锯齿形板式热水冷却器的设计

化工原理课程设计题目：热水冷却器的设计学生姓名：肖俊学号：0911401035系别：化学与化学工程系专业：制药工程指导教师：刘艳起止日期：2011年5月23日2011年6月6日目录1概述..............................................................41.1板式换热器简介..............................................41.1.1板式换热器的基本结构...................................41.1.2板式换热器的特点.......................................51.1.3板型选择...............................................61.1.4流程和流道的选择.......................................61.2设计方案简介................................................71.2.1板型选择..............................................71.2.2流程和流道的选择......................................71.2.3压降校核...............................................72设计任务书........................................................82.1设计题目....................................................82.2设计参数....................................................82.3设计内容及要求..............................................82.3.1首先计算定性温度，并查取定性温度下的物性数据...........82.3.2计算热负荷.............................................92.3.3计算平均温差...........................................92.3.4初估换热面积及初选板型.................................92.3.5核算总传热系数K......................................102.3.6计算传热面积S........................................122.3.7压降计算..............................................123工艺流程草图及说明...............................................143.1设计流程图：...............................................143.2工艺流程草图及说明：.......................................154工艺计算及主要设备设计...........................................164.1热量衡算...................................................164.2换热器工艺尺寸的计算.......................................164.3结构设计图..................................错误!未定义书签。5辅助设备的计算和选型.............................................175.1泵的选择...................................................175.1.1对热水所需的泵进行选择计算：..........................185.1.2对冷水所需的泵进行计算选择：..........................186主要技术参数和计算结果列表.......................................196.1换热器参数表...............................................196.2辅助设备参数表.............................................207设计评述........................................................218参考文献........................................................239主要符号说明.....................................................241概述1.1板式换热器简介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。它与常规的管壳式换热器相比，在相同的流动阻力和泵功率消耗情况下，其传热系数要高出很多，在适用的范围内有取代管壳式换热器的趋势。板式换热器的型式主要有框架式（可拆卸式）和钎焊式两大类，板片形式主要有人字形波纹板、水平平直波纹板和瘤形板片三种。1.1.1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。1.1.2板式换热器的特点a.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。b.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℃.c.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。d.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。e.由于内部充分湍流，所以不易结垢。1.1.3板型选择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。1.1.4流程和流道的选择流程指板式换热器内一种介质同一流动方向的一组并联流道，而流道指板式换热器内，相邻两板片组成的介质流动通道。一般情况下，将若干个流道按并联或串联的形式连接起来，以形成冷、热介质通道的不同组合。流程组合形式应根据换热和流体阻力计算，在满足工艺条件要求下确定。尽量使冷、热水流道内的对流换热系数相等或接近，从而得到最佳的传热效果。因为在传热表面两侧对流换热系数相等或接近时传热系数获得较大值。虽然板式换热器各板间流速不等，但在换热和流体阻力计算时，仍以平均流速进行计算。由于“U”形单流程的接管都固定在压紧板上，拆装方便。1.2设计方案简介1.2.1板型选择两流体温度的变化情况：热流体进口温度为90℃，出口温度为50℃；冷流体进口温度为32℃，出口温度为40℃.该换热器用循环冷却水冷却，初步确定选用锯齿形波纹板片的板式换热器。1.2.2流程和流道的选择由于本实验中的换热器是用于热水的冷却，因此应将若干个流道按并联或串联的形式连接起来，以形成冷、热介质通道的不同组合。流程组合形式应根据换热和流体阻力计算，在满足工艺条件要求下确定。尽量使冷、热水流道内的对流换热系数相等或接近，从而得到最佳的传热效果。因为在传热表面两侧对流换热系数相等或接近时传热系数获得较大值。虽然板式换热器各板间流速不等，但在换热和流体阻力计算时，仍以平均流速进行计算。1.2.3压降校核在板式换热器的设计选型使，一般对压降有一定的要求，所以应对其进行校核。如果校核压降超过允许压降，需重新进行设计选型计算，直到满足工艺要求为止。2设计任务书2.1设计题目热水冷却器的设计2.2设计参数（1）处理能力1.8×104t/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90℃，出口温度50℃。②冷却介质：循环水，入口温度32℃，出口温度40℃。③允许压降：不大于105Pa。④每年按330天计，每天24小时连续运行。⑤建厂地址：湖南地区。2.3设计内容及要求2.3.1首先计算定性温度，并查取定性温度下的物性数据热水：Tm=(90+50)/2=70℃冷却水：tm=(32+40)/2=36℃查化工原理附录，两流体在定性温度下的物性数据如下表物性流体定性温度℃密度kg/m3粘度mPa·s比热容kJ/(kg·℃)导热系数W/(m·℃)热水70977.80.4064.1870.668冷却水36993.60.7124.1740.6282.3.2计算热负荷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计算平均温差2.3.4初估换热面积及初选板型对于热水与冷却水的换热，列管式换热器的K值大约为850~1700W/m2•℃，而板式换热器的K值为列管式换热器的2~4倍，则可初估K为2500W/m2•℃。初估换热面积S=Qh／(K×Δtm)=105.7×103/(2500×31.32)=1.35m2初选BJ0.2锯齿形波纹板片的板式换热器，其单通道流通截面积为0.00045m2，有效单片传热面积0.10m2。112211221201044.27120lnln10mTtTttCTtTt逆C32.3118/50ln1850试选组装形式1011010.2。该式表示其公称换热面积为2.0m2，热水的程数为1，每程的流道均为10；冷却水的程数为1，其流道为10。因所选板型为混流，故可采用列管式换热器的温差校正系数：P=(t2-t1)/(T1-t1)=(40-32)/(90-32)=0.138R=(T1-T2)/(t2-t1)=(90-50)/(40-32)=5由于该点难以从图上读取，需进一步计算P'，R'以代替P，RP'=PR=0.138×5=0.69R'=1/R=0.2查单壳程的温差校正系数图，得φ=0.938Δtm'=φΔtm=0.938×31.32=29.38℃初估板式换热面积S=Qh／(K×Δtm')=105.7×103/(2500×29.38)=1.44m22.3.5核算总传热系数K○1算热水侧的对流给热系数热水在流道内的流速m/s13