材料工程原理课程设计任务书—板式换热器

1、材料工程原理课程设计材料工程原理课程设计设计题目：板式换热器2-油处理能力12000公斤/小时专 业：无机非金属材料 班 级：材料1103班（卓越工程师班） 学 号： 姓 名： 日 期： 2014/9/12 指导教师： 设计成绩： 日 期： 目 录设计任务书3 （一） 设计题目3 （二） 设计任务及操作条件3第1章 设计方案简介5 1.1 板式换热器概述5 1.1.1板式换热器发展简史5 1.1.2 板式换热器的优缺点5 1.1.3应用7 1.2 板式换热器的基本结构7 1.2.1 整体结构7 1.2.2 组装形式8 1.3 确定设计原则10第2章 板式换热器的工艺设计计算13 2.1 设计计

2、算步骤13 2.2 工艺设计数据一览表14 2.3 板式换热器设计计算15 2.3.1 计算热负荷15 2.3.2 计算逆流平均温差15 2.3.3 初估换热面积及初选板型15 2.3.4 核算总传热系数K16 2.3.5 计算传热面积S18 2.4 压降核算18 方案一 16 方案二 19 方案三 22 2.5 换热器主要结构尺寸及计算结果一览表22 2.5.1换热器方案的选择24 2.5.2换热器主要结构尺寸及数据统计25第3章 辅助设备的计算与选择26 3.1 水泵的选择26 3.2 油泵的选择27第4章 附图28 4.1 工艺流程图29 4.2 主体设备工艺图30第五章 设计小结29

3、5.1 课程设计总结315.2 参考文献322011级材料卓越工程师班 “板式换热器设计组2”任务书（一）设计题目 板式换热器设计油处理能力12000公斤/小时（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70，出口温度40（2）冷却介质：工业硬水，入口温度20，（3）水的流量为20000kg/h（4）油侧与水侧允许压强降：不大于105 Pa（5）油定性温度下的物性参数：名称（kg/m3）Cp (kj/.)（Pa.s） (W/m.)油8501.83.2×10-30.12 第一章 设计方案简介1.1 板式换热器概述1.1.1板式换热

4、器发展简史 目前板式换热器已成为高效、紧凑的热交换设备，大量地应用于工业中。它的发展已有一百多年的历史。德国在1878年发明了板式换热器，并获得专利，到1886年，由法国M.Malvazin首次设计出沟道板板式换热器，并在葡萄酒生产中用于灭菌。APV公司的R.Seligman在1923年成功地设计了可以成批生产的板式换热器，开始时是运用很多铸造青铜板片组合在一起，很像板框式压滤机。1930年以后，才有不锈钢或铜薄板压制的波纹板片板式换热器，板片四周用垫片密封，从此板式换热器的板片，由沟道板的形式跨入了现代用薄板压制的波纹板形式，为板式换热器的发展奠定了基础。1.1.2 板式换热器的优缺点人们通

5、过科学研究和生产实践，对板式换热器的特点有了深刻的了解，并总结出一系列优缺点，通常是和管壳式换热器加以比较，共归纳为以下几点：（一）优点1：传热系数高管壳式换热器的结构，从强度方面看是很好的，但从换热角度看并不理想，因为流体在壳程中流动时存在着折流板壳体、折流板换热管、管束壳体之间的旁路。通过这些旁路的流体，并没有充分地参与换热。而板式换热器，不存在旁路，而板片的波纹能使流体在较小的流速下产生湍流。所以板式换热器有较高的传热系数，一般情况下是管壳式换热器的35倍。2：对数平均温差大在管壳式换热器中，两种流体分别在壳程和管程内流动，总体上是错流的流动方式。如果进一步分析，壳程为混合流动，管程是多

6、股流动，所以对数平均温差都应采用修正系数。修正系数通常较小。流体在板式换热器内的流动，总体上是并流或逆流的流动方式，其温差修正系数一般大于0.8，通常为0.95。3：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换热器的25倍，也不像管壳式换热器那样需要预留抽出管束的检修场地，因此实现同样的换热任务时，板式换热器的占地面积约为管壳式换热器的1/51/10。4：重量轻板式换热器的板片厚度仅为0.60.8mm，管壳式换热器的换热管厚度为2.02.5mm；管壳式换热器的壳体比板式换热器的框架重得多。在完成同样的换热任务的情况下，板式换热器所需要的换热面积比管壳式换热器的小。5：价格低在使

7、用材料相同的前提下，因为框架所需要的材料较少，所以生产成本必然要比管壳式换热器低。6：末端温差小管壳式换热器，在壳程中流动的流体和换热面交错并绕流，还存在旁流，而板式换热器的冷、热流体在板式换热器内的流动平行于换热面，且无旁流，这样使得板式换热器的末端温差很小，对于水水换热可以低于1，而管壳式换热器大约为5，这对于回收低温位的热能是很有利的。7：污垢系数低板式换热器的污垢系数比管壳式换热器的污垢系数小得多，其原因是流体的剧烈湍流，杂质不宜沉积；板间通道的流通死区小；不锈钢制造的换热面光滑、且腐蚀附着物少，以及清洗容易。8：多种介质换热如果板式换热器安装有中间隔板，则一台设备可以进行三种或三种以

8、上介质的换热。9：清洗方便板式换热器的压紧板卸掉后，即可松开板束，卸下板片，进行机械清洗。10：容易改变换热面积或流程组合只需要增加（或减少）板片，即可达到需要增加（或减少）的换热面积。（二）缺点1：工作压力在2.5MPa以下板式换热器是靠垫片进行密封的，密封的周边很长，而且角孔的两道密封处的支撑情况较差，垫片得不到足够的压紧力，所以目前板式换热器的最高工作压力仅为2.5MPa；单板面积在1m2以上时，其工作压力往往低于2.5MPa。2：工作温度在250以下板式换热器的工作温度决定于密封垫片能承受的温度。用橡胶类弹性垫片时，最高工作温度在200以下；用压缩石棉绒垫片(Caf)时，最高工作温度为

9、250260。3：不宜于进行易堵塞通道的介质的换热板式换热器的板间通道很窄，一般为35mm，当换热介质中含有较大的固体颗粒或纤维物质，就容易堵塞板间通道。对这种换热场合，应考虑在入口安装过滤装置，或采用再生冷却系统。1.1.3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.

10、 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、太阳能利用。1.2 板式换热器的基本结构1.2.1 整体结构板式换热器主要由一组长方形的薄金属板平行排列构成。用框架将板片夹紧组装于支架上，如下图所示。两相邻板片衬以垫片（橡胶或压缩石棉等）压紧，达到密封的目的。板片四角有圆孔，形成液体的通道。冷、热流体交替地在板片两侧流过，通过板片进行换热。板片通常被压制成各种槽形或波形的表面，这样增强了

11、刚度，不致受压变形，同时也增强液体的湍流程度，增大传热面积，亦有利于流体的均匀分布。 板式换热器主要由框架和板片两大部分组成。（1）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圆孔，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。（2）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。1.2.2 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

12、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。 液体在板间的流动示意图 （4） 板式换热器组装形式表示方法 m1a1+m2a2 n1b1+n2b2其中m1,m2,n1,n2表示程数，a1,a2,b1,b2表示每程流道数。原则上规定分子为热流体流程，分母为冷流体流程。总板数：m1a1+m2a2+n1b1+n2b2+1（包括两端版块）实际传热板数:m1a1+m2a2+n1b1+n2b21总流道数：m1a1+m

13、2a2+n1b1+n2b2（5） 板式换热器规格型号表示方法1.3 确定设计原则 (1) 选择板片的波纹形式板片的选用原则：主要考虑板式换热器的工作压力，流体的压力将和传热系数。如果工作压力在1.6MPa以上，则别无选择的要采用人字形波纹板片;如果不高有特别要求阻力降低，则选用水平平直波纹板片较好一些;如果由于安装位置所限，需要高的换热效率以减少占地面面积，而阻力将可以不受限制则应选用人字形波纹板片。(2) 单板面积的选择单板面积过小，则板式换热器的版片数多也即是占地面积增大，程数增多（造成阻力降增大）；反之，虽然占地面面积和阻力减少，难保证板间通道必要的流速。单板面积可按流体过角孔的速度为6

14、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： (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0.20.8m/s。流速低于0.2m/s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。 (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。（5） 流向的选取单向换热时，逆流具有最大的平均传热温差。本设计中将流体布置为混流

15、。（6） 并联流道的选取一程中并联流道数目的多少视给定流量及选取的流速而定，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） 垫片材料的选择密封垫片是换热器的重要构件，对它的基本要求是耐热、耐压、耐腐蚀。板式换热器通过压板压紧垫片达到密封。为确保可靠的密封，必须在操作条件下密封面上保持足够的压紧力。板式换热器由于密封周边长，需用垫片两大，在使用过程中需用平凡拆卸和清洗，泄露可能性大。如果垫片材料选取不当，弹性不好，所用胶水不黏或涂的不匀，都可能发生脱垫、变形、老化等。加之板片生产过程中，有时发生翘曲，也可能造成泄漏。一台换热器往往由几十片甚至几百片传热板片组

16、成，垫片的中心很难对准，组装时容易使垫片某段压扁或挤出，造成泄漏，因此必须增加垫片上下接触面积。垫片材料广泛采用天然橡胶、丁晴橡胶、氯丁橡胶、硅橡胶、氯橡胶。这些材料的安全使用温度一般在125以下，最高不超过200。橡胶垫片有不耐有机溶剂腐蚀扥缺点。 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参见下表。此设计中预选压缩石棉橡胶垫片。第二章 板式换热器的工艺设计计算2.1 设计计算步骤 确定组装形式判断步骤: 2.2 工艺计算数据一览表计算项目符号单位计算公式数值冷却水初温t已知20冷却水终温tt1+Q/(w2cp2) 27.75油初温T已知70油终温T已知40冷却水密度/m查

17、表997冷却水比热容Cp2kj/（kg·）查表4.18冷却水粘度Pa·s查表9.1x10-4油密度/m查表850油比热容 Cp1kj/（kg·）查表1.8油粘度Pa·s查表3.2x10-3水流量W2/h已知20000水导热系数W/(m.)查表0.606油流量W1/h已知12000油导热系数W/(m.)已知0.12逆流平均温差t28.329.22.3 板式换热器的设计计算 2.3.1 计算热负荷=w1（T1-T2）= ×1.8×10×(70-40)=1.8×10W 2.3.2 计算逆流平均温差t2=t1+=20+=2

18、7.75（）逆流平均温差 t =29.75（）水的特性温度为T = =23.9，由此查表的该定性温度下的物性数据名称2（kg/m3）Cp2(kj/.)2（Pa.s）2(W/m.)工业用水9974.189.1x10-40.6062.3.3 初估换热面积及初选板型粘度大于1.0×10Pa.s的油与水换热时，列管式的换热器的K值大约为115470W(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 .).初估换热面积为 S = =6.05 m（一）、方案一 初选BR0.1型板式换热器，其单通道横截面面积为8.4×10-4 m，实际单板传热面积为0.

19、1152 m.试选组装形式6-（混流）， 3×8为油的流程，程数为3，每程通道数为8，1×24为水的流程，程数为1，每程通道数为24；换热面积为,6 m。因所选版型为混流，采用列管式换热器的温差校正系数: R=3.87 P=0.155查单壳程温差校正系数图，得 =0.95 =0.95 × 29.75 = 28.3（)初估换热器面积 S= = = 6.36 （m）2.3.4、核算总传热系数K（1）油侧的对流传热系数 流速 =0.584 （m/s ）采用 0.1m人字形板式换热器，其板间距=4mm 查表得 当量直径 =2X = 0.008m = = =1241 = =

20、 =48 =0.18(/)Re1Pr1（）油被冷却，（）=0.95 = 1985 W/(m·)（2） 水侧对流传热系数 流速 = 0.276 m/s Re= = 2419 P= = 6.28 =0.18Re1Pr1（） 水被加热，取（）=1.05 则 = 7371 W/(m.)（3） 金属板热阻板材为不锈钢（0Cr18Ni9），其导热系数=16.3W/(m·)，板厚0.8，则=0.0000491(m·) / W（4） 污垢热阻油侧 =0.000052(m·) / W ,水侧 =0.000043(m·) / W(5) 总传热系数K=+=0.000

21、052+0.000043+0.0000491+=7.840x10(m·/W)可算得K=1276(W/m·)2.3.5 计算传热面积S S=5.0m安全系数为 = 10.2,传热面积的裕度满足工艺要求 。2.4 压降计算查0.1 m 人字形板式换热器-u（油-水）3程压降图，可知油侧 u1=0.584m/s,0.76x10Pa<1x10Pa ,满足要求。水侧 u2=0.267m/s,0.5x10Pa<1x10Pa,满足要求。 故所选板式换热器型规格号：BR0.1/6-。（二）、方案二初选BR0.1型板式换热器，其单通道横截面面积为8.4×10-4 m，实

22、际单板传热面积为0.1152 m.试选组装形式6-（混流）， 3×10为油的流程，程数为3，每程通道数为10，1×30为水的流程，程数为1，每程通道数为30；换热面积为,6 m。因所选版型为混流，采用列管式换热器的温差校正系数: R=3.87 P=0.155查单壳程温差校正系数图，得 =0.95=0.95 × 29.75 = 28.3（)初估换热器面积 S= = = 6.36 （m）2.3.4、核算总传热系数K（1）油侧的对流传热系数 流速 =0.467 （m/s ）采用 0.1m人字形板式换热器，其板间距=4mm 查表得 当量直径 =2X = 0.008m =

23、= =992.4 = = =48 =0.18(/)Re1Pr1（）油被冷却，（）=0.95 = 1697 W/(m·)（2） 水侧对流传热系数 流速 = 0.22 m/s Re= = 1928 P= = 6.28 =0.18Re1Pr1（） 水被加热，取（）=1.05 则 = 6290 W/(m.)（3） 金属板热阻板材为不锈钢（0Cr18Ni9），其导热系数=16.3W/(m·)，板厚0.8，则=0.0000491(m·) / W（4） 污垢热阻油侧 =0.000052(m·) / W ,水侧 =0.000043(m·) / W(5) 总传热

24、系数K=+=0.000052+0.000043+0.0000491+=8.924x10(m·/W)可算得K=1121(W/m·)2.3.5 计算传热面积S S=5.7 m安全系数为 = 19.3,传热面积的裕度满足工艺要求 。2.4 压降计算查0.1 m 人字形板式换热器-u（油-水）3程压降图，可知油侧 u1=0.467m/s,0.56x10Pa<1x10Pa ,满足要求。水侧 u2=0.22m/s,0.x10Pa<1x10Pa,满足要求。故所选板式换热器型规格号：BR0.1/6-。（三）、方案三初选BR0.1型板式换热器，其单通道横截面面积为8.4×

25、;10-4 m，实际单板传热面积为0.1152 m.试选组装形式6-（混流）， 3×14为油的流程，程数为3，每程通道数为14，2×18为水的流程，程数为2，每程通道数为18；换热面积为,6 m。因所选版型为混流，采用列管式换热器的温差校正系数: R=3.87 P=0.155查双壳程温差校正系数图，得 =0.98=0.95 × 29.75 = 29.2（)初估换热器面积 S= = = 6.16 （m）2.3.4、核算总传热系数K（1）油侧的对流传热系数 流速 =0.389 （m/s ）采用 0.1m人字形板式换热器，其板间距=4mm 查表得 当量直径 =2X =

26、0.008m = = =826.6 = = =48 =0.18(/)Re1Pr1（）油被冷却，（）=0.95 = 1493 W/(m·)（2） 水侧对流传热系数 流速 = 0.369 m/s Re= = 3234 P= = 6.28 =0.18Re1Pr1（）水被加热，取（）=1.05 则 = 9032 W/(m.)（3） 金属板热阻板材为不锈钢（0Cr18Ni9），其导热系数=16.3 W/(m·)，板厚0.8mm，则=0.0000491(m·) / W（4） 污垢热阻油侧 =0.000052(m·) / W ,水侧 =0.000043(m·

27、) / W(5) 总传热系数K=+=0.000052+0.000043+0.0000491+=9.246x10(m·/W)可算得K=1082(W/m·)2.3.5 计算传热面积S S=5.7 m安全系数为 = 43.9,传热面积的裕度满足工艺要求 。2.4 压降计算查0.1 m 人字形板式换热器-u（油-水）3程压降图，可知油侧 u1=0.389m/s,0.63x10Pa<1x10Pa ,满足要求。水侧 u2=0.369m/s,0.51x10Pa<1x10Pa,满足要求。故所选板式换热器型规格号：BR0.1/6-。2.5 换热器主要结构尺寸及计算结果一览表 2.

28、5.1换热器方案的选择方案方案一方案二方案三组装形式6-6-6-换热面积S(m2)666初估换热面积S(m2)6.366.366.16总换热系数K(W/m·)127611211082所需传热面积S（m2)4.95.75.7安全系数10.219.343.9流速（m/s）油侧0.5840.4670.389水侧0.2760.220.367压降（10Pa）油侧0.630.560.76水侧0.50.50.51由上表数据可以得出，方案一的传热面积S小于方案二、三，过于浪费，且油侧速度过大，所以舍去。方案二与方案三相比，方案二总换热面积大于方案三，而安全系数方案三大于方案二，裕度过大，应在1025

29、比较合适。综上所述，应选择方案二较为合理，故所选板式换热器型规格号：BR0.1/6-。2.5.2换热器主要结构尺寸及数据统计主要性能参数：数据外形尺寸（长×宽×高）625x235x0.8有效传热面积，m0.1152波纹形式等腰三角形波纹高度，mm4流道宽度 ,mm210平均板间距，mm4平均流到横截面积，m0.00084平均当量直径，mm8法向波纹间距,mm17板片材料304（0Cr18Ni9）垫圈压缩石棉橡胶数据统计tm28.3ºC油的流速0.467m/s992.4481697水的流速0.22m/s19286.2862900.0000476油侧污垢热阻 R10.

30、000052水侧污垢热阻R20.000043总传热系数K1123所需传热面积S5.7实际加热面积S6.8安全系数19.3%油侧压强降0.56x10Pa水侧压强降0.5x10Pa第三章 辅助设备的计算与选择3.1 水泵的选择水的质量流量kg/h，体积流量20.06m3/h。 = 0.180 m= 180 mm选取mm无缝GB 816387钢管，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u=0.22m/s，Re=1928 取相对粗糙度，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 m则扬程m（水柱）同时流量20.06m

31、3/h 从而可选用型号为IS65-50-125的离心泵。3.2 油泵的选择 煤油的质量流量kg/h， 煤油的体积流量m3/h = 0.104m = 104 mm，选择mm的无缝GB 816387钢管，管路总长为10m，换热器截面高出泵截面10m。管内流速 u = 0.467m/s雷诺数取钢管相对粗糙度，查得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m同时体积流量14.12m3/h,可从齿轮泵规格表中选用型号为KCB-300（2CY-18/0.36)的齿轮泵。辅助设备一览表型号与规格输水管GB 816387（mm）输水泵IS65-50-1

32、25输油管GB 816387（mm） 输油泵KCB-300（2CY-18/0.36)第四章 附图4.1 工艺流程图（1）储油罐板式换热器原油经齿轮泵的作用，到达板式换热器，原油中可能有其他杂质，所以途中使用过滤器过滤掉杂质成分。由于进出油泵的管道与进出板式换热器的管道大小不一样，使用流量计限制流量，达到所需要的流量大小，温度计保证原油进入板式换热器前是否达到要求的温度。产品库（2） 板式换热器 经板式换热器处理过产品油，需要经过温度计的检测是否达到产品所需温度，如果产品温度没有达到，通过三通阀调节，使产品重新进行降温处理，直到温度满足为止。（3）蓄水池板式换热器蓄水池设计为长方体形状，在底部有一个斜坡，由于采用的是自来水，含有泥沙，所以斜坡能够沉积泥沙，便于清洗蓄水池。自来水大部分是硬水，需要会根据不同地区水质加入不同的缓释除垢剂，降低水质的硬度，减少由于钙镁离子等产生的污垢热阻，达到工业要求。蓄水池设计一个溢流装置，当水量达到设置的水位时，自动流出，避免因人为失误导致蓄水池被破坏。水经过滤后经水泵的作用进入板式换热器，两台水泵的作用是保证不会因为水泵停止工作而影响生产。三通阀可控制整个生产线的运行，当换热器出现事故时停止水的供应，或者排出蓄水池的污水。经过玻璃钢冷却塔的水，通过温度计控制进入