锯齿形板式换热器热水冷却器.doc

南 京 工 业 大 学

《材料工程原理B》课程设计

设计题目：

专 业： 班 级：

学 号： 姓 名：

日 期：

指导教师：

设计成绩： 日 期：

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 t/a热水

（2）设备型式 锯齿形板式换热器

（3）操作条件

a热水：入口温度,出口温度

b冷却介质：循环水，入口温度,出口温度

c冷却压降：不大于

d每年按330天计，每天24小时连续运行

(4) 建厂地区：天津地区

（三）设计要求

选择适宜的锯齿形板式换热器进行核算

目 录
第一章 ：设计方案简介
1.1概述……………………………….………………………… 3
1.1.1 换热器…………………………….………………………3
1.1.2 三种换热器的比较…………………………….…… 3
1.1.3 板式换热器…………………………….……………… 5
1.2方案设计和拟定……………………………….…………9
1.3确定设计方案……………………………….……………12
第二章 ： 工艺流程简图
2.1锯齿形板式换热器的组装形式……………………12
2.2工艺流程……………………………….14
第三章 ：工艺计算和整体设备计算
3.1符号说明……………………………….…………………… 14
3.2 计算定性温度……………………………….…………… 15
3.3计算热负荷……………………………….………………… 16
3.4计算平均温差………………………………………………16
3.5初估板式换热面积S和板型………………………… 16
3.6核算总传热系数K……………………………….……… 18
3.6.1计算热水测的对流给热系数……………………… 18
3.6.2计算冷水测的对流给热系数……………………… 18
3.6.3金属板热阻……………………………….……………… 19
3.6.4污垢热阻……………………………….………………… 19
3.6.5总传热系数……………………………….……………… 20
3.6.6估算总传热系数S……………………………….………20
3.7计算压力降Δp……………………………….……………… 21
第四章 ：设计结果概要和设计一览表…………………23
第五章 ：附图
5.1: 工艺流程图……………………………….…………………25
5.2：主体设备工艺图……………………………….………… 26
第六章 ：设计小结……………………………….…………………27
参考文献……………………………….……………………………… 28

锯齿形板式换热器说明书
第一章：设计方案简介
1.1概述
1.1.1换热器
换热器（英语翻译：heat exchanger），是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。在三类换热器中，间壁式换热器应用最多。
1.1.2三种常用换热器的比较
传热性能：板式换热器有较高的传热系数,一般可达12 560～20 934 K J / m21h· ℃一般情况下,板式换热器总传热系数比管壳式换热器大 3～5 倍以上;在相同换热面积时板式换热器流通面积比管壳式换热器大5 倍,压降小;最小传热温差: 列管式换热器为 3～5 ℃, 板式换热器为 1～3 ℃板壳式换热器中的流体流动形式与板式换热器相似,在波纹状通道中流动的流体受到强烈扰动,临界雷诺数只有20～50,在很低的流速下就能达到湍流状态,并且可实现纯逆流换热,所以具有很高的传热效率及热回收率 。
占地面积及重量 ：板式换热器结构紧凑 ,单位体积内的换热面积为管壳式换热器的 2～5 倍 ,而且不用象管壳式换热器那样要预留出管束的检修场地。紧凑度:管壳式换热器为 78 m2/ m3,板式换热器为220 m2/ m3。因此实现同样的换热任务时 ,板式换热器的占地面积约为管壳式换热器的1/5～1/10。板式换热器的板片厚度为 016～018 m m ,管壳式换热器的换热管厚度为 210～215 m m ; 管壳式换热
器的壳体比板式换热器的框架重得多。在完成同样换热任务的情况下 ,板式换热器所需的换热面积比管壳式换热器的小,即板式换热器的重量轻 ,大约为管壳式换热器的1/5 左右。对于由多个板片组成的板壳式换热器,可在壳体内设置隔板或筋板,使换热器形成蜂窝状结构 ,因而壳体钢板无需很厚,板壳式换热器平均重量和体积只有管壳式换热器的 25 %～40 %。
许用压力和温度 管壳式换热器可以用于较高的压力和温度。由于管板与壳体是刚性连接 ,因此在较高温度时考虑增加缓解壳体和管束变形不协调的膨胀节。板式换热器是靠垫片密封的,因此板式换热器的许用压力和温度取决于弹性垫片。传统可拆板式换热器最高许用压力为 215 MP a ,温度为250℃ 以下。板壳式换热器由于板片是通过焊接连接的 ,取代了板式换热器中的弹性垫片 ,大大提高了换热器所承受的压力和温度 ,而且密封性能良好 。
污垢系数 板式换热器由于板间流体的剧烈湍动，杂质不易沉积和不锈钢制造的板面光滑，易清洗 ,所以板式换热器的污垢系数比管壳式换热器的污垢系数小得多。板壳式换热器由于换热过程处于强烈的湍流状态 ,高剪切力抑制了板画上污垢的形成 ,流体在波纹形通道内的停留时间均匀 ,所以其结垢倾向远低于管壳式换热器 。
制造成本 板式换热器主要用金属板材 ,因而原材料的价格比同样金属的管材要低廉，制造过程主要是冲压成型 ,机加工较少。板壳式换热器虽然采用耐腐蚀优质不锈钢材料制造，但其制造成本却与碳钢管壳式换热器相当。其原因在于:①板材的轧制过程比无缝管的挤制过程简单 ,能量消耗低,材料成本也低。②由于板片较薄,按面积算16m m厚不锈钢板与4 m m厚碳钢卷板的材料价格几乎相当,而低于 3 m m 厚的钢管。③板壳式换热器的传热效率高于管壳式换热器,完成相同任务换热器的传热面积可减少。④ 板壳式换热器的模具简单,费用低,只需2-3副模具就可用于常用的规格,初期设备投资少,生产效率高
热损失 　板式换热器由于仅仅是板片周围暴露在大气中,热损失仅占总传热量的1%左右,不需要采用保温层。板壳式换热器虽然波纹板通道内的局部阻力比光滑表面要大,但由于板片数目多,并列的通道数目较多,再加上通道长度较短,所以其阻力损失较小。
应用 当介质中无悬浮粒子时,无论从传热系数还是从总费用看,板式换热器都为最佳选择。但是当介质中含有悬浮粒子时,板式换热器易堵塞 ,传统上用管壳式换热器 ,其管程流动较理想 ,但壳程流动的湍流程度太低 ,导致总传热系数低,投资高。和管壳式换热器一样 ,板壳式换热器较易清洗,但其传热效率却高得多,因为二侧的传热系数都较高 ,它的流程可任意选定 ,其费用比板式换热器高 ,但比列管
式换热器便宜。总的来看 ,其质价比最高
1.1.3 板式换热器
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，包括传热半片，密封垫片，压紧板，上下导杆，支柱，夹紧螺栓等主要零件。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。
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

2.板式换热器是以波纹为传热面的新型、高效换热器，它具有如下特点：
a、 高效节能：板式换热器的传热系数高，比相同平方的列管式换热器提高30%~50%。
b、 结构紧凑：板式换热器体积小，占地面积小，散热损失小，重量轻，每立方米体积内约布置250平方米左右的传热面积，占地面积仅为列管式换热器的1/4-1/8。
c、 拆装清洗方便：板式换热器靠夹紧螺栓将夹固板和板片夹紧，因此拆装方便，随时可以打开清洗。有时甚至可以不必完全拆开仅把压紧螺栓松开就可抽出板片清洗，更换胶垫，以至更换板片，同时由于板面光洁，湍流程度高，不易结垢。
d、 使用寿命长：板式换热器的板片采用不锈钢或钛合金板片压制，可耐各种腐蚀介质。
e、 适用性强：板式换热器板片为独立元件，可按要求随意增减流程，形式多样：可适用于各种不同工艺的要求。
f、 不串液：板式换热器密封槽设置泄液液道，各种介质不会串通，即使出现泄漏，介质总是向外排出。
g、 制作方便 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。
h、 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。
I、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。
3.板式换热器的应用场合
a. 制冷：用作冷凝器和蒸发器。
b. 暖通空调：配合锅炉使用的中间换热器、高层建筑中间换热器等。
c. 化学工业：纯碱工业，合成氨，酒精发酵，树脂合成冷却等。
d. 冶金工业：铝酸盐母液加热或冷却，炼钢工艺冷却等。
e. 机械工业：各种淬火液冷却，减速器润滑油冷却等。
f. 电力工业：高压变压器油冷却，发电机轴承油冷却等。
g. 造纸工业：漂白工艺热回收，加热洗浆液等。
h. 纺织工业：粘胶丝碱水溶液冷却，沸腾硝化纤维冷却等。
i. 食品工业：果汁灭菌冷却，动植物油加热冷却等。
j. 油脂工艺：皂基常压干燥，加热或冷却各种工艺用液。
k. 集中供热：热电厂废热区域供暖，加热洗澡用水。
l. 其他：石油、医药、船舶、海水淡化、地热利用。
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。
（1）结构原理
可拆卸板式换热器是由许多冲压有波纹薄板按一定间隔，四周通过垫片密封，并用框架和压紧螺旋重叠压紧而成，板片和垫片的四个角孔形成了流体的分配管和汇集管，同时又合理地将冷热流体分开，使其分别在每块板片两侧的流道中流动，通过板片进行热交换。
（2）板式换热器的设计特点
1、高效节能：其换热系数在3000～4500kcal/m2•°C•h，比管壳式换热器的热效率高3~5倍。
2、结构紧凑：板式换热器板片紧密排列，与其他换热器类型相比，板式换热器的占地面积和占用空间较少，面积相同换热量的板式换热器仅为管壳式换热器的1/5。
3、容易清洗拆装方便：板式换热器靠夹紧螺栓将夹固板板片夹紧，因此拆装方便，随时可以打开清洗，同时由于板面光洁，湍流程度高，不易结垢。
4、使用寿命长：板式换热器采用不锈钢或钛合金板片压制，可耐各种腐蚀介质，胶垫可随意更换，并可方便在、拆装检修。
5、适应性强：板式换热器板片为独立元件，可按要求随意增减流程，形式多样；可适用于各种不同的、工艺的要求。
6、不串液，板式换热器密封槽设置泄液液道，各种介质不会串通，即使出现泄露，介质总是向外排出。
（3）板式换热器的应用范围
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
i.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。
ii.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。
iii.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。
iv.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。
v.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，制造谷氨酸钠。
vi.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。
vii.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。
viii.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
ix.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。
x.电力工业 发电机轴泵冷却，变压器油冷却。
xi.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）
xii.其 他 医药、石油、建陶、玻璃、水泥、地热利用等。

1.2方案设计和拟定
图２分别显示了平直形翅片和锯齿形翅片换热器中距冷流体入口 ７ｍｍ处截面的速度场分布。将流体速度达到入口处速度的９９％处定义为边界层与主流区的分界处，本次计算中，冷热流体的入口速度分别为６．５ｍ／ｓ和１．６４　ｍ／ｓ。可以清楚地看到流体在锯齿形翅片中的速度边界层比在平直形翅片中的速度边界层薄，说明了与平直形翅片相比，锯齿形翅片对增加流体扰动、破坏边界层具有明显的作用。

锯齿形翅片的温度场和速度场分布
    图３ａ显示了锯齿形翅片中热通道中间截面处的温度场分布，可以看到交错排列的翅片使流体在流动方向上产生的热边界层总是不断被破坏，使得锯齿形翅片比平直形翅片拥有更好的换热效果。图３ｂ显示了的中间截面处的速度矢量分布，从图中可以看到流体接近翅片时出现的分流，和流体离开翅片时在翅片尾部产生的微小旋涡。

局部换热系数和压力的变化趋势
从图 ４ａ 中可以看出冷热流体的换热系数都是 随着温度的增加而增加（热流体沿Ｚ轴正方向流动，冷流体相反），这说明流体的局部换热系数受温度的影响；冷热流体在入口附近的局部换热系数都相对较大，这是因为从入口到层流充分发展段之间的区域内，流体的热边界层比较薄，因而有较高的局部换热系数。热流体的局部换热系数大约是冷流体局部换热系数的两倍，这是因为热流体的Ｒｅ数大约为冷流体Ｒｅ的两倍。从图４ｂ中可以看出流体的局部换热系数在相邻两排锯齿的交错面上出现突跃，这是因为流体受到翅片的扰动后边界层突然变薄，使流体在那里的换热突然增强。比较图４ａ和图 ４ｂ可以看到，相同情况下，锯齿形翅片的换热系数要大于平直形翅片的换热系数。从图５ａ中可以看到冷热流体的压力变化基本是线性的，在入口处变化较大，冷热流体的总压损大约在 ２５０Ｐａ和 ７５Ｐａ。从图 ５ｂ中可以看到冷热流体的压力变化也呈现出锯齿状，在锯齿的交错面上流体的压力出现突降，这是因为翅片对流体的阻挡造成的，冷热流体的压损大约为 ２５Ｐａ和 １０Ｐａ。

1.3 确定设计方案
将 ＣＦＤ技术运用到板翅式换热器的设计领域，通过合理简化，建立了平直形和锯齿形两种翅片类型的换热器通道模型，对微小通道中流体的流动与传热进行了数值分析，并对计算结果进行了分析，比较了两种翅片中流体的边界层、局部换热系数和压力损失，从微观角度得出了锯齿形翅片高换热效率的根本原因。

第二章 工艺流程图

2.1锯齿形板式换热器的组装形式

2.2 工艺流程
工艺流程设计涉及面很广，它最先开始，最后完成，是由浅入深、由定性到定量逐步分段进行的。逐步得到工艺流程草图、工艺物料流程图、带控制点工艺流程图、管道仪表流程图。

锯齿形板式换热器
水 水
水
热水
热水

第三章 ：工艺计算和整体设备计算
3.1符号说明
Wh 热液体质量流量
Wc 冷流体质量流量
Cph 热水定压比热 kJ(㎏·℃)
Cpc 冷水定压比热 kJ(㎏·℃)
平均温差 ℃
校正后的平均温差 ℃
K 总传热系数 W·㎡·℃-1
S 换热面积 ㎡
Re 雷洛准数 无因次
Pr 普兰特准数 无因次
热流体对流传热系数 W·㎡·℃-1
冷流体对流给热系数 W·㎡·℃-1
材料导热系数 W/m·℃
b 板材厚度 ㎜
3.2计算定性温度，并查取定性温度下的物性数据
热水：
冷却水：
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
70
977.8
0.406
4.187
0.668
冷却水
36
993.6
0.712
4.174
0.628

3.3计算热负荷

式中

3.4计算平均温差

3.5 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2500 W/m2•℃。
初估换热面积

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0.0016，有效单片传热面积0.22。
试选组装形式。该式表示其公称换热面积为2.0，热水的程数为1，每程的流道均为7；冷却水的程数为15，其流道为7。因此，冷热流体总共只有14个流道，总共板数为个，而实际传热板数为13。是奇数
可由表中查出

初估板式换热面积

3.6核算总传热系数K
3.6.1计算热水侧的对流给热系数
热水在流道内的流速

当量直径（为板片波纹高度，即板间距）
（在2850~14600之间）

选用0.2m2锯齿形波纹板片给热系数的计算公式
（适用于）

3.6.2计算冷却水侧的对流给热系数
冷却水的质量流量

冷却水在流道内的流速

（在2850~14600之间）

（适用于）

3.6.3金属板的热阻
板材为H62-1，其导热系数，板厚b=3.5mm（估计值）。

3.6.4污垢热阻
查化工原理课程设计书[4],得热水和循环冷水侧的污垢热阻分别为： 附录24 壁面污垢热阻
冷却水 单位：㎡·℃·W-1
加热液体温度/℃
115以下
115～205
水的温度/℃
25以上
25以下
水的速度
1以下
1以上
1以下
1以上
海水
0.8598×10-4
0.8598×10-4
1.7197×10-4
1.7197×10-4
自来水、井水、湖水
1.7197×10-4
1.7197×10-4
3.4394×10-4
3.4394×10-4
蒸馏水
0.8598×10-4
0.8598×10-4
0.8598×10-4
0.8598×10-4
硬水
5.1590×10-4
5.1590×10-4
8.598×10-4
8.598×10-4
河水
5.1590×10-4
3.4394×10-4
6.8788×10-4
5．1590×10-4

3.6.5总传热系数

3.6.6估算传热面积
所需传热面积

设备实际传热面积

安全系数

3.7计算压力降
查锯齿形波纹板式换热器的曲线图

热水侧时，3629.1pa
冷水侧时，15696pa

所选换热器的规格如下

所选换热器的规格为，其主要技术参数如下：
外形尺寸（长×宽×高）……………1000×300×1.2mm
有效传热面积…………………….….…0.22
波纹形式……………………………….锯齿形
波纹高度……………………………….5.8mm
法向波纹节距………………………….40mm
流道宽度……………………………….280mm
平均板间距…………………………….5.8mm
平均流道横截面积…………………….0.0016
平均当量直径………………………….11.6mm
板片材料……………………………….H62-1

第四章 ：设计结果概要和设计一览表

根据生产任务和设计要求计算，
所选的锯齿形板式换热器的主要技术参数和计算结果见表5-1

表5-1 锯齿形板式换热器技术参数和计算结果
换热器类型：锯齿形板式换热器
换热面积(m2)：2.86
裕度：19%
技术参数：
物料名称
热水侧
冷水侧
操作压强,kPa
3.629
15.69
操作温度, ℃
80/60
40/32
流量,kg/s
1.9289
4.84
流体密度, kg/m3
977.8
993.6
流速,m/s
0.205
0.51
总传热量,kW
734.25
总传热系数,
W/m2·℃
2125
对流传热系数, W/m2·℃
4631
7656
污垢系数,m2·K/W
0.000034
0.000034
推荐使用材料
不锈钢(1Cr18Ni9Ti )
换热器规格
BJ0.2×(6/100)/2.0-(18/1×8)
外形尺寸,长×宽×高, mm
1000×300×1.2
有效传热面积,m2
0.22
波纹形式
锯齿形波纹
波纹高度,mm
5.8
法向波纹节距,mm
40
流道宽度
280mm
平均板间距,mm
5.8
平均流道横截面积,m2
0.00016
平均当量直径, mm
11.6

第五章： 附图
5.1 工艺流程图

5.2：主体设备工艺图

第六章：设计小结
本次化工原理课程设计历时一周，由刚开始什么都不懂到最后完
成设计，期间我们通过查阅资料，反复计算，请教学长学姐，请教老师，终于完成了这个看起来很简单其实并不简单的任务。
刚开始，看到这个课程设计题目，我们一头雾水，从来没有接触过这类东西的我们第一次去尝试着接触。虽然题目可能并不难，但是对于第一次的我们也并不容易。但是经过不断的努力，还是如期完成。我觉得在课程设计中我学到了很多东西，在很多方面都得到了很好的锻炼和培养。课程设计是我们专业知识在实际生活中的运用的体现，它帮助我们将理论知识与实际生活的桥梁展现在了我们的眼前，让我们认识到了我们所学习的知识并非像我们所想象的那般抽象，同时它也帮助我认识到了在专业知识的学习中我的不足与长处。在学习理论知识的时候我们常常会忽略一些细节问题，而在设计中，这些被我们所忽视的细节问题又恰恰会导致一切努力都白费。所以，课程设计是一项比我们想象的要精细的多的任务，从而提醒我们在今后的学习中一定要注重这些细节问题。大量的文献查阅，让我们意识到了查阅资料的重要性和检索查阅能力的重要性，在做课程设计的时候，查阅资料的能力几乎决定了我们课程设计做的成果的好坏，因为我们所做的一切都要有理可依有据可循，而不能凭空想象。
我觉得课程设计反映的是一个从理论到实际应用的过程，需要很多方面的能力互相协调才能完成。同时也让我认识到了独立思维能力的重要性。

参考文献
[1] 柴诚敬.张国亮等.化工流体流动与传热.北京:化学工业出版社,2000
[2] 余国琮等.化工容器及设备.北京:化学工业出版社,1980
[3] 中华人民共和国国家标准.GB151-89钢制管壳式换热器.国家技术监督局发布,1989
[4] 匡国柱,史启才,化工单元过程及设备课程设计.北京:化学工业出版社,1988
[5] 化工设备设计全书编委会,换热器设计.上海:上海科学技术出版社,1988
[6] 徐中全译,尾花英郎著.热交换器设计手册.北京:石油工业出版社，1982
[7] 卓震主.化工容器及设备.北京:中国石化出版社，1998
[8] 潘继红等.管壳式换热器的分析与计算.北京:科学出版社,1996
[9] 朱聘冠.换热器原理及计算.北京:清华大学出版社,1987
[10] 大连理工大学.化工原理(上册).大连:大连理工大学出版社,1993

材料学院课程论文（设计）答辩记录及评语

姓名
专业
班级
学号
成绩

高分子材料科学与工程
高材1102班
04

题目
热水冷却器
答辩记录

指导教师评语

指导教师（签字）
年 月 日
系（教研室）意见

系主任（签字）
年 月 日
学院意见

院长（签字）
年 月 日

28