化工原理课程设计.doc

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1、 南 京 工 业 大 学材料工程原理B课程设计设计题目： 板式换热器1 -煤油处理能力5000吨/年 专 业： 班 级： 学 号： 姓 名： 日 期： 指导教师： 设计成绩： 日 期： “板式换热器设计组”任务书(一）设计题目 板式换热器设计1-煤油处理能力5000吨/年（二）设计任务及操作条件1、处理能力 见下表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5105 Pa（4）油定性温度下的物性参数：名称（kg/m3）Cp (kj/.)（Pa.s） (W/m.)油8252

2、.228.6610-40.14 （5）工作制度：每年工作245天，每日工作8小时目录设计任务书 2一 设计简介. 4 1.换热器概述. 4 1.1板式换热器4 1.2板式换热器的应用4 1.3板式换热器的特点4 2.板式换热器的基本结构 5 2.1组装形式（见下图） 6 2.2传热板片.6 2.3密封垫片 6 3.设计的一般原则6 3.1板片波纹形式的选择6 3.2单板面积的选择.7 3.3板间流速的选取.7 3.4流程的选取.7 3.5流向的选取.8 3.6流道数的选取8 3.7垫片材料的选择.8二 工艺流程简图.8三 板式换热器的工艺设计计算 8 3.1设计计算步骤8 3.2工艺物性数据1

3、0 3.3板式换热器的计算 10 3.3.1计算热负荷 10 3.3.2计算逆流平均温度差及冷却流量10 3.4初选换热面积10 3.5方案一 . 12 3.6方案二 . 14 3.7方案三 . 16 3.8方案确定及设计结果一览表. 18四 辅助设备的选型 4.1.水泵及水管的选型 . 18 4.2.油泵及油管的选型 19 4.3附各公式符号的意义及单位. 20五 设计小结. 20六参考文献. 21一.设计简介1.换热器概述 换热器，是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。在化工生产中换热器可作为

4、加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。在三类换热器中，间壁式换热器应用最多。1.1 板式换热器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。它与常规的管壳式换热器相比，在相同的流动阻力和泵功率消耗情况下，其传热系数要高出很多，在适用的范围内有取代管壳式换热器的趋势。板式换热器的型式主要有框架式（可拆卸式）和钎焊式两大类，板片形式主要有人字形波纹板、水平平直波纹板和瘤形板片三种。1.2板式换热器的应用 a.

5、 制冷：用作冷凝器和蒸发器。b. 暖通空调：配合锅炉使用的中间换热器、高层建筑中间换热器等。 c. 化学工业：纯碱工业，合成氨，酒精发酵，树脂合成冷却等。d. 冶金工业：铝酸盐母液加热或冷却，炼钢工艺冷却等。 e.机械工业：各种淬火液冷却，减速器润滑油冷却等。 f. 电力工业：高压变压器油冷却，发电机轴承油冷却等。g. 造纸工业：漂白工艺热回收，加热洗浆液等。h. 纺织工业：粘胶丝碱水溶液冷却，沸腾硝化纤维冷却等。i.食品工业：果汁灭菌冷却，动植物油加热冷却等。j. 油脂工艺：皂基常压干燥，加热或冷却各种工艺用液。k. 集中供热：热电厂废热区域供暖，加热洗澡用水。l. 其他：石油、医药、船舶、

6、海水淡化、地热利用。1.3板式换热器的特点（板式换热器与管壳式换热器的比较）优点：a.传热系数高 由于不同的波纹板相互倒置，构成复杂的流道，使流体在波纹板间流道内呈旋转三维流动，能在较低的雷诺数（一般Re=50-200）下产生紊流，所以传热系数高，一般认为是管壳式的3-5倍。对数平均温差大，末端温差小 在管壳式换热器中，两种流体分别在管程和壳程内流动，总体上是错流流动，对数平均温差修正系数小，而板式换热器多是并流或逆流流动方式，其修正系数也通常在0.95左右，此外，冷、热流体在板式换热器内的流动平行于换热面、无旁流，因此使得板式换热器的末端温差小，对水换热可低于1，而管壳式换热器一般为5。 b

7、.占地面积小 板式换热器结构紧凑，单位体积内的换热面积为管壳式的2-5倍，也不像管壳式那样要预留抽出管束的检修场所，因此实现同样的换热量，板式换热器占地面积约为管壳式换热器的1/5-1/8。容易改变换热面积或流程组合，只要增加或减少几张板，即可达到增加或减少换热面积的目的；改变板片排列或更换几张板片，即可达到所要求的流程组合，适应新的换热工况，而管壳式换热器的传热面积几乎不可能增加。c.重量轻 板式换热器的板片厚度仅为0.40.8mm，而管壳式换热器的换热管的厚度为2.02.5mm，管壳式的壳体比板式换热器的框架重得多，板式换热器一般只有管壳式重量的1/5左右。 价格低 采用相同材料，在相同换

8、热面积下，板式换热器价格比管壳式约低40%60%。d. 制作方便 板式换热器的传热板是采用冲压加工，标准化程度高，并可大批生产，管壳式换热器一般采用手工制作。 容易清洗 框架式板式换热器只要松动压紧螺栓，即可松开板束，卸下板片进行机械清洗，这对需要经常清洗设备的换热过程十分方便。 热损失小 板式换热器只有传热板的外壳板暴露在大气中，因此散热损失可以忽略不计，也不需要保温措施。而管壳式换热器热损失大，需要隔热层。e. 容量较小 是管壳式换热器的10%-20%。缺点：a. 单位长度的压力损失大 由于传热面之间的间隙较小，传热面上有凹凸，因此比传统的光滑管的压力损失大。 不易结垢 由于内部充分湍动，

9、所以不易结垢，其结垢系数仅为管壳式换热器的1/3-1/10.b. 工作压力不宜过大，介质温度不宜过高，有可能泄露 板式换热器采用密封垫密封，工作压力一般不宜超过2.5MPa，介质温度应在低于250以下，否则有可能泄露。 易堵塞 由于板片间通道很窄，一般只有2-5mm，当换热介质含有较大颗粒或纤维物质时，容易堵塞板间通道。2.板式换热器的基本结构 板式换热器主要由框架和板片两大部分组成。板片由各种材料的制成的薄板用各种不同形式的磨具压成形状各异的波纹，并在板片的四个角上开有角孔，用于介质的流道。板片的周边及角孔处用橡胶垫片加以密封。框架由固定压紧板、活动压紧板、上下导杆和夹紧螺栓等构成。 板式换

10、热器是将板片以叠加的形式装在固定压紧板、活动压紧板中间，然后用夹紧螺栓加紧而成。2.1组装形式（见下图）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。2.2传热板片 传热板片是板式换热器的关键性元件，板片的性能直接影响整个设备的经济技术性能

11、。为了增加板片有效的传热面积，将板片冲压成有规则的波纹，板片的波纹形状及结构尺寸的设计主要考虑以下两个元素：一是提高板片的刚性，能耐较高的压力；二是使介质在低速下发生强烈湍流，从而强化传热过程。人们构思出各种形式的波纹板片，以求得换热率高，流体阻力低，承压能力大的波纹板片。 板片按波纹的几何形状分类有：水平平直波纹、人字形波纹、斜波纹、锯齿形波纹等板片。 板片材料采用不锈钢，如1Cr18Ni9Ti,1Cr18Ni12Mo2Ti和H62-1是制造板片的主要材料，应用最为广泛。2.3密封垫片密封垫片，是一种用于机械、设备、管道只要是有流体的地方就是用的密封备件，使用内外部，起密封作用的材料。密封垫

12、片是以金属或非金属板状材质，经切割，冲压或裁剪等工艺制成，用于管道之间的密封连接，机器设备的机件与机件之间的密封连接。按材质可分为金属密封垫片和非金属密封垫片。金属的有铜垫片，不锈钢垫片，铁垫片，铝垫片等。非金属的有石棉垫片，非石棉垫片，纸垫片，橡胶垫片等。3.设计的一般原则3.1板片波纹形式的选择主要是考虑板式换热器的工作压力、流体的压力降和传热系数。如果工作压力在1.6MPa以上，则别无选择地选择人字形波纹板片；如果工作压力不高又特别要求阻力降低，则选用水平平直板片较好一些；如果安装位置所限，需要高效率以减少换热器占地面积，二阻力降可以不受限制，则应选用人字形波纹板片。如下图。3.2单板面

13、积的选择单板面积过小,则板片数目多,占地面积大,阻力降增大;反之,单板面积过大,则板片数目少,占地面积小,阻力降减少,但是难以保证适当的板间流速。因此,一般单板面积可按角孔流速为6 m/s左右考虑,则各种单板面积组成的板式换热器处理量见下表： 表1-1单板面积（m2）0.10.20.30.50.81.02.0角孔直径（mm）4050658080100125150175200200250400单台最大流通能力（m3/h）274271.4137103170264381520678678106025003.3板间流速的选取流体在板间的流速,影响换热性能和压力降。流速高,换热系数高,阻力降也增大;反之

14、,则相反。一般取板间流速为0.2 m/s0.8 m/s,且尽量使两种流体板间速度一致。流速小于0.2 m/s时,流体达不到湍流状态,且会形成较大的死角区;流速过高会导致阻力降剧增,气体板间流速一般不大于10 m/s。3.4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下相同的流道数。3.5流向的选取单相换热时,逆流具有最大的平均温差,一般在板式换热器的设计中要尽可能把流体布置为逆流。两侧流体为等流程时,为逆流;当两侧流体为不等流程时,顺流与逆流交替出现

15、,平均温差要小于纯逆流。3.6流道数的选取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。3.7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。 表12 垫片性能和使用温度二工艺流程简图三板式换热器的工艺设计计算3.1设计计算步骤 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3.2工艺物性数据 水：入口温度=30 出口

16、温度=50 定性温度=40 查表得：表3-1 油：入口温度=100 出口温度=40 油定性温度下的物性参数：名称（kg/m3）Cp (kj/.)（Pa.s） (W/m.)油8252.228.6610-40.14表2-23.3板式换热器的计算 3.3.1计算热负荷及水流量 3.3.2计算逆流平均温度差及冷却流量 3.4初选换热面积粘度小于Pa.s油与水换热时列管式的换热器的K值大约为300800W/(m .),而板式换热器的传热系数为列管式换热器的24倍，则可初估为1000 W(m .)。 初步估计换热面积:3.5方案一：1.初选BR0.1型板式换热器，其单通道横截面面积为6.5610m，实际单

17、板传热面积为0.109 m2。试选组装形式。油的流程数为6，每程通道数为2；水的流程数为3，每程通道数为4；换热面积为4m2 因为所选板型为混流，采用列管式换热器的温差校正系数：，查三壳程温差校正系数图，得所以校正后的初估换热面积：2. 核算总传热系数K(1)油测的对流传热系数流速 采用0.1的人字形板式换热器，其板间距，当量直径油被冷却，取油的换热系数：(2) 水侧的对流传热系数流速水被加热，取取水的换热系数：(3)金属板的热阻板材为不锈钢（1Gr18Ni9Ti），其导热系数=16.8 W/(m.)，板厚0.8，则=0.0000476(m.) / W(4) 污垢热阻油侧：R1=0.00005

18、2(m.) / W，水侧：R2=0.000043(m.) / W (5）3.传热面积S安全系数为%=25.4%，传热面积的裕度可满足工艺要求。4. 压降计算图3-1 人字形板式换热器（油-水）油: u1=0.655m/s 水: u2=0.435m/s 油和水的压降都满足要求,此方案可行.故所选板式换热器规格型号; 3.6方案二：1.初选BR0.1型板式换热器，其单通道横截面面积为6.5610m，实际单板传热面积为0.109 m2。试选组装形式。油的流程数为4，每程通道数为3；水的流程数为6，每程通道数为2；换热面积为4m2 因为所选板型为混流，采用列管式换热器的温差校正系数：，查温差校正系数图

19、，得所以校正后的初估换热面积：3. 核算总传热系数K(1)油测的对流传热系数流速 采用0.1的人字形板式换热器，其板间距，当量直径油被冷却，取油的换热系数：(3) 水侧的对流传热系数流速水被加热，取取水的换热系数：(3)金属板的热阻板材为不锈钢（1Gr18Ni9Ti），其导热系数=16.8 W/(m.)，板厚0.8，则=0.0000476(m.) / W(5) 污垢热阻油侧：R1=0.000052(m.) / W，水侧：R2=0.000043(m.) / W (5）3.传热面积S安全系数为%=12.4%，传热面积的裕度可满足工艺要求。5. 压降计算油: u1=0.436m/s 水: u2=0.

20、87/s 油和水的压降都满足要求,此方案可行.故所选板式换热器规格型号; 3.7方案三：1.初选BR0.1型板式换热器，其单通道横截面面积为6.5610m，实际单板传热面积为0.109 m2。试选组装形式。油的流程数为4，每程通道数为3；水的流程数为4，每程通道数为3；换热面积为4m2 因为所选板型为混流，采用列管式换热器的温差校正系数：，查温差校正系数图，得所以校正后的初估换热面积：4. 核算总传热系数K(1)油测的对流传热系数流速 采用0.1的人字形板式换热器，其板间距，当量直径油被冷却，取油的换热系数：(4) 水侧的对流传热系数流速水被加热，取取水的换热系数：(3)金属板的热阻板材为不锈

21、钢（1Gr18Ni9Ti），其导热系数=16.8 W/(m.)，板厚0.8，则=0.0000476(m.) / W(6) 污垢热阻油侧：R1=0.000052(m.) / W，水侧：R2=0.000043(m.) / W (5）3.传热面积S安全系数为%=9%，传热面积的裕度可满足工艺要求。6. 压降计算油: u1=0.436m/s 水: u2=0.58m/s 油和水的压降都满足要求,此方案可行.故所选板式换热器规格型号; 3.8方案确定及设计结果一览表方案名称板片块数安全系数K方案一2425.4%1961方案二2412.4%1760方案三249%1707将三个方案进行对比，从板片数，换热系数

22、，占内地面积，经济成本，安全等方面综合考虑，选择第二种方案。换热器类型：人字形板式油水换热器换热面积（m2）2.23裕度12.4%技术参数：物料名称油侧水侧操作温度（）100/4050/30流体密度（kg/m3）825992.2流速u（m/s）0.4360.87总传热量Q（kW ）94.4总传热系数K（W/m.）1760对流传热系数（W/m.）2696.318415.5污垢系数（W/m.）0.0000520.000043推荐使用材料1Gr18Ni9Ti换热器规格板片尺寸（长*宽*厚 mm）有效传热面积（m2）0.109波纹形式人字形波纹平均板间距（mm）4平均流道横截面积（mm2）0.0006

23、56平均当量直径(mm)0.008四辅助设备的选型4.1.水泵及水管的选型水的质量流量，体积流量选取的水管,管路总长20m，其中换热器截面高出蓄水池水平面15m，吸入管路长5m。管内流速u=0.87m/s，Re=10575.4选择新的无缝钢管，取其绝对粗糙度，相对粗糙度，查表得摩擦系数截止阀全开时的阻力系数，两个900弯头的阻力系数；管路的压头损失为 m则扬程根据水的体积流量；扬程 （水 柱） ，可从离心泵规格表中选用IS50-32-250的离心泵。4.2.油泵及油管的选型油的质量流量，体积流量： 选取的无缝钢管 管路总长10m，其中换热器平面高出油泵平面10m，吸入管路长5m。 管内流速0.

24、436m/s 取其绝对粗糙度，相对粗糙度 查表得摩擦系数， 截止阀全开时的阻力系数， 两个900弯头的阻力系数； 管路的压头损失为 m 则扬程 根据油的体积流量；扬程 ， 可从离心泵规格表中选用KCB-55-2CY-3.3/0.33的离心泵。4.3附各公式符号的意义及单位符号意 义单位符号意 义单位Q热负荷WCp比热KJ/kg流体密度Kg/ m3tm平均温差体积流量m3/sS传热面积m2K总传热系数W/ m2u流 速m/sT1、T2热介质进出口温度t1、t2热介质进出口温度m流程数n流道数对流换热系数W/ m2s单通道截面积m2运动粘度m2/s介质导热系数W/ mp阻力损失（压降）MpaEuE

25、u = p / . W2无量纲Re无量纲de当量直径mNu无量纲Pr普朗特数无量纲温差修正系数无纲量t板厚 mR1热介质污垢热阻m2/WR2冷介质污垢热阻m2/W金属板热阻m2/W绝对粗糙度无量纲相对粗糙度无量纲阻力系数无量纲管路压头损失m（水柱）H扬程m（水柱）五设计小结此次课程设计历时一周，材料工程原理课程设计,是培养我们工程设计能力的重要环节，通过课程设计使我们初步掌握工程设计的基础知识，设计原则及方法；设计过程中，通过对不同的选择组装型式进行了对比最终在小组讨论下，得出了一个可行的设计方案。同时也感到在小组的讨论中能够及时地发现设计方案是非可行，以减少不必要计算过程，同时也节省很多时间

26、。很感谢小组成员在设计过程中提出的建议，让我感到团队合作中的愉快。虽然每个人的观点有点不同，但总的设计目标是一致的。同时也锻炼了我们个人要有独立的思考能力以及能够及时解决相关问题的方案，对计算机软件的操作进一步掌握，最后感谢老师能给我们这个机会。六参考文献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 ,1989. 11 童景山.流体的热物理性质M. 北京:中国石化出版社,1996.