化工原理課程設(shè)計板式換熱器

1、化工原理課程設(shè)計一 設(shè)計任務(wù)書1.處理能力：7000kg/h 油2.設(shè)備形式：板式換熱器3.操作條件 （1）油：入口溫度100，出口溫度40 （2）冷卻介質(zhì)：水，入口溫度30，出口溫度50（3）允許壓降：不大于5105pa （4）油在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)：名稱（kg/m3）cp (kj/.)（pa.s） (w/m.)油8252.228.6610-40.142、 目錄1. 板式換熱器簡介2. 設(shè)計版式換熱器的一般原則3. 組裝形式判據(jù)圖4. 板式換熱器計算（1） 傳熱計算（2） 壓降計算及工藝流程簡圖（3） 板式換熱器熱量衡算 串流組裝 并流組裝 混流組裝5. 設(shè)計結(jié)果概要6. 附圖（1） 工藝

2、流程圖（2）主體設(shè)備工藝圖7. 參考文獻3、 板式換熱器簡介1、 本成套設(shè)備有板式換熱器、平衡槽、離心式衛(wèi)生泵熱水裝置（包括蒸汽管路，熱水噴入器）、支架以及儀表箱等組成。用于牛奶或其他熱敏感性液體之殺菌冷卻。與處理的物料先進入平衡槽，經(jīng)離心式衛(wèi)生泵送入換熱器、經(jīng)過預(yù)熱殺菌、保溫、冷卻各手段、凡未達到殺菌溫度的物料，由儀表控制氣動回流閥換向、再回到平槽重新處理。物料殺菌溫度有儀表控制箱進行自動控制和連續(xù)記錄，一便對殺菌過程進行監(jiān)視和檢查。此設(shè)備適用于對牛奶預(yù)殺菌、巴氏殺菌。板式換熱器的型式主要有框架式和釬焊式兩大類。半片形式主要有人字形波紋板水平平直波紋板和鋸齒形半片三種。2、 板式換熱器的基本

3、結(jié)構(gòu) 板式換熱器主要由框架和板片兩大部分組成。板片由各種材料的制成的薄板用各種不同形式的磨具壓成形狀各異的波紋，并在板片的四個角上開有角孔，用于介質(zhì)的流道。板片的四周及角孔處用橡膠墊片加以密封。 框架由固定壓緊板、活動壓緊板、上下倒桿和夾緊螺栓等組成。板式換熱器是將板片以疊加的形式裝在固定壓緊板、活動壓緊板中間，然后用夾緊螺栓加緊而成。 3、常見板片的波紋形式及數(shù)據(jù)板片按波紋的幾何形狀分類有：水平平直波紋、人字形波紋、斜波紋、鋸齒形波紋等板片(見圖1-2-1）。 圖1-2-1 4、板式換熱器的特點 a.傳熱系數(shù)高 由于不同的波紋板相互倒置，構(gòu)成復(fù)雜的流道，使流體在波紋板間流道內(nèi)呈旋轉(zhuǎn)三維流動，

4、能在較低的雷諾數(shù)（一般re=50-200）下產(chǎn)生紊流，所以傳熱系數(shù)高，一般認為是管殼式的3-5倍。 b.對數(shù)平均溫差大，末端溫差小 在管殼式換熱器中，兩種流體分別在管程和殼程內(nèi)流動，總體上是錯流流動，對數(shù)平均溫差修正系數(shù)小，而板式換熱器多是并流或逆流流動方式，其修正系數(shù)也通常在0.95左右，此外，冷、熱流體在板式換熱器內(nèi)的流動平行于換熱面、無旁流，因此使得板式換熱器的末端溫差小，對水換熱可低于1，而管殼式換熱器一般為5。 c.占地面積小 板式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積內(nèi)的換熱面積為管殼式的2-5倍，也不像管殼式那樣要預(yù)留抽出管束的檢修場所，因此實現(xiàn)同樣的換熱量，板式換熱器占地面積約為管殼式換熱器

5、的1/5-1/8。 d.容易改變換熱面積或流程組合，只要增加或減少幾張板，即可達到增加或減少換熱面積的目的；改變板片排列或更換幾張板片，即可達到所要求的流程組合，適應(yīng)新的換熱工況，而管殼式換熱器的傳熱面積幾乎不可能增加。 e.重量輕 板式換熱器的板片厚度僅為0.40.8mm，而管殼式換熱器的換熱管的厚度為2.02.5mm，管殼式的殼體比板式換熱器的框架重得多，板式換熱器一般只有管殼式重量的1/5左右。 f. 價格低 采用相同材料，在相同換熱面積下，板式換熱器價格比管殼式約低40%60%。 g. 制作方便 板式換熱器的傳熱板是采用沖壓加工，標準化程度高，并可大批生產(chǎn)，管殼式換熱器一般采用手工制作

6、。 h. 容易清洗 框架式板式換熱器只要松動壓緊螺栓，即可松開板束，卸下板片進行機械清洗，這對需要經(jīng)常清洗設(shè)備的換熱過程十分方便。 i. 熱損失小 板式換熱器只有傳熱板的外殼板暴露在大氣中，因此散熱損失可以忽略不計，也不需要保溫措施。而管殼式換熱器熱損失大，需要隔熱層。 j. 容量較小 是管殼式換熱器的10%-20%。缺點： k. 單位長度的壓力損失大 由于傳熱面之間的間隙較小，傳熱面上有凹凸，因此比傳統(tǒng)的光滑管的壓力損失大。 l. 不易結(jié)垢 由于內(nèi)部充分湍動，所以不易結(jié)垢，其結(jié)垢系數(shù)僅為管殼式換熱器的1/3-1/10. m. 工作壓力不宜過大，介質(zhì)溫度不宜過高，有可能泄露 板式換熱器采用密封

7、墊密封，工作壓力一般不宜超過2.5mpa，介質(zhì)溫度應(yīng)在低于250以下，否則有可能泄露。 n. 易堵塞 由于板片間通道很窄，一般只有2-5mm，當換熱介質(zhì)含有較大顆?；蚶w維物質(zhì)時，容易堵塞板間通道。 5、板式換熱器的應(yīng)用a. 制冷：用作冷凝器和蒸發(fā)器。b. 暖通空調(diào)：配合鍋爐使用的中間換熱器、高層建筑中間換熱器等。 c. 化學工業(yè)：純堿工業(yè)，合成氨，酒精發(fā)酵，樹脂合成冷卻等。d. 冶金工業(yè)：鋁酸鹽母液加熱或冷卻，煉鋼工藝冷卻等。 e.機械工業(yè)：各種淬火液冷卻，減速器潤滑油冷卻等。 f. 電力工業(yè)：高壓變壓器油冷卻，發(fā)電機軸承油冷卻等。g. 造紙工業(yè)：漂白工藝熱回收，加熱洗漿液等。h. 紡織工業(yè)：

8、粘膠絲堿水溶液冷卻，沸騰硝化纖維冷卻等。i.食品工業(yè)：果汁滅菌冷卻，動植物油加熱冷卻等。j. 油脂工藝：皂基常壓干燥，加熱或冷卻各種工藝用液。k. 集中供熱：熱電廠廢熱區(qū)域供暖，加熱洗澡用水。l. 其他：石油、醫(yī)藥、船舶、海水淡化、地熱利用。6.常見組裝形式（見下圖）四、設(shè)計的一般原則1.選擇板片的波紋形式選擇板片的波紋形式，主要考慮板式換熱器的工作壓力，流體的壓力降和傳熱系數(shù)，如果工作壓力在1.6pa以上，則選擇人字形波紋板；如果工作壓力不高且特別要求阻力降低，則選用水平平直波紋板較好；如果由于安裝位置所限，需要高的換熱效率以減少換熱器占地面積而阻力降可以不受限制，則選用人字形波紋板。3.流

9、速的選擇流體在板間的流速影響換熱性能和流體的壓力降，流速高固然換熱系數(shù)高，但流體壓力降也增大，反之則情況相反。一般板間平均流速為0.20.8之間，流速低于0.2m/s時流體就達不到湍流狀態(tài)且會形成較大的死角區(qū)，流速過高則會導致阻力降劇增。4.墊片材料的選擇選擇墊片材料主要考慮耐溫和耐腐蝕兩個因素。國產(chǎn)墊片材料的選擇可參見下表：項目氯丁橡膠丁腈橡膠硅橡膠氟橡膠石棉纖維板性 能拉斷強度，ma=8.00=9.00=7.00=10.007.010.0拉斷伸長率=300=250=200=200硬度75+-275+-260+-280+-5永久壓縮變形=20=20=255105pa 故此方案不滿足要求；初選

10、br0.2型板式換熱器，其單通道橫截面積為1.610-4m2,實際單板換熱面積為0.207 m2。同理計算得 u=1.47m/s，代入*式得p=4.15106pa5105pa 此方案不滿足要求;初選bp0.2型板式換熱器，其單通道橫截面積為1.1410-4m2,實際單板換熱面積為0.208m2。同理計算得 u=1.68m/s，代入*式得p=5.42106pa5105pa 此方案不滿足要求;初選bj0.2型板式換熱器，其單通道橫截面積為1.610-4m2,實際單板換熱面積為0.22 m2。同理計算得 u=1.47m/s，代入*式得p=4.15106pa5105pa 此方案不滿足要求。（2）并流組

11、裝初選br0.1型板式換熱器，其單通道橫截面積為1.610-4m2,實際單板換熱面積為0.1152 m2。試選組裝5.6-查表可得溫差校正系數(shù)為0.967，故 tm=0.967 tm=24.03初估換熱面積a=2.59105/（24.031900）=5.67 m24.核算總傳熱系數(shù)k1）油側(cè)的對流傳熱系數(shù)1計算油的流速得u1= 7000/(3600825281.610-4)=0.53 m/s0.2 m/s采用0.1m2人字形板式換熱器，其板間距為6mm，當量直徑為12mmre1=du/=1210-30.53825/8.6610-4=6058.9pr1=cp/=2.221038.6610-4/0

12、.14=13.71=0.18(/d)re0.7pr0.43(/w)0.14油被冷卻，取(/w)0.14=0.951=0.18(0.14/1210-3) 6058.90.713.70.430.95=2730 w/(m2).2）水側(cè)的對流傳熱系數(shù)2流速 u2=7000/(3600999.2281.610-4)=0.69 m/sre2=du/=1210-30.69999.2/6.5310-4=1.27104pr2=cp/=4.312=0.18(/d)re0.7pr0.43(/w)0.14油被加熱，取(/w)0.14=1.052=0.18(0.635/1210-3) 127000.74.310.431

13、.05=13978w/(m2).3）金屬板的熱阻b/w板材為不銹鋼（1cr18ni9ti），其導熱系數(shù)w=16.8 w/(m2),板厚為b=0.8mm，則b/w=0.0000476 w/(m2)4）污垢熱阻油側(cè) r1=0.000052 w/(m2)水側(cè) r2=0.000043 w/(m2)5) 總傳熱系數(shù)k1/k=1/1 + 1/2 + b/w + r1 + r2 =1/2730 + 1/13978 + 0.0000476 + 0.000052 + 0.000043 =5.811410-4(m2) / w故 k=1720.7 w/(m2)5.傳熱面積aa=q/ktm= 2.59105/(172

14、024.03)=6.25m2安全系數(shù)為 (0.115256-6.25)/6.25=30.22傳熱面積的裕度滿足工藝要求6.壓降的計算油側(cè) p = euu2=5.04103 pa5105pa,滿足要求。水側(cè) p = euu2= 8.83103 pa 5105pa，滿足要求。故所選板式式換熱器規(guī)格型號：br0.1 /5.6-主要性能參數(shù)：外形尺寸（mm）有效傳熱面積（m2）波紋形式（mm）波紋高度（mm）流道寬度（mm）平均板距（mm）平均流道橫截面積（m2）平均當量直徑（mm）6522350.80.1152等腰三角形1421040.000168（3）混流組裝初選br0.1型板式換熱器，其單通道橫

15、截面積為8.410-4m2,實際單板換熱面積為0.1152 m2。試選組裝5.6-因所選板型為混流，采用列管式換熱器的溫差校正系數(shù)：r=t1-t2/t2-t1=3.0p=t2-t1/t1-t1=0.286查2殼程溫差校正系數(shù)為0.925tm=0.925tm=22.97初估換熱面積a=2.59105/（22.971900）=5.93 m24.核算總傳熱系數(shù)k1）油側(cè)的對流傳熱系數(shù)1計算油的流速得u1= 7000/(3600825148.410-4)=0.2m/s采用0.1m2人字形板式換熱器，其板間距為4mm，當量直徑為8mmre1=du/=810-30.2825/8.6610-4=1524pr

16、1=cp/=2.221038.6610-4/0.14=13.71=0.18(/d)re0.7pr0.43(/w)0.14油被冷卻，取(/w)0.14=0.951=0.18(0.14/810-3) 15240.713.70.430.95=1559.2 w/(m2).2）水側(cè)的對流傳熱系數(shù)2流速 u2=7000/(3600999.278.410-4)=0.33m/sre2=du/=810-30.33999.2/6.5310-4=4038.8pr2=cp/=4.312=0.18(/d)re0.7pr0.43(/w)0.14油被加熱，取(/w)0.14=1.052=0.18(0.635/810-3)

17、4038.80.74.310.431.05=9400w/(m2).3）金屬板的熱阻b/w板材為不銹鋼（1cr18ni9ti），其導熱系數(shù)w=16.8 w/(m2),板厚為b=0.8mm，則b/w=0.0000476 w/(m2)4）污垢熱阻油側(cè) r1=0.000052 w/(m2)水側(cè) r2=0.000043 w/(m2)5) 總傳熱系數(shù)k1/k=1/1 + 1/2 + b/w + r1 + r2 =1/1559 + 1/9400 + 0.0000476 + 0.000052 + 0.000043 =8.90410-4(m2) / w故 k=1123w/(m2)由于與原估計值相差較大，不符合要

18、求。試選組裝5.6-4.核算總傳熱系數(shù)k1）油側(cè)的對流傳熱系數(shù)1計算油的流速得u1= 7000/(360082578.410-4)=0.8m/s采用0.1m2人字形板式換熱器，其板間距為4mm，當量直徑為8mmre1=du/=810-30.4825/8.6610-4=6096pr1=cp/=2.221038.6610-4/0.14=13.71=0.18(/d)re0.7pr0.43(/w)0.14油被冷卻，取(/w)0.14=0.951=0.18(0.14/810-3) 30480.713.70.430.95=5288w/(m2).2）水側(cè)的對流傳熱系數(shù)2流速 u2=7000/(3600999

19、.278.410-4)=0.33m/sre2=du/=810-30.33999.2/6.5310-4=4038.8pr2=cp/=4.312=0.18(/d)re0.7pr0.43(/w)0.14油被加熱，取(/w)0.14=1.052=0.18(0.635/810-3) 4038.80.74.310.431.05=9400w/(m2).3）金屬板的熱阻b/w板材為不銹鋼（1cr18ni9ti），其導熱系數(shù)w=16.8 w/(m2),板厚為b=0.8mm，則b/w=0.0000476 w/(m2)4）污垢熱阻油側(cè) r1=0.000052 w/(m2)水側(cè) r2=0.000043 w/(m2)5) 總傳熱系數(shù)k1/k=1/1 + 1/2 + b/w + r1 + r2 =1/2533 + 1/9400 + 0.0000476 + 0.000052 + 0.000043 =4.37610-4(m2) / w故 k=2285w/(m2)5.傳熱面積aa=q/ktm= 2.59105/(228522.97)=4.93m2安全系數(shù)為(0.115256-4.93)/4.93=30.8傳熱面積的裕度滿足工藝要求6.壓降的計算查圖3-17,可得油側(cè)u1=0.8m/s，p=1.5105pa 5105pa,滿足要求。水側(cè)u2=0