鋸齒形板式熱水冷卻器的設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上化工原理課程設(shè)計(jì)題目：熱水冷卻器的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名：肖俊學(xué)號(hào)：系別：化學(xué)與化學(xué)工程系專業(yè)：制藥工程指導(dǎo)教師：劉艷起止日期：2011年5月23日2011年 6 月6 日目錄1 概述1.1 板式換熱器簡(jiǎn)介板式換熱器是由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成的一種新型高效換熱器。各種板片之間形成薄矩形通道，通過(guò)半片進(jìn)行熱量交換。它與常規(guī)的管殼式換熱器相比，在相同的流動(dòng)阻力和泵功率消耗情況下，其傳熱系數(shù)要高出很多，在適用的范圍內(nèi)有取代管殼式換熱器的趨勢(shì)。板式換熱器的型式主要有框架式（可拆卸式）和釬焊式兩大類，板片形式主要有人字形波紋板、水平平直波紋板和瘤形板片三種。1.1.1板

2、式換熱器的基本結(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(gè)角上開(kāi)有角孔，用于介質(zhì)的流道。板片的周邊及角孔處用橡膠墊片加以密封?？蚣苡晒潭▔壕o板、活動(dòng)壓緊板、上下導(dǎo)桿和夾緊螺栓等構(gòu)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(dòng)壓緊板中間，然后用夾緊螺栓夾緊而成。1.1.2板式換熱器的特點(diǎn)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(dòng)，能在較低的雷諾數(shù)（一般Re=50200）下產(chǎn)生紊流，所以傳熱系數(shù)高，一般認(rèn)為是管殼式的35倍。b.對(duì)數(shù)平均溫差大，末端溫差小 在管

3、殼式換熱器中，兩種流體分別在管程和殼程內(nèi)流動(dòng)，總體上是錯(cuò)流流動(dòng)，對(duì)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(dòng)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(dòng)平行于換熱面、無(wú)旁流，因此使得板式換熱器的末端溫差小，對(duì)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25倍，也不像管殼式那樣要預(yù)留抽出管束的檢修場(chǎng)所，因此實(shí)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的1/51/10。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(dá)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(dá)

4、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.由于內(nèi)部充分湍流，所以不易結(jié)垢。1.1.3 板型選擇板片型式或波紋式應(yīng)根據(jù)換熱場(chǎng)合的實(shí)際需要而定。對(duì)流量大允許壓降小的情況，應(yīng)選用阻力小的板型，反之選用阻力大的板型。根據(jù)流體壓力和溫度的情況，確定選擇可拆卸式，還是釬焊式。確定板型時(shí)不宜選擇單板面積太小的板片，以免板片數(shù)量過(guò)多，板間流速偏小，傳熱系數(shù)過(guò)低，對(duì)較大的換熱器更應(yīng)注意這個(gè)問(wèn)題。1.1.4 流程和流道的選擇流程指板式換熱器內(nèi)一種介質(zhì)同一流動(dòng)方向的一組并聯(lián)流道，而流道指板式換熱器內(nèi)，相鄰兩板片組成的介質(zhì)流動(dòng)通道。一般情況下，將若干個(gè)流道按并聯(lián)或串聯(lián)的形式連

5、接起來(lái)，以形成冷、熱介質(zhì)通道的不同組合。流程組合形式應(yīng)根據(jù)換熱和流體阻力計(jì)算，在滿足工藝條件要求下確定。盡量使冷、熱水流道內(nèi)的對(duì)流換熱系數(shù)相等或接近，從而得到最佳的傳熱效果。因?yàn)樵趥鳠岜砻鎯蓚?cè)對(duì)流換熱系數(shù)相等或接近時(shí)傳熱系數(shù)獲得較大值。雖然板式換熱器各板間流速不等，但在換熱和流體阻力計(jì)算時(shí)，仍以平均流速進(jìn)行計(jì)算。由于“U”形單流程的接管都固定在壓緊板上，拆裝方便。1.2 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介1.2.1 板型選擇兩流體溫度的變化情況：熱流體進(jìn)口溫度為90，出口溫度為50；冷流體進(jìn)口溫度為32，出口溫度為40.該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，初步確定選用鋸齒形波紋板片的板式換熱器。1.2.2 流程和流道的選擇

6、由于本實(shí)驗(yàn)中的換熱器是用于熱水的冷卻，因此應(yīng)將若干個(gè)流道按并聯(lián)或串聯(lián)的形式連接起來(lái)，以形成冷、熱介質(zhì)通道的不同組合。流程組合形式應(yīng)根據(jù)換熱和流體阻力計(jì)算，在滿足工藝條件要求下確定。盡量使冷、熱水流道內(nèi)的對(duì)流換熱系數(shù)相等或接近，從而得到最佳的傳熱效果。因?yàn)樵趥鳠岜砻鎯蓚?cè)對(duì)流換熱系數(shù)相等或接近時(shí)傳熱系數(shù)獲得較大值。雖然板式換熱器各板間流速不等，但在換熱和流體阻力計(jì)算時(shí)，仍以平均流速進(jìn)行計(jì)算。1.2.3 壓降校核在板式換熱器的設(shè)計(jì)選型使，一般對(duì)壓降有一定的要求，所以應(yīng)對(duì)其進(jìn)行校核。如果校核壓降超過(guò)允許壓降，需重新進(jìn)行設(shè)計(jì)選型計(jì)算，直到滿足工藝要求為止。2 設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)2.1 設(shè)計(jì)題目熱水冷卻器的設(shè)計(jì)2

7、.2 設(shè)計(jì)參數(shù)（1）處理能力 1.8×104 t/a熱水。（2）設(shè)備型式 鋸齒形板式換熱器（3）操作條件1 熱水：入口溫度90 ，出口溫度50 。2 冷卻介質(zhì)：循環(huán)水，入口溫度32 ，出口溫度40 。3 允許壓降：不大于105Pa。4 每年按330天計(jì)，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。5 建廠地址：湖南地區(qū)。2.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求2.3.1 首先計(jì)算定性溫度，并查取定性溫度下的物性數(shù)據(jù)熱水：Tm=(90+50)/2=70 冷卻水：tm=(32+40)/2=36 查化工原理附錄，兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)如下表物性流體定性溫度密度kg/m3粘度mPa·s比熱容kJ/(kg·

8、)導(dǎo)熱系數(shù)W/(m·)熱水70977.80.4064.1870.668冷卻水36993.60.7124.1740.6282.3.2 計(jì)算熱負(fù)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 計(jì)算平均溫差 2.3.4 初估換熱面積及初選板型對(duì)于熱水與冷卻水的換熱，列管式換熱器的K值大約為8501700W/m2，而板式換熱器的K值為列管式換熱器的24倍，則可初估K為2500 W/m2。初估換熱面積S= Q

9、h(K×tm)=105.7×103/(2500×31.32)=1.35m2初選BJ0.2鋸齒形波紋板片的板式換熱器，其單通道流通截面積為0.00045m2，有效單片傳熱面積0.10m2。試選組裝形式。該式表示其公稱換熱面積為2.0m2，熱水的程數(shù)為1，每程的流道均為10；冷卻水的程數(shù)為1，其流道為10。因所選板型為混流，故可采用列管式換熱器的溫差校正系數(shù)：P=(t2-t1)/(T1-t1)=(40-32)/(90-32)=0.138R=(T1-T2)/(t2-t1)=(90-50)/(40-32)=5由于該點(diǎn)難以從圖上讀取，需進(jìn)一步計(jì)算P'，R'以

10、代替P，RP'=PR=0.138×5=0.69 R'=1/R=0.2查單殼程的溫差校正系數(shù)圖，得=0.938tm'=tm=0.938×31.32=29.38初估板式換熱面積S= Qh(K×tm')=105.7×103/(2500×29.38)=1.44 m22.3.5 核算總傳熱系數(shù)K算熱水側(cè)的對(duì)流給熱系數(shù)熱水在流道內(nèi)的流速當(dāng)量直徑（為板片波紋高度，即板間距） 選用0.2m2鋸齒形波紋板片給熱系數(shù)的計(jì)算公式算冷卻水側(cè)的對(duì)流給熱系數(shù)卻水的質(zhì)量流量冷卻水在流道內(nèi)的流速（在285014600之間） （適用于）屬板的熱阻

11、擬選用板材為不銹鋼(1Cr18Ni9Ti )，其導(dǎo)熱系數(shù)w=16.8W/m，板的厚度估計(jì)為b=0.8mm，則 污垢熱阻查化工原理課程設(shè)計(jì)書(shū)4,得熱水和循環(huán)冷水側(cè)的污垢熱阻分別為：表4-2 板式換熱器污垢熱阻Rd范圍傳熱系數(shù)2.3.6 計(jì)算傳熱面積S所需傳熱面積設(shè)備實(shí)際傳熱面積安全系數(shù)傳熱面積的裕度可滿足工藝和安全的需要，故該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。2.3.7 壓降計(jì)算查鋸齒形波紋板式換熱器的曲線圖熱水側(cè)時(shí)，1962<105Pa冷水側(cè)時(shí)，14715<105Pa所選換熱器的規(guī)格為。3 工藝流程草圖及說(shuō)明3.1 設(shè)計(jì)流程圖：確定物性常數(shù)，熱負(fù)荷、冷卻劑用量及平均溫差，確定換熱器類型及流體

12、流動(dòng)空間估計(jì)傳熱系數(shù)，計(jì)算傳熱面積初值計(jì)算選擇板式換熱器板型計(jì)算值與假定值相差較大估計(jì)冷凝給熱系數(shù)計(jì)算值與假定值相差較大壓降大于設(shè)計(jì)壓力裕度過(guò)大或過(guò)小核算冷凝給熱系數(shù)計(jì)算管內(nèi)給熱系數(shù)總傳熱系數(shù)核算計(jì)算值與假定值相差不大折流板計(jì)算殼側(cè)壓降和管側(cè)壓降計(jì)算，并與設(shè)計(jì)壓力比較壓降小于設(shè)計(jì)壓力裕度系數(shù)校驗(yàn)裕度合適板式換熱器選取合理3.2 工藝流程草圖及說(shuō)明：熱水冷水鋸齒形板式換熱器熱水冷水工藝流程草圖主要說(shuō)明：由于本實(shí)驗(yàn)中的換熱器是用于熱水的冷卻，因此應(yīng)將若干個(gè)流道按并聯(lián)或串聯(lián)的形式連接起來(lái)，以形成冷、熱介質(zhì)通道的不同組合。流程組合形式應(yīng)根據(jù)換熱和流體阻力計(jì)算，在滿足工藝條件要求下確定。盡量使冷、熱水流

13、道內(nèi)的對(duì)流換熱系數(shù)相等或接近，從而得到最佳的傳熱效果。4 工藝計(jì)算及主要設(shè)備設(shè)計(jì)4.1 熱量衡算1.熱水喪失的熱量為Qh=105.7kw2.計(jì)算冷卻水吸收的熱量：冷卻水的進(jìn)出口溫度分別為32和40，其定性溫度為36，36的水的比熱容為4.174 kJ/(kg·)Qc=ms2×Cpc（t2-t1）=3.16×4.174×8=105.5 kwQhQc,熱量守恒。4.2 換熱器工藝尺寸的計(jì)算1.板片數(shù)=傳熱面積/單片傳熱面積=1.9/0.1=192.熱水側(cè)流道數(shù)=（板片數(shù)-1）/2=（19-1）/2=9冷水側(cè)流道數(shù)=19-9=103.平米數(shù)=板片數(shù)-單片傳熱面

14、積=19-0.1=18.94.熱水側(cè)板內(nèi)流速=體積流量/(單通道截面積×流道數(shù))=2.32/（0.00048×9）=537.0（m/s） 冷水側(cè)板內(nèi)流速=11.45/（0.00048×10）=2385.4（m/s）5 輔助設(shè)備的計(jì)算和選型5.1 泵的選擇 ISWH臥式不銹鋼離心泵參數(shù)表型號(hào)流量揚(yáng)程m效率%轉(zhuǎn)速r/min電機(jī)功率kw汽蝕余量m重量kgISWH40-1604.46.38.333323035404029002.22.347ISWH40-160A4.15.97.8292826.334393929001.52.347ISWH40-160B3.85.57.22

15、5.52422.534383729001.12.348ISWH40-2004.46.38.3515048263332290042.348ISWH40-200A4.15.97.8454442263130290032.362ISWH40-200B3.75.37.0383634.529292929002.22.352ISWH40-100I8.812.516.313.212.511.355 62 6029001.12.334ISWH40-100IA81114.510.610960606029000.752.332ISWH40-125IA81114.517161457575729001.12.333IS

16、WH40-160I8.812.516.3333230455251290032.356型號(hào)流量揚(yáng)程m效率%轉(zhuǎn)速r/min電機(jī)功率kw汽蝕余量m重量kgISWH40-160IA8.211.715.229282644515029002.22.347ISWH40-160IB7.310.413.5232220.550505029001.52.343以下是兩種不同類型的泵的選擇5.1.1 對(duì)熱水所需的泵進(jìn)行選擇計(jì)算：由ms1=2272.7kg/h，可得mv1=ms1/熱水=2272.7/977.8=2.32，考慮經(jīng)濟(jì)因素，從上表中選用ISWH40-200B的泵：r=2900（r/min），mv1=3.7(

17、m3/h)（便于調(diào)節(jié)）,H=38m（可將換熱器安裝在高處），。5.1.2對(duì)冷水所需的泵進(jìn)行計(jì)算選擇：由ms2=11376kg/h，可得mv2=ms2/冷水=11376/993.6=11.45，考慮經(jīng)濟(jì)因素，結(jié)合上表，選用ISWH40-100I的泵：r=2900（r/min），mv2=12.5(m3/h)（便于調(diào)節(jié)），H=12.5m（與熱水泵錯(cuò)開(kāi)），6 主要技術(shù)參數(shù)和計(jì)算結(jié)果列表6.1 換熱器參數(shù)表?yè)Q熱器類型：鋸齒形板式換熱器換熱面積(m2)：1.9裕度：25%技術(shù)參數(shù)：物料名稱熱水側(cè)冷水側(cè)操作壓強(qiáng),MPa0.130.41操作溫度, 90/5032/40流量,kg/h2272.711376流體密

18、度, kg/m3977.8993.6流速,m/s0.1340.66總傳熱量,kW105.7總傳熱系數(shù),W/m2·2226.4對(duì)流傳熱系數(shù), W/m2·4971.88129.1污垢系數(shù),m2·K/W0.0.推薦使用材料不銹鋼(1Cr18Ni9Ti )換熱器規(guī)格外形尺寸,長(zhǎng)×寬×高, mm625×235×0.8有效傳熱面積,m20.1波紋形式鋸齒形波紋波紋高度,mm5.0法向波紋節(jié)距,mm40流道寬度210mm平均板間距,mm5.0平均流道橫截面積,m20.00045平均當(dāng)量直徑, mm10.0換熱器類型：鋸齒形板式換熱器換熱面

19、積(m2)：5.06裕度：18.3%技術(shù)參數(shù)：板片數(shù)19熱水側(cè)流道數(shù)9冷水側(cè)流道數(shù)10平米數(shù)18.9熱水側(cè)板內(nèi)流速537.0冷水側(cè)板內(nèi)流速2385.46.2 輔助設(shè)備參數(shù)表參數(shù)熱水泵冷水泵型號(hào)ISWH40-200BISWH40-100I揚(yáng)程(m)3812.5電機(jī)功率(kw)2.21.1轉(zhuǎn)速(r/min)29002900汽蝕余量(m)2.32.3重量(kg)5234效率(%)29627 設(shè)計(jì)評(píng)述本次化工原理課程設(shè)計(jì)是對(duì)鋸齒形板式換熱器的設(shè)計(jì)，由劉艷老師指導(dǎo)。經(jīng)歷一個(gè)月，通過(guò)到圖書(shū)館查閱有關(guān)文獻(xiàn)資料、上網(wǎng)搜索資料和向劉老師請(qǐng)教以及反復(fù)的計(jì)算核實(shí)，本板式換熱器的設(shè)計(jì)可以說(shuō)基本完成了。回想這一個(gè)月，感

20、受頗深：一開(kāi)始接到這個(gè)任務(wù)，我感到很迷茫，因?yàn)榛ぴ砝碚撜n的學(xué)習(xí)已經(jīng)一個(gè)學(xué)期了，對(duì)換熱器設(shè)計(jì)沒(méi)有一個(gè)概念。現(xiàn)在老師要求以一個(gè)月之內(nèi)設(shè)計(jì)板式換熱器來(lái)冷卻水，對(duì)我來(lái)說(shuō)實(shí)在是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，但是經(jīng)過(guò)不斷的努力，還是如期完成了。我覺(jué)得在化工原理課程設(shè)計(jì)中我學(xué)到了很多東西，尤其在下面幾個(gè)方面得到了很好的鍛煉和培養(yǎng)第一個(gè)是，查閱資料，選用公式和搜集數(shù)據(jù)的能力。通常設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)給出后，有許多數(shù)據(jù)需由設(shè)計(jì)者去搜集，有些物性參數(shù)要查取或估算，計(jì)算公式也由設(shè)計(jì)者自行選用，這就要求設(shè)計(jì)者運(yùn)用各方面的知識(shí)，詳細(xì)而全面的考慮后方能確定。 第二個(gè)是正確選用設(shè)計(jì)參數(shù)，樹(shù)立從技術(shù)上可行和經(jīng)濟(jì)上合理兩方面考慮的工程觀點(diǎn)，同時(shí)還需考慮到操作維修的方便和環(huán)境保護(hù)的要求。也即對(duì)于課程設(shè)計(jì)不僅要求計(jì)算正確，還要求從工程的角度綜合考慮各種因素，從總體上得到最佳結(jié)果。第三個(gè)是，正確、迅速地進(jìn)行工程計(jì)算。設(shè)計(jì)計(jì)算是一個(gè)反復(fù)試算的過(guò)程，計(jì)算工作量很大，因此正確與迅速(含必要的編程能力)必需同時(shí)強(qiáng)調(diào)。第四個(gè)是掌握化工設(shè)計(jì)的基本程序和方法，學(xué)會(huì)用簡(jiǎn)潔的文字和適當(dāng)?shù)膱D表表示自己的設(shè)計(jì)思想。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，出現(xiàn)了很多的狀況，尤其是在最初計(jì)算換熱器參數(shù)的時(shí)候，反復(fù)的計(jì)算驗(yàn)算，但通過(guò)向老師請(qǐng)教，最終還是完成了核算。8 參考文獻(xiàn)1 柴誠(chéng)敬.張國(guó)亮等.化工流體流動(dòng)與傳熱.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,20002 余國(guó)琮等.化