1、南 京 工 業 大 學材料工程原理B課程設計設計題目： 板式換熱器 -煤油處理能力10000公斤/小時 專 業： 班 級： 學 號： 姓 名： 日 期： 2014/12/202015/1/5 指導教師： 張振忠 教授 設計成績： 日 期： 2014年材料工程原理B課程設計 “板式換熱器設計組1”任務書（一）設計題目 板式換熱器設計1-油處理能力10000公斤/小時（二）設計任務及操作條件1、處理能力 見下表2、設備型式 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：冷卻塔循環水，入口溫度30，出口溫度50。（3）油側與水側允許壓強降：不大于5105 Pa（4）油

2、定性溫度下的物性參數：名稱（kg/m3）Cp (kj/.)（Pa.s） (W/m.)油8252.228.6610-40.14 目錄1 設計方案簡介 1.1換熱器的概述-4 1.2板式換熱器的概述-4 1.3板式換熱器的基本結構-4 1.4組裝形式-5 1.5密封墊片-6 1.6傳熱板片-6 1.7板式換熱器的特點-7 1.8板式換熱器的應用-72 設計的一般原則 2.1類型的選擇-7 2.2板片面積的選擇-8 2.3單片面積的選擇-8 2.4流速的選取-8 2.5流向的選取-8 2.6流程的選取-8 2.7流道的選擇-8 2.8墊片材料選取-93 板式換熱器設計計算 3.1計算熱負荷-9 3.

3、2計算平均溫差及冷卻流量-9 3.3水的定性溫度-9 3.4初步估計面積-9 3.5設計方案一-10 3.6設計方案二-12 3.7設計方案三-14 3.8方案確定及設計結果一覽表-164 輔助設備及選型 4.1水泵及水管的計算選型-17 4.2油泵及油管的計算選型-185 附圖-186 設計感言-187 參考文獻-19一：設計簡介1. 1換熱器概述換熱器，是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，又稱熱交換器。換熱器是化工、石油、動力、飾品及其他許多工業部門的通用設備，在生產中占有重要地位。在化工生產中換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發器和再沸器等，應用更加廣泛，日常生活中取暖用的暖氣散

4、熱片、汽輪機裝置中的凝汽機和航天火箭上的油冷卻器等，都是換熱器。它的主要功能是保證工藝過程中對介質所要求的特定溫度，同時也是提高能源利用率的主要設備之一。換熱器種類很多，若按換熱器傳熱面積形狀和結構可分為管式換熱器和特殊形式換熱器；根據冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本上可分為三大類即：間壁式、混合式和蓄熱式。在三大類換熱器中，間壁式換熱器應用最多1.2板式換熱器概述 本成套設備由板式換熱器、平衡槽、離心式衛生泵、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。用于牛奶或其它熱敏感性液體之殺菌冷卻。欲處理的物料先進入平衡槽，經離心式衛生泵送入換熱器、經過預熱、殺菌、保溫、冷卻各段，

5、凡未達到殺菌溫度的物料，由儀表控制氣動回流閥換向、再回到平衡槽重新處理。物料殺菌溫度由儀表控制箱進行自動控制和連續記錄，以便對殺菌過程進行監視和檢查。此設備適用于對牛奶預殺菌、巴式殺菌。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。1.3板式換熱器的基本結構 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

6、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。1.4組裝形式 板式換熱器是根據實際操作的需要設計和選取的，而流程的選取和設計是根據板式換熱器的傳熱方程進行計算的，組裝形式有三種：1）串聯流程 流體在一程內流經每一垂直流道后，接著就改變方向，流經下一程。在這種流程中，兩流體的主體流向是逆流，但相鄰流道中有并流也有逆流。2）并流流程 流體分別流入平行的流道，然后匯聚成一股流出，為單程。3）混流流程 為并流流程和串聯流程的組合，在同一流程內是并聯，而程與程之間為并聯。1.5密封墊片 密封墊片是換熱器的重要構件，對它的基本要求是耐熱、耐壓、耐腐蝕。板式換熱器通過壓板壓緊墊片達到密封。為

7、確保可靠的密封，必須在操作條件下密封面上保持足夠的壓緊力。板式換熱器由于密封周邊長，需用墊片兩大，在使用過程中需用平凡拆卸和清洗，泄露可能性大。如果墊片材料選取不當，彈性不好，所用膠水不黏或涂的不勻，都可能發生脫墊、變形、老化等。加之板片生產過程中，有時發生翹曲，也可能造成泄漏。一臺換熱器往往由幾十片甚至幾百片傳熱板片組成，墊片的中心很難對準，組裝時容易使墊片某段壓扁或擠出，造成泄漏，因此必須增加墊片上下接觸面積。墊片廣泛采用天然橡膠、丁晴橡膠、氯丁橡膠、硅橡膠、氯橡膠1.6傳熱板片 傳熱板片是板式換熱器的關鍵性元件，板片的性能直接影響整個設備的經濟技術性能。為了增加板片有效的傳熱面積，將板片

8、沖壓成有規則的波紋，板片的波紋形狀及結構尺寸的設計主要考慮以下兩個因素：一是提高板片的剛性，能耐較高的壓力；二是使介質在低速下發生強烈湍流，從而強化傳熱過程。人們構思出各種形式的波紋板片，以求得換熱效率高、流體阻力低、承受能力大的波紋板片。板片按幾何形狀區分為：水平平直波紋、人字形波紋、斜波紋、鋸齒形波紋等波紋板片。如圖：1.7板式換熱器的特點 （1）優點：1.總的傳熱系數高，因板式換熱器中，板面被壓制成波紋或槽溝，在低速下即可達到湍流，故總的傳熱系數高，而液體阻力增加不大，污垢熱阻亦較小，對低粘度液體的傳熱，K值可高達7000；2.結構緊湊，單位體積設備提供的傳熱面積大；3.操作靈活性大，可

9、以根據需要調節板片數目以增減傳熱面積，或以調節流道的辦法，適應冷、熱流體流量和溫度的變化要求；4.加工制造簡單，檢修清洗方便，熱損失小。 （2）缺點：1.允許操作壓力較低，最高不超過1961KPa，否則容易滲漏；2，操作溫度不能太高，因受墊片熱性能的限制，如合成橡膠墊圈不高于130，對壓縮石棉墊圈也應低于250；3.處理量不大，因板間距小，流速亦不能過大。1.8板式換熱器的應用（1） 制冷：用作冷凝器和蒸發器。（2） 暖通空調：配合鍋爐使用的中間換熱器、高層建筑中間換熱器等。（3） 化學工業：純堿工業，合成氨，酒精發酵，樹脂合成冷卻等。（4） 冶金工業：鋁酸鹽母液加熱或冷卻，煉鋼工藝冷卻等。（

10、5） 機械工業：各種淬火液冷卻，減速器潤滑油冷卻等。（6） 電力工業：高壓變壓器油冷卻，發電機軸承油冷卻等。（7） 造紙工業：漂白工藝熱回收，加熱洗漿液等。（8） 紡織工業：粘膠絲堿水溶液冷卻，沸騰硝化纖維冷卻等。（9） 食品工業：果汁滅菌冷卻，動植物油加熱冷卻等。二：設計的一般原則2.1板式換熱器類型的選擇板式換熱器的種類較多，每種都有相適應的工況，工程設計中應首先對此做出選擇。（1） 溫度在200以上，壓力大于2MPa,可以選擇釬焊式換熱器，若總面積較大，則可以選擇全焊式換熱器；（2） 溫度大于300，壓力大于3.5MPa，應選擇板殼式換熱器；對于末端溫差小的工況，可以選擇淺槽波紋；對于拆

11、卸比較頻繁的，可選擇拆式換熱器；（3） 對于流量相差較大的，可選用非對稱性換熱器2.2板型的選擇主要考慮需要達到的的換熱效果以及壓降要求；若承壓要求在1.2MPa以上，大多數情況下選擇人字形波紋；若壓降要求較小而對換熱效果要求不高，可選用平直波紋；若介質中雜質較多，可選用球形波紋；對于壓降與換熱效果都有一定的工況，還可以選擇熱混合板片。2.3單片面積的選擇 選擇合理的單片面積，能夠避免總板片數過多或過少。板片過多會使設備占地面積太大；過少可能會使流程數增多，壓降增大；同時單片面積的大小在一定程度上還與角孔大小有關，直接影響流量和流速的變化。 單臺最大處理量參考值 2.4流速的選取流體在板間的流

12、速影響換熱性能和流體的壓力降，流速高換熱系數高，但流體的壓力降也增大，反之則情況相反。板間平均流速。流速低于時流體就達不到湍流狀態且會形成較大死角區，流速過高則會導致阻力將組增。2.5流程的選取對于一般對成型流到的半式換熱器，兩流體的體積流量大致向當時，應盡可能按等程分布，如兩側流體相差懸殊，則流量小的一側可按多程布置。多程換熱器除非特別需要，一般對同一流體在個程中應采用下相同的流道數。2.6流向的選擇 換熱器采用等程布置，介質的流向能夠實現全逆流，獲得最大的平均溫差；當兩側不等程時，逆流和順流會交替出現。2.7流道數的選擇 流道數的確定受板間流速的影響，而板間流速的選取有一定的范圍，同時還受

13、到允許壓降的制約。當板間流速一定時，流道數的多少取決于流量的大小。2.8墊片材料的選擇 選擇墊片主要考慮耐溫和耐腐蝕兩個因素。國產墊片材料的選擇可參見下表。 墊片性能和使用溫度三：板式換熱器設計計算3.1計算熱負荷 Q=()=（W）3.2計算逆流平均溫差及冷卻流量3.3水的定性溫度查表得：名稱（kg/m3）（/.)（Pa.s）(W/m.)水992.24.1746.5310-40.6353.4初選換熱面積粘度小于0.5103PaS，油與水換熱時列管式的換熱器的K的值約為300800W（m2），而板式換熱器的傳熱系數為列管式的24倍，則可初估為2000W（m2）3.5方案一： 初選BR0.1型板式

14、換熱器，其單通道截面積為（）實際單板換熱面積為0.1152（） 試選組裝形式為。油的流程數為7，每程通道數為5；水的流程數為5，每程通道數為7。 因為所選板型為混流，采用列管式換熱器的溫差校正系數。根據所選組裝形式查如下圖：可得：=0.97=0.9724.85=24.1初估換熱面積為：S=核算總傳熱系數K（1） 油側的對流傳熱系數： 流速 采用0.1的人字形板式換熱器，其板間距=4，當量直徑 油的換熱系數： （2） 水側的對流換熱系數： 冷卻水的流速 水的換熱系數： （3） 金屬板的熱阻： 板材為不銹鋼（1Gr18Ni9Ti）,其導熱系數為，板厚，則（4） 污垢熱阻： 油側： 水側：（5） 總

15、傳熱系數K： 傳熱面積S 安全系數為：，傳熱面積的裕度可滿足工藝要求。壓降計算油：水：油和水的壓降都滿足條件，此方案可取。所選板式換熱器規格型號：BR0.13.6方案二： 試選BR0.2型板式換熱器，其單通道截面積為，實際單板換熱面積為0.208 初估換熱系數K=1000，換熱面積為：試選組裝形式為。油的流程數為6，每程通道數為6；水的流程數為4，每程通道數為9。因為所選板型為混流，采用列管式換熱器的溫差校正系數： =0.9724.85=24.1初估換熱面積為：核算總傳熱系數K（1） 油側的對流傳熱系數： 流速 采用0.2的人字形板式換熱器，其板間距=4，當量直徑 油的換熱系數： （2） 水側

16、的對流傳熱系數： 流速 水的換熱系數： （3）金屬板的熱阻： 板材為不銹鋼（1Gr18Ni9Ti）,其導熱系數為，板厚，則 （4）污垢熱阻： 油側： 水側： （5）總傳熱系數K： 傳熱面積S 安全系數為：，傳熱面積的裕度可滿足工藝要求。壓降計算：油：水：油和水的壓降都滿足條件，此方案可取。所選板式換熱器規格型號：BR0.2/11-3.7方案三 試選BR0.3型板式換熱器，其單通道截面積為，實際單板換熱面積為0.27 初估換熱系數K=1000，換熱面積為：試選組裝形式為。油的流程數為6，每程通道數為5；水的流程數為2，每程通道數為15。因為所選板型為混流，采用列管式換熱器的溫差校正系數： =0.

17、9724.85=24.1初估換熱面積為：核算總傳熱系數K（3） 油側的對流傳熱系數： 流速 采用0.2的人字形板式換熱器，其板間距=4，當量直徑 油的換熱系數： （4） 水側的對流傳熱系數： 流速 水的換熱系數： （3）金屬板的熱阻： 板材為不銹鋼（1Gr18Ni9Ti）,其導熱系數為，板厚，則 （4）污垢熱阻： 油側： 水側： （5）總傳熱系數K： 傳熱面積S 安全系數為：，傳熱面積的裕度可滿足工藝要求。壓降計算：油：水：油和水的壓降都滿足條件，此方案可取。所選板式換熱器規格型號：BR0.3/11-3.8方案確定及設計結果一覽表方案名稱板片塊數安全系數K設計方案一7016.382247設計方

18、案二7220.261250設計方案三6017.91136將三種方案進行對比，從其板片數，換熱系數，占大面積，經濟成本，安全等多方面綜合考慮，選擇第一種方案。 人字形板式換熱器技術參數和計算結果 換熱器類型：人字形板式油水換熱器 換熱面積（） ：7.95 裕度：16.38 技術參數： 物料名稱 油側 水側 操作壓強（Pa） 12091 26573 操作溫度() 100/40 50/30 流體密度（） 825 992.2 流速（m/s） 0.8 0.76 總傳熱量（kw） 370 總傳熱系數（） 2247 對流傳熱系數 4119 16750 污垢系數（） 0.000052 0.000043 推薦使

19、用材料 1Gr18Ni9Ti 換熱器規格 Br0.1 板片尺寸，長寬高（mm） 6252350.8 有效傳熱面積（） 0.1152 波紋形式 人字形波紋 波紋高度（mm） 4 法向波紋節距（mm） 10 流道寬度（mm） 210 平均板間距（mm） 4 平均流道橫截面積() 0.00084 平均當量直徑（mm） 0.008四輔助設備的選型4.1水泵及水管的選型 水的質量流量，體積流量 。取，選取 管路總長20m，其中換熱器截面高出蓄水池水平面15m，吸入管路長5m。 管內流速0.76m/s，選擇新的無縫鋼管，取其絕對粗糙度 ，相對粗糙度，查表得摩擦系數 截止閥全開時的阻力系數，兩個彎頭的阻力系數 ，則管路的壓頭損失為 則揚程 根據體積流量，揚程（水柱），可從離心泵規格表 中選用型號為IS65-50-125的離心泵。4.2油泵及油管的類型 油的質量流量，體積流量 ，取油管直徑，選取無縫鋼管 管路總長10m，換熱器平面高出油泵平面10m。 油管內流速， 選擇新的無縫鋼管，取其絕對粗糙度，相對粗糙度， 查表得摩擦系數 截止閥全開時的阻力系數，兩個彎頭的阻力系數 ，則管路的壓頭損失為 則揚程 根據體積流量，揚程（水柱），可從離心泵規格表 中選用型號為IS50-32-250的