热水冷却器课程设计

南京工业大学《材料工程原理B》课程设计设计题目：热水冷却器的设计专业：班级：高材学号：姓名：日期：指导教师：设计成绩：日期：-1-设计任务书（一）设计题目热水冷却器的设计（二）设计任务及操作条件1.处理能力4100.5t/a热水2.设备型式锯齿形板式换热器3.操作条件（1）热水：入口温度80℃，出口温度60℃（2）冷却介质：循环水，入口温度32℃，出口温度40℃（3）允许压强降：不大于5×105Pa（4）每年按330天计，每天24小时连续运行4.建厂地址天津地区（三）设计要求选择适宜的锯齿形式板式换热器并进行核算。-2-目录1概述1.1板式换热器的基本结构............................41.2板式换热器的优缺点..............................61.3板式换热器与管式换热器的比较....................71.4板式换热器的实际应用............................82设计方案简介2.1板式换热器的选型................................92.2板式换热器的优化设计方向........................102.3工艺流程简图..................................133热水冷却器的设计工艺计算3.1符号说明.......................................143.2定性温度下的物性数据..........................143.3计算热负荷...................................153.4计算平均温度差.................................153.5初估换热面积及初选板型.........................153.6核算总传热系数K...............................163.7估算传热面积...................................183.8计算压力降.....................................184辅助设备的选择与计算4.1泵的选择.......................................195设计结果概要......................................21-3-附录工艺流程图..........................................23主体设备图..........................................24参考资料..............................................25设计小结..............................................26-4-1概述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。1.1板式换热器的基本结构1.1.1整体结构1.1.2组装型式板式换热器的流程是根据实际操作的需要设计和选用的，而流程的选用和设计是根据板式换热器的传热方程和流体阻力进行计算的。图为三种典型的组装型式。串联流程-5-并联流程混合流程板式换热器组装型式的表示方法为：22112211bnbnamam式中：1m，2m，1n，2n表示程数；1a，2a，1b，2b表示每程流道数；原则上规定分子上为热流体流程，分母上为冷流体流程。1.1.3传热板片传热板片是板式换热器的关键元素，板片的性能直接影响整个设备的技术经济性能。为了增加有效的传热面积，将板片冲压成有规则的波纹，板片的波纹形状及结构尺寸的设计主要考虑以下两个因素：一是提高板的刚性，能耐较高的压力：二是使介质在低流速下发生强烈湍流，从而强化传热过程。板片按波纹几何形状区分有：水平平直波纹、人字形波纹、斜波纹、锯齿形波纹、球形波纹、竖直波纹等波纹板片。1.1.4密封垫片-6-板式换热器是通过压板压紧垫片，达到密封。垫片材料广泛采用天然橡胶、丁腈橡胶、氯丁橡胶、丁苯橡胶、丁酯橡胶、硅橡胶和氟橡胶等。橡胶垫片具有不耐有机溶剂腐蚀的特点。1.2板式换热器的优缺点1.2.1板式换热器优点(1)换热效率高,热损失小在最好的工况条件下,换热系数可以达到KmW2/6000,在一般的工况条件下,换热系数也可以在3000～4000KmW2/左右,是管壳式换热器的3～5倍。设备本身不存在旁路,所有通过设备的流体都能在板片波纹的作用下形成湍流,进行充分的换热。完成同一项换热过程,板式换热器的换热面积仅为管壳式的1/3～1/4。(2)占地面积小重量轻除设备本身体积外,不需要预留额外的检修和安装空间。换热所用板片的厚度仅为0.6～0.8mm。同样的换热效果,板式换热器比管壳式换热器的占地面积和重量要少五分之四。(3)污垢系数低流体在板片间剧烈翻腾形成湍流,优秀的板片设计避免了死区的存在,使得杂质不易在通道中沉积堵塞,保证了良好的换热效果。(4)检修、清洗方便换热板片通过夹紧螺柱的夹紧力组装在一起,当检修、清洗时,仅需松开夹紧螺柱即可卸下板片进行冲刷清洗。(5)产品适用面广设备最高耐温可达180℃,耐压2.0MPa,特别适应各种工艺过程中的加热、冷却、热回收、冷凝以及单元设备食品消毒等方面,在低品位热能回收方面,具有明显的经济效益。各类材料的换热板片也可适应工况对腐蚀性的要求。1.1.2板式换热器的缺点（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，因为垫片耐热性能的限制，如对合成橡胶垫圈不高于-7-130℃，对压缩石棉垫圈也应低于250℃。（3）处理量不大，因板间距小，流道截面较小，流速亦不能过大。板式换热器缺点是密封周边较长，容易泄漏，使用温度只能低于150℃，承受压差较小，处理量较小，一旦发现板片结垢必须拆开清洗。1.3板式换热器与管壳式换热器的比较（1）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=50～200）下产生紊流，所以传热系数高，一般认为是管壳式的3～5倍。（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）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2~5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1/5～1/10。（4）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）重量轻板式换热器的板片厚度仅为0.4～0.8mm，而管壳式换热器的换热管的厚度为2.0～2.5mm，管壳式的壳体比板式换热器的框架重得多，板式换热器一般只有管壳式重量的1/5左右。（6）价格低采用相同材料，在相同换热面积下，板式换热器价格比管壳式约低40%～60%。（7）制作方便-8-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。（8）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。（9）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）容量较小是管壳式换热器的10%～20%。（11）单位长度的压力损失大由于传热面之间的间隙较小，传热面上有凹凸，因此比传统的光滑管的压力损失大。1.4板式换热器的实际应用板式换热器已广泛应用于冶金、矿山、石油、化工、电力、医药、食品、化纤、造纸、轻纺、船舶、供热等部门，可用于加热、冷却、蒸发、冷凝、杀菌消毒、余热回收等各种情况。1).太阳能利用行业：参与太阳能集热板中传热介质乙二醇等防冻液热量交换过程，以达到利用太阳能目的。化学工业制造氧化钛、酒精发酵、合成氨、树脂合成、制造橡胶、冷却磷酸、冷却甲醛水、碱炭工业、电解制碱。2).钢铁工业：冷却淬火油，冷却电镀用液、冷却减速器润滑油、冷却轧制机、拉丝机冷却液。3).冶金行业：铝酸盐母液的加热和冷却，冷却铝酸钠，炼铝轧机润滑油冷却。4).机械制造业：各种淬火液冷却，冷却压力机、工业母机润滑油，加热发动机用油5).食品工业：制盐，乳品，酱油，醋的杀菌、冷却，动植物油加热、冷却，啤酒生产中啤酒、麦芽汁的加热冷却，制糖，明胶浓缩，杀菌、冷却，制造谷氨酸-9-钠。6).纺织工业：各种废液热回收，沸腾磷化纤维的冷却，冷却粘胶液，醋酸和酸醋酐的冷却，冷却碱水溶液，粘胶丝的加热和冷却。7).造纸工业：冷却黑水，漂白用盐、碱液的加热、冷却，玻璃纸废液的热回收，加热蒸煮酸，冷却氢氧化钠水溶液，回收漂白张纸的废液，排气的凝缩，预热浓缩纸浆似的废液。8).集中供暖：热电厂废热区域供暖，加热生活用水，锅炉区域供暖9).油脂工业：加热、冷却合成洗涤剂，加热鲸油，冷却植物油，冷却氢氧化钠，冷却甘油、乳化油。10).电力工业：发电机轴泵冷却，变压器油冷却。11).船舶：柴油机，中央冷却器，卸套水冷却器，活塞冷却器，润滑油冷却器，预热器，海水淡化系统（包括多级及单级）12).海水养殖育苗行业：配套锅炉给育苗海水升温已节约煤炭的使用，从而节能环保提高效率。13).其他:医药、石油、建陶、玻璃、水泥、地热利用等。2板式换热器的选型及优化2.1板式换热器的选型2.1.1板型的选取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。2.1.2流速的选取流体在板间的流速影响换热性能和流体的压降，流速高固然换热系数高，但流-10-体压降也增大，反之则情况相反。一般板间平均流速为0.2～0.8m/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的死角区，流速过高则会导致阻力降剧增。2.1.3流程的选取对于一般对称型流通的板式换热器，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。另外，当某一介质温升或温降幅度较大时，也可采取多程布置。2.1.4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。2.2.板式换热器的优化设计方向2.2.1板式换热器的优化方法（1）提高传热效率板式换热器是间壁传热式换热器，冷热流体通过换热器板片传热，流体与板片直接接触，传热方式为热传导和对流传热。提高板式换热器传热效率的关键是提高传热系数和对数平均温差。提高换热器传热系数只有同时提高板片冷热两侧的表面传热系数，减小污垢层热阻，选用热导率高的板片，减小板片的厚度，才能有效提高换热器的传热系数。①提高板片的表面传热系数由于板式换热器的波纹能使流体在较小的流速下产生湍流(雷诺数一150时)，因此能获得较高的表面传热系数，表面传热系数与板片波纹的几何结构以及介质的流动状态有关。板片的波形包括人字形、平直形、球形等。经过多年的研究和实验发现，波纹断面形状为三角形(正弦形表面传热系数最大，压力降较小，受压时应力分布均匀，但