锯齿形板式热水冷却器的设计(共27页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上化工原理课程设计题目：热水冷却器的设计 学生姓名：肖俊学号：系别：化学与化学工程系专业：制药工程指导教师：刘艳起止日期：2011年5月23日2011年 6 月6 日目录1 概述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。1.1.1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，然后用夹紧螺栓夹紧而成。1.1.2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=50200）下产生紊流，所以传热系数高，一般认为是管壳式的35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25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1/51/10。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.由于内部充分湍流，所以不易结垢。1.1.3 板型选择板片型式或波纹式应根据换热场合的实际需要而定。对流量大允许压降小的情况，应选用阻力小的板型，反之选用阻力大的板型。根据流体压力和温度的情况，确定选择可拆卸式，还是钎焊式。确定板型时不宜选择单板面积太小的板片，以免板片数量过多，板间流速偏小，传热系数过低，对较大的换热器更应注意这个问题。1.1.4 流程和流道的选择流程指板式换热器内一种介质同一流动方向的一组并联流道，而流道指板式换热器内，相邻两板片组成的介质流动通道。一般情况下，将若干个流道按并联或串联的形式连接起来，以形成冷、热介质通道的不同组合。流程组合形式应根据换热和流体阻力计算，在满足工艺条件要求下确定。尽量使冷、热水流道内的对流换热系数相等或接近，从而得到最佳的传热效果。因为在传热表面两侧对流换热系数相等或接近时传热系数获得较大值。虽然板式换热器各板间流速不等，但在换热和流体阻力计算时，仍以平均流速进行计算。由于“U”形单流程的接管都固定在压紧板上，拆装方便。1.2 设计方案简介1.2.1 板型选择两流体温度的变化情况：热流体进口温度为90，出口温度为50；冷流体进口温度为32，出口温度为40.该换热器用循环冷却水冷却，初步确定选用锯齿形波纹板片的板式换热器。1.2.2 流程和流道的选择 由于本实验中的换热器是用于热水的冷却，因此应将若干个流道按并联或串联的形式连接起来，以形成冷、热介质通道的不同组合。流程组合形式应根据换热和流体阻力计算，在满足工艺条件要求下确定。尽量使冷、热水流道内的对流换热系数相等或接近，从而得到最佳的传热效果。因为在传热表面两侧对流换热系数相等或接近时传热系数获得较大值。虽然板式换热器各板间流速不等，但在换热和流体阻力计算时，仍以平均流速进行计算。1.2.3 压降校核在板式换热器的设计选型使，一般对压降有一定的要求，所以应对其进行校核。如果校核压降超过允许压降，需重新进行设计选型计算，直到满足工艺要求为止。2 设计任务书2.1 设计题目热水冷却器的设计2.2 设计参数（1）处理能力 1.8×104 t/a热水。（2）设备型式 锯齿形板式换热器（3）操作条件 热水：入口温度90 ，出口温度50 。 冷却介质：循环水，入口温度32 ，出口温度40 。 允许压降：不大于105Pa。 每年按330天计，每天24小时连续运行。 建厂地址：湖南地区。2.3 设计内容及要求2.3.1 首先计算定性温度，并查取定性温度下的物性数据热水：Tm=(90+50)/2=70 冷却水：tm=(32+40)/2=36 查化工原理附录，两流体在定性温度下的物性数据如下表物性流体定性温度密度kg/m3粘度mPa·s比热容kJ/(kg·)导热系数W/(m·)热水70977.80.4064.1870.668冷却水36993.60.7124.1740.6282.3.2 计算热负荷ms1=1.8×107/(330×24)=2272.7kg/h=0.631kg/sQh=ms1×Cph（T1-T2）=0.631×4.187×（90-50）=105.7kw2.3.3 计算平均温差 2.3.4 初估换热面积及初选板型对于热水与冷却水的换热，列管式换热器的K值大约为8501700W/m2，而板式换热器的K值为列管式换热器的24倍，则可初估K为2500 W/m2。初估换热面积S= Qh(K×tm)=105.7×103/(2500×31.32)=1.35m2初选BJ0.2锯齿形波纹板片的板式换热器，其单通道流通截面积为0.00045m2，有效单片传热面积0.10m2。试选组装形式。该式表示其公称换热面积为2.0m2，热水的程数为1，每程的流道均为10；冷却水的程数为1，其流道为10。因所选板型为混流，故可采用列管式换热器的温差校正系数：P=(t2-t1)/(T1-t1)=(40-32)/(90-32)=0.138R=(T1-T2)/(t2-t1)=(90-50)/(40-32)=5由于该点难以从图上读取，需进一步计算P'，R'以代替P，RP'=PR=0.138×5=0.69 R'=1/R=0.2查单壳程的温差校正系数图，得=0.938tm'=tm=0.938×31.32=29.38初估板式换热面积S= Qh(K×tm')=105.7×103/(2500×29.38)=1.44 m22.3.5 核算总传热系数K算热水侧的对流给热系数热水在流道内的流速当量直径（为板片波纹高度，即板间距） 选用0.2m2锯齿形波纹板片给热系数的计算公式算冷却水侧的对流给热系数却水的质量流量冷却水在流道内的流速（在285014600之间） （适用于）属板的热阻拟选用板材为不锈钢(1Cr18Ni9Ti )，其导热系数w=16.8W/m，板的厚度估计为b=0.8mm，则 污垢热阻查化工原理课程设计书4,得热水和循环冷水侧的污垢热阻分别为：表4-2 板式换热器污垢热阻Rd范围传热系数2.3.6 计算传热面积S所需传热面积设备实际传热面积安全系数传热面积的裕度可满足工艺和安全的需要，故该换热器能够完成生产任务。2.3.7 压降计算查锯齿形波纹板式换热器的曲线图热水侧时，1962<105Pa冷水侧时，14715<105Pa所选换热器的规格为。3 工艺流程草图及说明3.1 设计流程图：确定物性常数，热负荷、冷却剂用量及平均温差，确定换热器类型及流体流动空间估计传热系数，计算传热面积初值计算选择板式换热器板型计算值与假定值相差较大估计冷凝给热系数计算值与假定值相差较大压降大于设计压力裕度过大或过小核算冷凝给热系数计算管内给热系数总传热系数核算计算值与假定值相差不大折流板计算壳侧压降和管侧压降计算，并与设计压力比较压降小于设计压力裕度系数校验裕度合适板式换热器选取合理3.2 工艺流程草图及说明：热水冷水锯齿形板式换热器热水冷水工艺流程草图主要说明：由于本实验中的换热器是用于热水的冷却，因此应将若干个流道按并联或串联的形式连接起来，以形成冷、热介质通道的不同组合。流程组合形式应根据换热和流体阻力计算，在满足工艺条件要求下确定。尽量使冷、热水流道内的对流换热系数相等或接近，从而得到最佳的传热效果。4 工艺计算及主要设备设计4.1 热量衡算1.热水丧失的热量为Qh=105.7kw2.计算冷却水吸收的热量：冷却水的进出口温度分别为32和40，其定性温度为36，36的水的比热容为4.174 kJ/(kg·)Qc=ms2×Cpc（t2-t1）=3.16×4.174×8=105.5 kwQhQc,热量守恒。4.2 换热器工艺尺寸的计算1.板片数=传热面积/单片传热面积=1.9/0.1=192.热水侧流道数=（板片数-1）/2=（19-1）/2=9冷水侧流道数=19-9=103.平米数=板片数-单片传热面积=19-0.1=18.94.热水侧板内流速=体积流量/(单通道截面积×流道数)=2.32/（0.00048×9）=537.0（m/s） 冷水侧板内流速=11.45/（0.00048×10）=2385.4（m/s）5 辅助设备的计算和选型5.1 泵的选择 ISWH卧式不锈钢离心泵参数表型号流量扬程m效率%转速r/min电机功率kw汽蚀余量m重量kgISWH40-1604.46.38.333323035404029002.22.347ISWH40-160A4.15.97.8292826.334393929001.52.347ISWH40-160B3.85.57.225.52422.534383729001.12.348ISWH40-2004.46.38.3515048263332290042.348ISWH40-200A4.15.97.8454442263130290032.362ISWH40-200B3.75.37.0383634.529292929002.22.352ISWH40-100I8.812.516.313.212.511.355 62 6029001.12.334ISWH40-100IA81114.510.610960606029000.752.332ISWH40-125IA81114.517161457575729001.12.333ISWH40-160I8.812.516.3333230455251290032.356型号流量扬程m效率%转速r/min电机功率kw汽蚀余量m重量kgISWH40-160IA8.211.715.229282644515029002.22.347ISWH40-160IB7.310.413.5232220.550505029001.52.343以下是两种不同类型的泵的选择5.1.1 对热水所需的泵进行选择计算：由ms1=2272.7kg/h，可得mv1=ms1/热水=2272.7/977.8=2.32，考虑经济因素，从上表中选用ISWH40-200B的泵：r=2900（r/min），mv1=3.7(m3/h)（便于调节）,H=38m（可将换热器安装在高处），。5.1.2对冷水所需的泵进行计算选择：由ms2=11376kg/h，可得mv2=ms2/冷水=11376/993.6=11.45，考虑经济因素，结合上表，选用ISWH40-100I的泵：r=2900（r/min），mv2=12.5(m3/h)（便于调节），H=12.5m（与热水泵错开），6 主要技术参数和计算结果列表6.1 换热器参数表换热器类型：锯齿形板式换热器换热面积(m2)：1.9裕度：25%技术参数：物料名称热水侧冷水侧操作压强,MPa0.130.41操作温度, 90/5032/40流量,kg/h2272.711376流体密度, kg/m3977.8993.6流速,m/s0.1340.66总传热量,kW105.7总传热系数,W/m2·2226.4对流传热系数, W/m2·4971.88129.1污垢系数,m2·K/W0.0.推荐使用材料不锈钢(1Cr18Ni9Ti )换热器规格外形尺寸,长×宽×高, mm625×235×0.8有效传热面积,m20.1波纹形式锯齿形波纹波纹高度,mm5.0法向波纹节距,mm40流道宽度210mm平均板间距,mm5.0平均流道横截面积,m20.00045平均当量直径, mm10.0换热器类型：锯齿形板式换热器换热面积(m2)：5.06裕度：18.3%技术参数：板片数19热水侧流道数9冷水侧流道数10平米数18.9热水侧板内流速537.0冷水侧板内流速2385.46.2 辅助设备参数表参数热水泵冷水泵型号ISWH40-200BISWH40-100I扬程(m)3812.5电机功率(kw)2.21.1转速(r/min)29002900汽蚀余量(m)2.32.3重量(kg)5234效率(%)29627 设计评述本次化工原理课程设计是对锯齿形板式换热器的设计，由刘艳老师指导。经历一个月，通过到图书馆查阅有关文献资料、上网搜索资料和向刘老师请教以及反复的计算核实，本板式换热器的设计可以说基本完成了。回想这一个月，感受颇深：一开始接到这个任务，我感到很迷茫，因为化工原理理论课的学习已经一个学期了，对换热器设计没有一个概念。现在老师要求以一个月之内设计板式换热器来冷却水，对我来说实在是一项艰巨的任务，但是经过不断的努力，还是如期完成了。我觉得在化工原理课程设计中我学到了很多东西，尤其在下面几个方面得到了很好的锻炼和培养第一个是，查阅资料，选用公式和搜集数据的能力。通常设计任务书给出后，有许多数据需由设计者去搜集，有些物性参数要查取或估算，计算公式也由设计者自行选用，这就要求设计者运用各方面的知识，详细而全面的考虑后方能确定。 第二个是正确选用设计参数，树立从技术上可行和经济上合理两方面考虑的工程观点，同时还需考虑到操作维修的方便和环境保护的要求。也即对于课程设计不仅要求计算正确，还要求从工程的角度综合考虑各种因素，从总体上得到最佳结果。第三个是，正确、迅速地进行工程计算。设计计算是一个反复试算的过程，计算工作量很大，因此正确与迅速(含必要的编程能力)必需同时强调。第四个是掌握化工设计的基本程序和方法，学会用简洁的文字和适当的图表表示自己的设计思想。在整个设计过程中，出现了很多的状况，尤其是在最初计算换热器参数的时候，反复的计算验算，但通过向老师请教，最终还是完成了核算。8 参考文献1 柴诚敬.张国亮等.化工流体流动与传热.北京:化学工业出版社,20002 余国琮等.化工容器及设备.北京:化学工业出版社,19803 中华人民共和国国家标准.GB151-89钢制管壳式换热器.国家技术监督局发布,19894 匡国柱,史启才,化工单元过程及设备课程设计.北京:化学工业出版社,19885 化工设备设计全书编委会,换热器设计.上海:上海科学技术出版社,19886 徐中全译,尾花英郎著.热交换器设计手册.北京:石油工业出版社，19827 卓震主.化工容器及设备.北京:中国石化出版社，19988 潘继红等.管壳式换热器的分析与计算.北京:科学出版社,19969 朱聘冠.换热器原理及计算.北京:清华大学出版社,198710 大连理工大学.化工原理(上册).大连:大连理工大学出版社,199311 兰州石油机械研究所.换热器(上册).北京:中国石化出版社,199212 时均等,化学工程手册(第二版,上卷).北京:化学工业出版社，19969 主要符号说明英文字母 t冷流体温度，；A流通面积，m2；t管心距，m；b厚度，m；T热流体温度，；c常数，m；u流速，m/s；cp定压比热容，kJ/(kg*)；W质量流量，kg/s。d管径，m；D换热器壳径，m；希腊字母h挡板间距，m；对流传热系数，W/(m2*)；K总传热系数，W/(m2*)；导热系数，W/(m*)；l长度，m；粘度，Pa*s；L长度，m；密度，kg/m3n管数；表面张力，/m。N程数；p压强，Pa；下标Q传热速率或热负载，W；i管内；r半径，mm；m平均；R热阻，m2*/W；o管外；S传热面积，m2；t温度差；附图一：工艺流程简图锯齿形板翅式换热器制造工艺流程 附图二：主体设备设计条件图专心-专注-专业