.7Pr0.43(/w)0.14油被加热，取(/w)0.14=1.052=0.18(0.635/810
17、-3) 22640.74.290.431.05=6259W/(m2).（3）金属板的热阻b/w板材为不锈钢（1Cr18Ni9Ti），其导热系数w=16.8 W/(m2),板厚为b=0.8mm，则b/w=0.0000476 W/(m2)（4）污垢热阻油侧 R1=0.000052 (m2) / W水侧 R2=0.000034(m2) / W（5) 总传热系数K1/K=1/1 + 1/2 + b/w + R1 + R2 =1/3213+ 1/6259+ 0.0000476 + 0.000052 + 0.000034 故 K=1654 W/(m2)4.传热面积SS=(2.59105)/(165423.
18、86)=6.56m2安全系数为(9.1-6.56)/6.56=38.7% 传热面积的裕度可满足工艺要求。5.压降的计算P=1064Re-0.233密度流速2m(m为系数) 油侧u1=0.561m/s，P 5105Pa,满足要求。水侧u2=0.186m/s，P 5105Pa，满足要求。选板式式换热器满足要求，其规格型号为：BR0.1/ 主要性能参数：外形尺寸（mm）有效传热面积（m2）波纹形式（mm）波纹高度（mm）流道宽度（mm）平均板距（mm）平均流道横截面积（m2）平均当量直径（mm）6522350.80.1152等腰三角形1421040.0008483.3并流组装(方案三)1.初选BR0
19、.2型板式换热器，其单通道横截面积为1.0310-3m2,实际单板换热面积为0.208m2,预估K值为1200，则 S=2.59105/(120024.85)=8.69 m2试选组装BR0.2/。2.查表可得温差校正系数为0.96，故 tm=0.96tm=23.86初估换热面积S=2.59105/（23.861200）=9.04m23.核算总传热系数K（1）油侧的对流传热系数1计算油的流速得u1= 7000/ (360082561.0310-3)=0.381m/s采用0.2m2人字形板式换热器，其板间距为4.1mm，当量直径为8.2mm。Re1=du / = (8.210-30.381825)
20、/8.6610-4=2976Pr1=Cp/ = (2.221038.6610-4)/0.14=13.731=0.18(/d)Re0.7Pr0.43(/w)0.14油被冷却，取(/w)0.14=0.951=0.18(0.14/0.0082) 29760.713.730.430.95=2432.5 W/(m2).（2）水侧的对流传热系数2流速 u2=11169.14/(3600992.2121.0310-3)=0.252m/sRe2=du /=(8.210-30.252992.2)/6.5310-4=3139.8Pr2=Cp/ =4.292=0.18(/d)Re0.7Pr0.43(/w)0.14水
21、被加热，取(/w)0.14=1.052=0.18(0.635/8.210-3) 3139.80.74.290.431.05=7677W/(m2).（3）金属板的热阻b/w板材为不锈钢（1Cr18Ni9Ti），其导热系数 w=16.8 W/(m2),板厚为b=1mm，则b/w=0.0000595 W/(m2)（4）污垢热阻油侧 R1=0.000052 W/(m2)水侧 R2=0.000034 W/(m2)（5) 总传热系数K1/K=1/1 + 1/2 + b/w + R1 + R2 =1/2432.5 + 1/7677+ 0.0000595 + 0.000052 + 0.000034 故 K=1
22、456W/(m2)4.传热面积SS=Q/Ktm= 2.59105/(145623.86)=7.46m2安全系数为 (8.94-7.46)/7.46=19.8传热面积的裕度满足工艺要求5.压降的计算 P=1064Re-0.233密度流速2m(m为系数) 油侧u1=0.381m/s，P=10642976-.233 8250.3812 2.8 Pa 5105Pa,满足要求。 水侧u2=0.252m/s，P=10643139-.233 992.20.2522 2.8 Pa 5105Pa，满足要求。 选板式式换热器满足要求，其规格型号为：BR0.2 /外形尺寸（mm）有效传热面积（m2）波纹形式（mm）
23、波纹高度（mm）流道宽度（mm）平均板距（mm）平均流道横截面积（m2）平均当量直径（mm）96832010.208等腰三角形62664.10.001038.23.4混流组装方案四:1.初选BR0.2型板式换热器，其单通道横截面积为1.0310-3m2,实际单板换热面积为0.208m2，试选组装BR0.2/。2.因所选板型为混流，采用列管式换热器的温差校正系数：R=（T1-T2）/(t2-t1)=3.0P= (t2-t1)/(T1-t1)=0.286查列管式换热器的温差校正系数为0.96tm=0.96tm=23.86初估换热面积S=2.59105/（23.861200）=9.04 m23.核算
24、总传热系数K(1）油侧的对流传热系数1计算油的流速得u1= 7000/(360082581.0310-3)=0.286 m/s 采用0.2m2人字形板式换热器，其板间距为4.1mm，当量直径为8.2mmRe1=du/=8.210-30.286825/8.6610-4=2234Pr1=Cp/=2.221038.6610-4/0.14=13.731=0.18(/d)Re0.7Pr0.43(/w)0.14油被冷却，取(/w)0.14=0.951=0.18(0.14/0.0082) 29760.713.730.430.95=1990W/(m2)(2)计算水的流速得流速 u2=11169.14/(360
25、0992.2121.0310-3)=0.252m/sRe2=du /=(8.210-30.252992.2)/6.5310-4=3139.8Pr2=Cp/ =4.292=0.18(/d)Re0.7Pr0.43(/w)0.14水被加热，取(/w)0.14=1.052=0.18(0.635/8.210-3) 3139.80.74.290.431.05=7677W/(m2).(3）金属板的热阻b/w板材为不锈钢（1Cr18Ni9Ti），其导热系数w=16.8 W/(m2),板厚为b=1mm，则b/w=0.0000595 W/(m2)(4）污垢热阻油侧 R1=0.000052 (m2) / W水侧 R
26、2=0.000034 (m2) / W(5) 总传热系数K1/K=1/1 + 1/2 + b/w + R1 + R2 =1/1990+ 1/7677+ 0.0000595 + 0.000052 + 0.000034 故 K=1258W/(m2)4.传热面积SS=(2.59105)/(125823.86)=8.6m2安全系数为(9.77-8.6)/8.6=13.6% 传热面积的裕度可满足工艺要求。5.压降的计算P=1064Re-0.233密度流速2m(m为系数)油侧u1=0.286m/s，P 5105Pa,满足要求。水侧u2=0.252m/s，P 5105Pa，满足要求。主要性能参数：外形尺寸（
27、mm）有效传热面积（m2）波纹形式（mm）波纹高度（mm）流道宽度（mm）平均板距（mm）平均流道横截面积（m2）平均当量直径（mm）96832010.208等腰三角形62664.10.001038.2方案三、四金属热阻较大，四种方案污垢热阻相当，方案二传热系数K最大，方案四传热系数相对较小，但是从经济因素以及导热性能综合考虑，方案三较合理，所以选择方案三。四、设计结果一览表参数油水流量/（kg/h）500011169.14进/出温度/100/4030/50物性定性温度/7040密度/(kg/m3)825992.2定压比热容/(kJ/kg.K)2.224.174粘度Pa.s8.6610-46.
28、5310-4热导率(w/m.k)0.140.635设备结构参数外形尺寸（长*宽*高）6252350.8有效传热面积，m20.208波纹形式等腰三角形波纹高度，mm3.7流道宽度，mm320平均板间距，mm4.1平均流道横截面积，m20.00平均当量直径，mm8.2主要计算结果油水流速（m/s）0.3810.252表面传热系数/W/(m2.k)24337677污垢热阻/m2.K/W0.0000520.000034Re 29763140Pr13.734.29热流量/KW259传热系数W/(m2.k)1456裕度/%19.8%五、附图 六、辅助设备1. 水泵的选择水的质量流量qm=3.1kg/s，体
29、积流量=3.12410m3/s得到=125.7mm，取d=126mm。选取1334mm水管，管路总长为20m，其中换热器截面高出蓄水池表面15m，吸入管路长5m。管内流速0.252m/s， 雷诺数=3140取相对粗糙度=0.00156, 查得摩擦系数 截止阀全开时的阻力系数，两个90弯头的阻力系数则管路的压头损失为 =0.036则扬程H=15+0.036=15.036m（水柱）依据体积流量qv=11.25m3/h，扬程H=15+0.036=15.036m（水柱），可从离心泵规格表中选用型号为IS50-32-125的离心泵。2. 油泵的选择油的质量流量qm=1.944kg/s,油的体积流流量=2
30、.3610-3m3/s 得到=88.8mm，取d=89mm选择1089.5mm油管，管路总长为10m， 换热器截面高出泵截面10m。管内流速u=0.381m/s ,雷诺数=2976取钢管相对粗糙度，=0.00303，查得摩擦系数 =0.027截止阀全开时的阻力系数，两个90弯头的阻力系数，则管路的压头损失为 =m则扬程H=10.0779m依据体积流量8.496m3/h,扬程10.0779m,可从齿轮泵规格表中选用型号为LQRY50-32-150 的齿轮泵。七、参考资料1 天津大学化工原理教研室编化工原理上、下册(第二版) M,天津:天津科技出版社,19962 柴诚敬等.化工原理课程设计M,.天
31、津:天津科学技术出版社,2000 3 伟萍等编.化工过程及设备设计M, 北京：化学工业出版社,2000.4 潘国昌,化工设备设计M, 北京：清华大学出版社.20015 娄爱娟,吴志泉,吴叙美编,化工设计, 上海：华东理工大学出版社,20026 黄璐主编.化工设计.M.北京：化学工业出版社,2000.7 化工设备全书换热器M.北京：化学工业出版社,2003.8 兰州石油机械研究所.现代塔器技术M,北京:中国石化出版社,20059 化工设备设计全书编辑委员会.化工设备设计全书-塔设备设计M.上海:上海科学技术出版社,1988.10 童景山 .流态化干燥工艺与设备 M.北京 : 科学出版社 ,198
32、9. 11 童景山.流体的热物理性质M. 北京:中国石化出版社,1996.八、个人感悟经过短短十四天的课设，学习到很多以前没有接触到的东西，熟练使用auto cad软件，了解板式换热器工作原理，独立设计换热器方案，草拟换热器设计流程简图等。在计算过程中，数据计算的准确性直接影响到后面的各阶段，这就需要我们具有极大的耐心，每一部数据的计算都应该有理论的支撑，持续四天确定数据的参数，标准值以及资料所需公式，一步步计算确定最终所需参数。在查找资料方面，我学会了根据工艺过程的条件查找相关资料，并从各种资料中筛选出较适合的资料，根据资料确定主要工艺流程，主要设备，以及如何计算出主要设备及辅助设备的各项参数及数据。在图纸绘画方面，可以说我获得巨大的进步，以前虽然也有绘图软件的课程，但不是特别精进于此，此次设计图纸独立的安排版面、绘画及标注一系列工作让我从中获益颇多，独立解决能力的提高，意识到小组探讨问题方面团结的重要性。虽然十几天的工作很累，但比起获得的经验以及知识其不能与之一谈。通过课程设计，我了解到如何才能设计一款更具合理更具经济的产品，产品成本的控制，产品最佳设计方案的选择以及通过网络帮助我们解决所遇到的问题，话说“真理出于实践”，在亲力亲为过程中，将知识与实践操作联系起来让我对自己重新认识，掌握更多有益自己的时间知识！
