板式换热正文.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流板式换热正文.精品文档.课程设计中文摘要在不同温度的流体间传递热能的装置称为换热器。本次课程设计是在已知最大处理量、冷热流体的进出口温度以及最大允许压降的情况下设计适当的板式换热器以达到要求的处理效果。通过计算传热过程的热负荷、平均温差、对流传热系数、传热面积和压降等步骤，选择适当的板型及组合形式，最后画出所设计的换热器的简要的剖面图并标示必要的辅助设备。 关键词 课程设计 板式换热器 传热面积 对流传热系数 最大允许压降1 引言在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，即简称换热器。换热器在化工、石油、动力、制冷、食品、制药等行业中应用

2、广泛，且为这些行业的通用设备，地位十分重要。换热器主要有三大类，分别是间壁式、蓄热式和混合式，其中间壁式的应用最为广泛。间壁式换热器根据传热的装置不同分为列管式和板式两种。本次课程设计主要是介绍板式换热器的设计，为某一工艺过程设计一板式换热器时，应分析其设计压力、设计温度、介质特性、经济性因素，然后通过选择板片的波纹型式、单片面积的选择、流速的选取、流程的选取、流向的选取、并联流道数的选取等步骤来实现板式换热器的设计过程。设计完成后，可以对所选定的换热器再进行核算，完善设计方案，达到最好的传热效果。2 设计方案简介21 换热器概述换热器（heat exchanger），是将热流体的部分热量传递

3、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，在化工厂，换热器的费用约占总费用的10%20%，在炼油厂约占总费用35%40%。在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用广泛。换热器在其他部门如动力、原子能、冶金、交通、环保、家电等也有着广泛的应用。因此，设计和选择得到实用、高效的换热器对降低设备的造价和操作费用具有十分重要的作用。随着经济的发展，各种不同型式和种类的换热器发展地很快，新结构、新材料的换热器在不断的涌现。为了适应发展的需要，我国对某些种类的换热器已经建立了标准，形成了系列。合理完善的换热

4、器在设计或选型时应满足以下基本要求： （1） 合理地实现所规定的工艺条件； （2） 结构安全可靠； （3） 便于制造、安装、操作和维修； （4） 经济上合理。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。其中间壁式换热器应用最广泛，如表2-1所示。表2-1 传热器的结构分类类型特点间壁式管壳式列管式固定管式刚性结构用于管壳温差较小的情况（一般50），管间不能清洗带膨胀节有一定的温度补偿能力，壳程只能承受低压力浮头式管内外均能承受高压，可用于高温高压场合U型管式管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难填料函式外填料函管间容易泄露，不宜处理易挥发、易

5、爆炸及压力较高的介质内填料函密封性能差，只能用于压差较小的场合釜式壳体上部有个蒸发空间用于再沸、蒸煮双套管式结构比较复杂，主要用于高温高压场合和固定床反应器中套管式能逆流操作，用于传热面积较小的冷却器、冷凝器或预热器螺旋管式沉浸式用于管内流体的冷却、冷凝或管外流体的加热喷淋式只用于管内流体的冷却或冷凝板面式板式拆洗方便，传热面能调整，主要用于粘性较大的液体间换热螺旋板式可进行严格的逆流操作，有自洁的作用，可用做回收低温热能伞板式结构紧凑，拆洗方便，通道较小、易堵，要求流体干净板壳式板束类似于管束，可抽出清洗检修，压力不能太高混合式适用于允许换热流体之间直接接触蓄热式换热过程分阶段交替进行，适用

6、于从高温炉气中回收热能的场合22 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。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。2.2.1 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

7、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。 其基本结构如图2-1所示。图2-1 板式换热器的一般结构图1-压紧螺杆 2、4-固定端板垫片 3-固定端板 5-六角螺母 6-小垫圈 7-传热板片 8-定位螺杆 9-中间垫片 10-活动端板垫片 11-定位螺母 12-换向板片 13活动端板2.2.2 板式换热器特点优点：（与管壳式换热器比较）（1）总传热系数高，因为板式换热器中，板面被压制成波纹或沟槽，在低流速下（如Re=200左右）即可达到湍流，故总传

8、热系数高，而液体阻力却增加不大，污垢热阻亦较小，对低粘度液体的传热，K值可高达7000W/(m2K)。（2）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。 （3）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1/51/8。

9、（4）操作灵活性大，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。 （5）加工制造容易，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。 （6）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。 （7）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。

10、缺点：（1）允许操作压力较低，最高不超过1961kPa ，否则容易渗漏。（2）操作温度不能太高，因受垫片耐热性能的限制，如对合成橡胶垫圈不高于130，对压缩石棉垫圈也应低于250。（3）容量较小，是管壳式换热器的10%20%。（4）易堵塞，由于板片间通道很窄，一般只有25mm，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。2.2.3 设计的一般原则为某一工艺过程设计一板式换热器时，应分析其设计压力、设计温度、介质特性、经济性等因素，具体设计的一般原则为下述几个方面。1.选择板片的波纹型式选择板片的波纹型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。2.单板面积的选择单板面积过

11、小，则板式换热器的板片数多，也使面积增大，程数增多；反之，难以保证板间通道的必要流速。单板面积可按流体流过角空的速度为6m/s左右考虑。3.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，流速高固然换热系数高，但流体的压力降反而增大，反之则情况相反。一般板间平均流速为0.20.8m/s。4.流程的选取对于一般对称型流道的板式换热器，两流体的体积流量大致相当时，应尽可能按等程布置，若两侧流量相差悬殊时，则流量小的一侧可按多程布置。5.流向的选取单相换热时，逆流具有最大的平均传热温差。在一般换热器的设计中都尽量把流体布置为逆流。6.并联流道数的选择一程中并联流道数的多少视给定流量及选取的流速

12、而定，流速的高低受制于允许压降，在可能的最大流速以内，并联流道数目取决于流量的大小。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考表2-2。表2-2垫片性能和使用温度项目氯丁橡胶丁晴橡胶硅橡胶氟橡胶石棉纤维板性能拉断强度，MPa8.009.007.0010。007010.0拉断伸长率，%300250200200硬度752752602805永久压缩变形，%20202525使用温度，-40100-20120-65230-20200203503 板式换热器的设计计算31 计算定性温度热水入口温度78，出口温度60；循环冷却水入口温度30，出口温度40；热水的定性

13、温度循环水的定性温度查出定性温度下的物性数据如表3-1：表3-1定性温度下水的物理参数物性流体定性温度密度kg/m3粘度Pas比热容kJ/(kg)导热系数W/(m)普朗特数Pr热水69978.3270.412104.1860.66682.58循环水35994.0290.722104.1740.62574.0932 计算热负荷式中=（kg/s） Q=0.7364.186（78-60）=5.55（W）33 计算逆流平均温差34 初估换热面积及初选板型查列管式换热器用作冷却器时的K值范围，可知高温流体和低温流体均为水时，列管式换热器的K值大约为14002840 W/(m) ，而板式换热器传热系数为列

14、管式换热器的24倍，则可初估K为2500 W/(m)。初估换热面积 （m2）初选BR0.05型板式换热器，其单通道截面积为3104m2，实际单板传热面积为0.05 m2。试选组装形式为0.7。热水和循环冷却水的流程均为18，程数为1，通道数为8；换热面积为0.7 m2。所选板型两侧等程，故可采用逆流操作，则温差校正系数为1，所以35 核算总传热系数K（1）热水侧的对流传热系数1流速（m/s）采用0.05 m2人字形板式换热器，其板间距=3.8mm当量直径 （在285014600之间）查板式换热器设计手册得传热系数计算公式如下： （适用于） W/（m2）（2）冷水侧的对流传热系数2 忽略热量损失

15、，由热量衡算可知Q放=Q吸，流速（m/s） （在285014600之间） （适用于） W/（m2）（3）金属板的热阻板材为不锈钢（1Cr18Ni9Ti），其导热系数为w=16.8W/（m2）板厚b=0.6mm,则（4）污垢热阻热水循环冷却水（5）总传热系数 K=2688.2W/ m236 传热面积S安全系数为，传热面积的裕度满足工艺要求。37压降的核算查板式换热器的设计手册可得热水一侧 m/s， 冷水一侧 故所选的板式换热器规格型号：BR0.05/0.74 板式换热器的主要性能参数所选用的板式换热器的主要性能参数如表4-1。表4-1换热器的主要性能参数规 格BR 0.05单片换热面积0.05板

16、片尺寸500168板片厚度0.8角孔直径36接管直径28波纹形状人字形波纹波纹间距10平均板间距3.8可组合换热面积 0.55最大允许使用压力 Mpa1最高允许使用温度120传热系数W/20006000结 论所设计的换热器为板式换热器，满足操作时压力应低于1MPa，两流体之间的体积流量大致相当，故可以采用等程布置。单相换热时，逆流具有最大的平均传热温差，因为冷热流体两侧等程，故可采用逆流操作。换热器材料为不锈钢，导热系数适中，耐腐蚀，价格较便宜，作为换热器材料很合适。选用的板片有效传热面积为0.05m2，可组合换热面积在0.52 m2之间，合理利用了每一块板的面积，节约材料，节省空间。所选的组

17、装形式满足生产工艺要求的安全裕度。最终设计的换热器能在完成任务的同时，节约了材料，合理布置，十分成功。参 考 文 献1 张红卫.板式换热器的选型实例.机电工程技术，2001（7）：50522 文继卿，任子荣.板式换热器的选用及选型计算.甘肃科学学报，1998,10（3）：49523 王国胜.化工原理课程设计.大连：大连理工大学出版社.2005.4 王志魁.化工原理（第三版）北京:化学工业出版社，2005. 5 赵汝博,管国锋化工原理北京:化学工业出版社，20036 涂伟萍.化工过程及设备设计M, 北京：化学工业出版社,2000.7 潘国昌.化工设备设计. 北京：清华大学出版社.2001.8 王

18、莲琴编物性数据的计算与图表.北京：化学工业出版社.1992.9 匡国柱.化工单元过程及设备课程设计 (面向21世纪课程教材).北京：化学工业出版社.2002.10 杨艳，王英龙.板式换热器设计选型的一种计算方法.石油炼制与化工，2004，35（5）：545611 童景山编 .流态化干燥工艺与设备.北京:科学出版社.1989.附 表表1 板式换热器中的污垢热阻值流体名称污垢热阻，流体名称污垢热阻，软水、蒸馏水0.8610-5润滑油1.74.310-5工业用软水1.710-5植物油1.75.210-5工业用硬水4.310-5有机溶剂0.862.610-5循环冷却水3.410-5水蒸气0.8610-5海水2.610-5一般液体0.865.210-5河水4.310-5