化工原理课程设计板式换热器

化工原理课程设计一 设计任务书1.处理能力：7000kg/h 油2.设备形式：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：水，入口温度30，出口温度50（3）允许压降：不大于5×105Pa （4）油在定性温度下的物性数据：名称（kg/m3）Cp (kJ/.)（Pa.s） (W/m.)油8252.228.66×10-40.142、 目录1. 板式换热器简介2. 设计版式换热器的一般原则3. 组装形式判据图4. 板式换热器计算（1） 传热计算（2） 压降计算及工艺流程简图（3） 板式换热器热量衡算 串流组装 并流组装 混流组装5. 设计结果概要6. 附图（1） 工艺流程图（2）主体设备工艺图7. 参考文献3、 板式换热器简介1、 本成套设备有板式换热器、平衡槽、离心式卫生泵热水装置（包括蒸汽管路，热水喷入器）、支架以及仪表箱等组成。用于牛奶或其他热敏感性液体之杀菌冷却。与处理的物料先进入平衡槽，经离心式卫生泵送入换热器、经过预热杀菌、保温、冷却各手段、凡未达到杀菌温度的物料，由仪表控制气动回流阀换向、再回到平槽重新处理。物料杀菌温度有仪表控制箱进行自动控制和连续记录，一便对杀菌过程进行监视和检查。此设备适用于对牛奶预杀菌、巴氏杀菌。板式换热器的型式主要有框架式和钎焊式两大类。半片形式主要有人字形波纹板水平平直波纹板和锯齿形半片三种。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。板片的四周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、上下倒杆和夹紧螺栓等组成。板式换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。 3、常见板片的波纹形式及数据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(见图1-2-1）。 图1-2-1 4、板式换热器的特点 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。 b.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。 c.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。 d.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。 e.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。 f. 价格低 采用相同材料，在相同换热面积下，板式换热器价格比管壳式约低40%60%。 g. 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。 h. 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。 i. 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。 j. 容量较小 是管壳式换热器的10%-20%。缺点： k. 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。 l. 不易结垢 由于内部充分湍动，所以不易结垢，其结垢系数仅为管壳式换热器的1/3-1/10. m. 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。 n. 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。 5、板式换热器的应用a. 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、海水淡化、地热利用。6.常见组装形式（见下图）四、设计的一般原则1.选择板片的波纹形式选择板片的波纹形式，主要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1.6Pa以上，则选择人字形波纹板；如果工作压力不高且特别要求阻力降低，则选用水平平直波纹板较好；如果由于安装位置所限，需要高的换热效率以减少换热器占地面积而阻力降可以不受限制，则选用人字形波纹板。3.流速的选择流体在板间的流速影响换热性能和流体的压力降，流速高固然换热系数高，但流体压力降也增大，反之则情况相反。一般板间平均流速为0.20.8之间，流速低于0.2m/s时流体就达不到湍流状态且会形成较大的死角区，流速过高则会导致阻力降剧增。4.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使用温度，-40100-20120-65230-2020020350五、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 六、板式换热器的设计计算(一) 传热计算基本传热方程Q=KAtm式中 Q-传热速率，WK-总传热系数，W/(m2·)；A-总传热面积，m2；tm-总平均温差，。通过冷热流体的热量衡算方程式计算换热器的热负荷Q。1. 总平均温差tm的计算总平均温差tm求解通常采用修正逆流情况下对数平均温差的办法，即先按逆流考虑在进行修正: tm= (t1-t2)/t1/t2tm=tm 校正系数随冷热流体的相对流动方向的不同组合而异，在并流的串流时可按下图来确定，混流时可采用列管式换热器的温差修正系数。 2. 对流传热系数的计算流体在板式换热器的通道中流动时，湍流条件下，通常用下面的关系式计算流体沿整个流程的平均对流传热系数 N = CRemPrn(/w)z式中系数和各指数的范围为：C =0.150,4 , n = 0.650.85, m = 0.30.45, z = 0.050.2.层流时，可采用下面关系式 N=C(RePrd/L)n（/w)z式中系数和各指数的范围为：L为流体的流动长度，C =1.864.5 , n = 1/3, z =0.14.过渡时所得出的关联式比较复杂，通常可根据Re的数值，有板式换热器的特性曲线查得。3. 污垢热阻的确定由于板式换热器中高度湍流，一方面使污垢聚集量减小，同时还起到冲刷清洗作用，所以板式换热器中垢层都比较薄。在设计选取板式换热器的污垢热阻值时，其数值不大于列管式换热器的污垢热阻值得1/5。各种介质的污垢热阻见下表：板式换热器中污垢热阻值流体名称污垢热阻，m2/W流体名称污垢热阻，m2/W软水，蒸馏水0.86×10-5润滑油1.74.3×10-5工业用软水1.7×10-5植物油1.75.2×10-5工业用硬水4.3×10-5有机溶剂0.862.6×10-5循环冷却水3.4×10-5水蒸气0.86×10-5海水2.6×10-5一般液体0.865.2×10-5河水4.3×10-5（二）流动阻力的计算及工艺流程简图1、流体在流动中只有克服阻力才能前进，流速越高阻力愈大。在同样的流速下，不同的板型或不同的几何结构参数，阻力也不同。参见下图；P = FLu2n/2De式中 P-通过板式换热器的压降，Pa； f-摩擦系数，无因次； L-流道长度，即板面展开后的长度，m； De-流到当量直径，m； u-流道内流体的平均流速，m/s; n-换热器的程数。2、 工艺流程简图七、板式换热器热量衡算1.计算热负荷Q = qm Cp( T1T2)=( 7000/3600)×2.22×103×(10040)=2.59×105 J2.计算平均温差 tm = （100-50）-（40-30）/(100-50)/(40-30)=24.85 水的定性温度t = ( 30+50 )/3 = 40 查出定性温度下的物性数据：名称Pr（kg/m3）Cp (kJ/.)（Pa.s） (W/m.)水4.31999.24.174653.3×10-60.6353.初估换热面积及初选板型粘度大于1×10-3Pa·s 的油与水换热时，列管式换热器的K值大约为300800W/(m2·), 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K值为1900 W/(m2·).初估换热面积 A = 2.59×105/(1900×24.85)=5.48m2(1)串流组装初选BR0.1型板式换热器，其单通道横截面积为8.4×10-4m2,实际单板换热面积为0.1152 m2。试选组装形式5.6-油的流速u= 7000/(3600×825×1×8.4×10-4)=2.8 m/sRe=du/=8×10-3×2.8×825/8.66×10-4=2.13×104此时有公式Eu=1080Re-0.225Eu=(m/m)Eu 式中m=7，m为流程数, Eu为欧拉数 P= Eu·u2将以上数据代入公式得P=1.92×106u2-将u=2.8m/s代入上式得 P= Eu·u2P=1.5×107Pa>5×105Pa 故此方案不满足要求；初选BR0.2型板式换热器，其单通道横截面积为1.6×10-4m2,实际单板换热面积为0.207 m2。同理计算得 u=1.47m/s，代入*式得P=4.15×106Pa>5×105Pa 此方案不满足要求;初选BP0.2型板式换热器，其单通道横截面积为1.14×10-4m2,实际单板换热面积为0.208m2。同理计算得 u=1.68m/s，代入*式得P=5.42×106Pa>5×105Pa 此方案不满足要求;初选BJ0.2型板式换热器，其单通道横截面积为1.6×10-4m2,实际单板换热面积为0.22 m2。同理计算得 u=1.47m/s，代入*式得P=4.15×106Pa>5×105Pa 此方案不满足要求。（2）并流组装初选BR0.1型板式换热器，其单通道横截面积为1.6×10-4m2,实际单板换热面积为0.1152 m2。试选组装5.6-查表可得温差校正系数为0.967，故 tm=0.967 tm=24.03初估换热面积A=2.59×105/（24.03×1900）=5.67 m24.核算总传热系数K1）油侧的对流传热系数1计算油的流速得u1= 7000/(3600×825×28×1.6×10-4)=0.53 m/s>0.2 m/s采用0.1m2人字形板式换热器，其板间距为6mm，当量直径为12mmRe1=du/=12×10-3×0.53×825/8.66×10-4=6058.9Pr1=Cp/=2.22×1038.66×10-4/0.14=13.71=0.18(/d)Re0.7Pr0.43(/w)0.14油被冷却，取(/w)0.14=0.951=0.18×(0.14/12×10-3) ×6058.90.7×13.70.43×0.95=2730 W/(m2·).2）水侧的对流传热系数2流速 u2=7000/(3600×999.2×28×1.6×10-4)=0.69 m/sRe2=du/=12×10-3×0.69×999.2/6.53×10-4=1.27×104Pr2=Cp/=4.312=0.18(/d)Re0.7Pr0.43(/w)0.14油被加热，取(/w)0.14=1.052=0.18×(0.635/12×10-3) ×127000.7×4.310.43×1.05=13978W/(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=0.000043 W/(m2·)5) 总传热系数K1/K=1/1 + 1/2 + b/w + R1 + R2 =1/2730 + 1/13978 + 0.0000476 + 0.000052 + 0.000043 =5.8114×10-4(m2·) / W故 K=1720.7 W/(m2·)5.传热面积AA=Q/Ktm= 2.59×105/(1720×24.03)=6.25m2安全系数为 (0.1152×56-6.25)/6.25=30.22传热面积的裕度满足工艺要求6.压降的计算油侧 P = Eu·u2=5.04×103 Pa<5×105Pa,满足要求。水侧 P = Eu·u2= 8.83×103 Pa <5×105Pa，满足要求。故所选板式式换热器规格型号：BR0.1 /5.6-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）652×235×0.80.1152等腰三角形1421040.000168（3）混流组装初选BR0.1型板式换热器，其单通道横截面积为8.4×10-4m2,实际单板换热面积为0.1152 m2。试选组装5.6-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2壳程温差校正系数为0.925tm=0.925tm=22.97初估换热面积A=2.59×105/（22.97×1900）=5.93 m24.核算总传热系数K1）油侧的对流传热系数1计算油的流速得u1= 7000/(3600×825×14×8.4×10-4)=0.2m/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/=8×10-3×0.2×825/8.66×10-4=1524Pr1=Cp/=2.22×103×8.66×10-4/0.14=13.71=0.18(/d)Re0.7Pr0.43(/w)0.14油被冷却，取(/w)0.14=0.951=0.18×(0.14/8×10-3) ×15240.7×13.70.43×0.95=1559.2 W/(m2·).2）水侧的对流传热系数2流速 u2=7000/(3600×999.2×7×8.4×10-4)=0.33m/sRe2=du/=8×10-3×0.33×999.2/6.53×10-4=4038.8Pr2=Cp/=4.312=0.18(/d)Re0.7Pr0.43(/w)0.14油被加热，取(/w)0.14=1.052=0.18×(0.635/8×10-3) ×4038.80.7×4.310.43×1.05=9400W/(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=0.000043 W/(m2·)5) 总传热系数K1/K=1/1 + 1/2 + b/w + R1 + R2 =1/1559 + 1/9400 + 0.0000476 + 0.000052 + 0.000043 =8.904×10-4(m2·) / W故 K=1123W/(m2·)由于与原估计值相差较大，不符合要求。试选组装5.6-4.核算总传热系数K1）油侧的对流传热系数1计算油的流速得u1= 7000/(3600×825×7×8.4×10-4)=0.8m/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/=8×10-3×0.4×825/8.66×10-4=6096Pr1=Cp/=2.22×103×8.66×10-4/0.14=13.71=0.18(/d)Re0.7Pr0.43(/w)0.14油被冷却，取(/w)0.14=0.951=0.18×(0.14/8×10-3) ×30480.7×13.70.43×0.95=5288W/(m2·).2）水侧的对流传热系数2流速 u2=7000/(3600×999.2×7×8.4×10-4)=0.33m/sRe2=du/=8×10-3×0.33×999.2/6.53×10-4=4038.8Pr2=Cp/=4.312=0.18(/d)Re0.7Pr0.43(/w)0.14油被加热，取(/w)0.14=1.052=0.18×(0.635/8×10-3) ×4038.80.7×4.310.43×1.05=9400W/(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=0.000043 W/(m2·)5) 总传热系数K1/K=1/1 + 1/2 + b/w + R1 + R2 =1/2533 + 1/9400 + 0.0000476 + 0.000052 + 0.000043 =4.376×10-4(m2·) / W故 K=2285W/(m2·)5.传热面积AA=Q/Ktm= 2.59×105/(2285×22.97)=4.93m2安全系数为(0.1152×56-4.93)/4.93=30.8传热面积的裕度满足工艺要求6.压降的计算查图3-17,可得油侧u1=0.8m/s，P=1.5×105Pa <5×105Pa,满足要求。水侧u2=0.33m/s，P=0.23×105 Pa <5×105Pa，满足要求。选板式式换热器满足要求，其规格型号为：BR0.1 /5.6-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）652×235×0.80.1152等腰三角形1421040.000848综上所述，选择换热器，其规格型号为：BR0.1 /5.6-综合考虑垫片的拉断强度，拉断伸长率，硬度，永久压缩变形，使用温度和经济效益，选择使用丁腈橡胶垫片。8、 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.