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1、課 程 設 計 學 院：蚌埠學院 班 級：11級食品科學與工程3班 姓 名：xxxxx 學號：51106023027 指導老師：xxxxxx 2013年6月設計任務書一、設計題目熱水冷卻器的設計 二、設計參數(shù)（1）處理能力6.2104t/a熱水。 （2）設計形式 鋸齒形板式換熱器（3）操作條件 熱水：入口溫度85,出口溫度60。冷卻介質：循環(huán)水，入口溫度32,出口溫度40。允許壓降：不大于105pa。每年按330天計，每天24小時連續(xù)運行。建廠地址：湖南地區(qū)。三、設計內容及要求（1）計算熱負荷（2）計算平均溫度差（3）初估換熱面積及初選板型（4）核算總傳熱系數(shù)K（5）計算傳熱面積S（6）壓降計
2、算（7）板式換熱器滾個選型（8）附屬設備的選型（9）換熱工藝流程圖（手繪A2），主體設備工藝條件圖（手繪A1）。目 錄1概述3 1.1板式換熱器的簡介3 1.2設計方案簡介7 1.3確定設計方案10 1.3.1工藝流程10 1.3.2換熱器選型11 1.4符號說明112主要設備工藝計算12 2.1計算定性溫度12 2.2計算熱負荷12 2.3計算平均溫差12 2.4初估換熱面積S及板型12 2.5核算總傳熱系數(shù)K 13 2.5.1計算熱水側的對流給熱系數(shù)13 2.5.2計算冷水側的對流給熱系數(shù)14 2.5.3金屬板熱阻14 2.5.4污垢熱阻14 2.5.5總傳熱系數(shù)15 2.6估算傳熱面積S
3、 15 2.7計算壓力降p 153換熱器主要技術參數(shù)和計算和結果16設計評述19 參考文獻20附錄21附錄121 1 概述換熱器（英語翻譯：heat exchanger），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、食品及其它許多工業(yè)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(fā)器和再沸器等，應用更加廣泛。換熱器種類很多，但根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本上可分三大類即：間壁式、混合式和蓄熱式。在三類換熱器中，間壁式換熱器應用最多。1.1鋸齒形板式換熱器簡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
4、的一種新型高效換熱器。各種板片之間形成薄矩形通道，通過半片進行熱量交換。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，在適用的范圍內有取代管殼式換熱器的趨勢。 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. 板式換熱器的基本結構 2.板式換熱器是以波紋為傳熱面的新型、高效換熱器，它具有如下特點： a、 高效節(jié)能：板式換熱器的傳熱系數(shù)高，比相同平方的列管式換熱器提高30%50%。b、 結構緊湊：板式換熱器體積小，占地面積小，散熱損失小，重量輕，每立方米體積內約布置250平方米左右的傳
5、熱面積，占地面積僅為列管式換熱器的1/4-1/8。c、 拆裝清洗方便：板式換熱器靠夾緊螺栓將夾固板和板片夾緊，因此拆裝方便，隨時可以打開清洗。有時甚至可以不必完全拆開僅把壓緊螺栓松開就可抽出板片清洗，更換膠墊，以至更換板片，同時由于板面光潔，湍流程度高，不易結垢。d、 使用壽命長：板式換熱器的板片采用不銹鋼或鈦合金板片壓制，可耐各種腐蝕介質。e、 適用性強：板式換熱器板片為獨立元件，可按要求隨意增減流程，形式多樣：可適用于各種不同工藝的要求。 f、 不串液：板式換熱器密封槽設置泄液液道，各種介質不會串通，即使出現(xiàn)泄漏，介質總是向外排出。g、 制作方便 板式換熱器的傳熱板是采用沖壓加工，標準化程
6、度高，并可大批生產，管殼式換熱器一般采用手工制作。 h、 容易清洗 框架式板式換熱器只要松動壓緊螺栓，即可松開板束，卸下板片進行機械清洗，這對需要經常清洗設備的換熱過程十分方便。 I、熱損失小 板式換熱器只有傳熱板的外殼板暴露在大氣中，因此散熱損失可以忽略不計，也不需要保溫措施。而管殼式換熱器熱損失大，需要隔熱層。 3.板式換熱器的應用場合 a. 制冷：用作冷凝器和蒸發(fā)器。 b. 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。 c. 化學工業(yè)：純堿工業(yè)，合成氨，酒精發(fā)酵，樹脂合成冷卻等。 d. 冶金工業(yè)：鋁酸鹽母液加熱或冷卻，煉鋼工藝冷卻等。 e. 機械工業(yè)：各種淬火液冷卻，減速器
7、潤滑油冷卻等。 f. 電力工業(yè)：高壓變壓器油冷卻，發(fā)電機軸承油冷卻等。 g. 造紙工業(yè)：漂白工藝熱回收，加熱洗漿液等。 h. 紡織工業(yè)：粘膠絲堿水溶液冷卻，沸騰硝化纖維冷卻等。 i. 食品工業(yè)：果汁滅菌冷卻，動植物油加熱冷卻等。 j. 油脂工藝：皂基常壓干燥，加熱或冷卻各種工藝用液。 k. 集中供熱：熱電廠廢熱區(qū)域供暖，加熱洗澡用水。 l. 其他：石油、醫(yī)藥、船舶、海水淡化、地熱利用。3.壓降校核 在板式換熱器的設計選型使，一般對壓降有一定的要求，所以應對其進行校核。如果校核壓降超過允許壓降，需重新進行設計選型計算，直到滿足工藝要求為止。 （1）結構原理 可拆卸板式換熱器是由許多沖壓有波紋薄板
8、按一定間隔，四周通過墊片密封，并用框架和壓緊螺旋重疊壓緊而成，板片和墊片的四個角孔形成了流體的分配管和匯集管，同時又合理地將冷熱流體分開，使其分別在每塊板片兩側的流道中流動，通過板片進行熱交換。 （2）板式換熱器的設計特點 1、高效節(jié)能：其換熱系數(shù)在30004500kcal/m2Ch，比管殼式換熱器的熱效率高35倍。 2、結構緊湊：板式換熱器板片緊密排列，與其他換熱器類型相比，板式換熱器的占地面積和占用空間較少，面積相同換熱量的板式換熱器僅為管殼式換熱器的1/5。 3、容易清洗拆裝方便：板式換熱器靠夾緊螺栓將夾固板板片夾緊，因此拆裝方便，隨時可以打開清洗，同時由于板面光潔，湍流程度高，不易結垢
9、。 4、使用壽命長：板式換熱器采用不銹鋼或鈦合金板片壓制，可耐各種腐蝕介質，膠墊可隨意更換，并可方便在、拆裝檢修。 5、適應性強：板式換熱器板片為獨立元件，可按要求隨意增減流程，形式多樣；可適用于各種不同的、工藝的要求。 6、不串液，板式換熱器密封槽設置泄液液道，各種介質不會串通，即使出現(xiàn)泄露，介質總是向外排出。 （3）板式換熱器的應用范圍 板式換熱器已廣泛應用于冶金、礦山、石油、化工、電力、醫(yī)藥、食品、化纖、造紙、輕紡、船舶、供熱等部門，可用于加熱、冷卻、蒸發(fā)、冷凝、殺菌消毒、余熱回收等各種情況 i.化學工業(yè) 制造氧化鈦、酒精發(fā)酵、合成氨、樹脂合成、制造橡膠、冷卻磷酸、冷卻甲醛水、堿炭工業(yè)、
10、電解制堿。 ii.鋼鐵工業(yè) 冷卻淬火油，冷卻電鍍用液、冷卻減速器潤滑油、冷卻軋制機、拉絲機冷卻液。 iii.冶金行業(yè) 鋁酸鹽母液的加熱和冷卻，冷卻鋁酸鈉，煉鋁軋機潤滑油冷卻。 iv.機械制造業(yè) 各種淬火液冷卻，冷卻壓力機、工業(yè)母機潤滑油，加熱發(fā)動機用油。 v.食品工業(yè) 制鹽，乳品，醬油，醋的殺菌、冷卻，動植物油加熱、冷卻，啤酒生產中啤酒、麥芽汁的加熱冷卻，制糖，明膠濃縮，殺菌、冷卻，制造谷氨酸鈉。 vi.紡織工業(yè) 各種廢液熱回收，沸騰磷化纖維的冷卻，冷卻粘膠液，醋酸和酸醋酐的冷卻，冷卻堿水溶液，粘膠絲的加熱和冷卻。 vii.造紙工業(yè) 冷卻黑水，漂白用鹽、堿液的加熱、冷卻，玻璃紙廢液的熱回收，加
11、熱蒸煮酸，冷卻氫氧化鈉水溶液，回收漂白張紙的廢液，排氣的凝縮，預熱濃縮紙漿似的廢液。 viii.集中供暖 熱電廠廢熱區(qū)域供暖，加熱生活用水，鍋爐區(qū)域供暖 ix.油脂工業(yè) 加熱、冷卻合成洗滌劑，加熱鯨油，冷卻植物油，冷卻氫氧化鈉，冷卻甘油、乳化油。 x.電力工業(yè) 發(fā)電機軸泵冷卻，變壓器油冷卻。 xi.船 舶 柴油機，中央冷卻器，卸套水冷卻器，活塞冷卻器，潤滑油冷卻器，預熱器，海水淡化系統(tǒng)（包括多級及單級） xii.其 他 醫(yī)藥、石油、建陶、玻璃、水泥、地熱利用等。 1.2設計方案簡介 圖分別顯示了平直形翅片和鋸齒形翅片換熱器中距冷流體入口處截面的速度場分布。將流體速度達到入口處速度的處定義為邊界
12、層與主流區(qū)的分界處，本次計算中，冷熱流體的入口速度分別為和?？梢郧宄乜吹搅黧w在鋸齒形翅片中的速度邊界層比在平直形翅片中的速度邊界層薄，說明了與平直形翅片相比，鋸齒形翅片對增加流體擾動、破壞邊界層具有明顯的作用。 鋸齒形翅片的溫度場和速度場分布 圖顯示了鋸齒形翅片中熱通道中間截面處的溫度場分布，可以看到交錯排列的翅片使流體在流動方向上產生的熱邊界層總是不斷被破壞，使得鋸齒形翅片比平直形翅片擁有更好的換熱效果。圖顯示了的中間截面處的速度矢量分布，從圖中可以看到流體接近翅片時出現(xiàn)的分流，和流體離開翅片時在翅片尾部產生的微小旋渦。 局部換熱系數(shù)和壓力的變化趨勢從圖中可以看出冷熱流體的換熱系數(shù)都是隨著
13、溫度的增加而增加（熱流體沿軸正方向流動，冷流體相反），這說明流體的局部換熱系數(shù)受溫度的影響；冷熱流體在入口附近的局部換熱系數(shù)都相對較大，這是因為從入口到層流充分發(fā)展段之間的區(qū)域內，流體的熱邊界層比較薄，因而有較高的局部換熱系數(shù)。熱流體的局部換熱系數(shù)大約是冷流體局部換熱系數(shù)的兩倍，這是因為熱流體的數(shù)大約為冷流體的兩倍。從圖中可以看出流體的局部換熱系數(shù)在相鄰兩排鋸齒的交錯面上出現(xiàn)突躍，這是因為流體受到翅片的擾動后邊界層突然變薄，使流體在那里的換熱突然增強。比較圖和圖可以看到，相同情況下，鋸齒形翅片的換熱系數(shù)要大于平直形翅片的換熱系數(shù)。從圖中可以看到冷熱流體的壓力變化基本是線性的，在入口處變化較大，
14、冷熱流體的總壓損大約在和。從圖中可以看到冷熱流體的壓力變化也呈現(xiàn)出鋸齒狀，在鋸齒的交錯面上流體的壓力出現(xiàn)突降，這是因為翅片對流體的阻擋造成的，冷熱流體的壓損大約為和。1.3 確定設計方案將技術運用到板翅式換熱器的設計領域，通過合理簡化，建立了平直形和鋸齒形兩種翅片類型的換熱器通道模型，對微小通道中流體的流動與傳熱進行了數(shù)值分析，并對計算結果進行了分析，比較了兩種翅片中流體的邊界層、局部換熱系數(shù)和壓力損失，從微觀角度得出了鋸齒形翅片高換熱效率的根本原因。1.3.1工藝流程工藝流程設計涉及面很廣，它最先開始，最后完成，是由淺入深、由定性到定量逐步分段進行的。逐步得到工藝流程草圖、工藝物料流程圖、帶
15、控制點工藝流程圖、管道儀表流程圖。鋸齒形板式換熱器水 水水熱水熱水1.3.2 換熱器選型鋸齒形板式換熱器1.4 符號說明Wh 熱液體質量流量 Wc 冷流體質量流量 Cph 熱水定壓比熱 kJ()Cpc 冷水定壓比熱 kJ() 平均溫差 校正后的平均溫差 K 總傳熱系數(shù) W-1S 換熱面積 Re 雷洛準數(shù) 無因次Pr 普蘭特準數(shù) 無因次 熱流體對流傳熱系數(shù) W-1 冷流體對流給熱系數(shù) W-1 材料導熱系數(shù) W/mb 板材厚度 2 熱水冷卻器的設計工藝計算2.1計算定性溫度，并查取定性溫度下的物性數(shù)據(jù)將60103t/Y的熱水從80冷卻至50，冷卻介質采用循環(huán)水，循環(huán)水入口溫度30，出口溫度為40，
16、設計一臺鋸齒形板式熱水冷卻器，完成該生產任務。熱水：冷卻水：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mPas比熱容kJ/(kg)導熱系數(shù)W/(m)熱水70977.80.4064.1870.668冷卻水36993.60.7124.1740.6282.2計算熱負荷式中2.3計算平均溫差2.4 初估換熱面積及初選板型對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
17、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)：查單殼程的溫差校正系數(shù)圖，得初估板式換熱面積2.5核算總傳熱系數(shù)K2.5.1計算熱水側的對流給熱系數(shù)熱水在流道內的流速當量直徑（為板片波紋高度，即板間距）（在285014600之間）選用0.2鋸齒形波紋板片給熱系數(shù)的計算公式（適用于）2.5.2計算冷卻水側的對流給熱系數(shù)冷卻水的質量流量冷卻水在流道內的流速（在285014600之間） （適用于）2.5.3金屬板的熱阻擬選用板材為不銹鋼(1Cr18Ni
18、9Ti )，其導熱系數(shù)w=16.8W/m，板的厚度估計為b=0.8mm（估計值），則R=2.5.4污垢熱阻查化工原理課程設計書4,得熱水和循環(huán)冷水側的污垢熱阻分別為： 附錄24 壁面污垢熱阻冷卻水 單位：W-1加熱液體溫度/115以下115205水的溫度/25以上25以下水的速度1以下1以上1以下1以上海水0.859810-40.859810-41.719710-41.719710-4自來水、井水、湖水1.719710-41.719710-43.439410-43.439410-4蒸餾水0.859810-40.859810-40.859810-40.859810-4硬水5.159010-45.
19、159010-48.59810-48.59810-4河水5.159010-43.439410-46.878810-45159010-42.5.5總傳熱系數(shù)2.6估算傳熱面積所需傳熱面積設備實際傳熱面積安全系數(shù)2.7計算壓力降查鋸齒形波紋板式換熱器的曲線圖熱水側時，滿足要求熱水側時，滿足要求所選換熱器的規(guī)格如下所選換熱器的規(guī)格為，其主要技術參數(shù)如下：外形尺寸（長寬高）10003001.2mm有效傳熱面積.0.22m2波紋形式.鋸齒形波紋高度.5.8mm法向波紋節(jié)距.40mm流道寬度.280mm平均板間距.5.8mm平均流道橫截面積.0.0016m2平均當量直徑.11.6mm板片材料.H62-13
20、換熱器主要技術參數(shù)和計算結果根據(jù)生產任務和設計要求計算，所選的鋸齒形板式換熱器的主要技術參數(shù)和計算結果見表5-1表5-1 鋸齒形板式換熱器技術參數(shù)和計算結果換熱器類型：鋸齒形板式換熱器換熱面積(m2)：9.46裕度：16%技術參數(shù)：物料名稱熱水側冷水側操作壓強,MPa0.130.41操作溫度, 85/5540/32流量,kg/h4332.49936流體密度, kg/m3977.8993.6流速,m/s0.1430.530總傳熱量,kW79.26總傳熱系數(shù),W/m21305.2對流傳熱系數(shù), W/m23939.68306.8污垢系數(shù),m2K/W0.000171970.00017197推薦使用材料
21、不銹鋼(1Cr18Ni9Ti )換熱器規(guī)格BJ0.2(6/100)/8.8-(212/122)外形尺寸,長寬高, mm6252350.8有效傳熱面積,m20.10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平均當量直徑, mm10設計評述本次化工原理課程設計是對鋸齒形板式換熱器的設計，由劉艷老師指導。經歷一周，通過到圖書館查閱有關文獻資料、上網搜索資料、和向老師請教以及反復的計算核實，本板式換熱器的設計可以說基本完成了?；叵脒@一周，感受頗深：開始接到這個任務，對換熱器設計沒有概念。老師要求一個星期之內設
22、計板式換熱器來冷卻水，對我來說實在是一項艱巨的任務，但是經過不斷的努力，還是如期完成。我覺得在課程設計中我學到了很多東西，尤其在下面幾個方面得到了很好的鍛煉和培養(yǎng)：一、查閱資料，選用公式和搜集數(shù)據(jù)的能力。通常設計任務書給出后，有許多數(shù)據(jù)需由設計者去搜集，有些物性參數(shù)要查取或估算，計算公式也由設計者自行選用，這就要求設計者運用各方面的知識，詳細而全面的考慮后方能確定。 二、正確選用設計參數(shù)，對于課程設計不僅要求計算正確，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果。 三、正確、迅速地進行工程計算。計算是一個反復試算的過程，計算工作量很大，因此正確與迅速必需同時強調。四、掌握化工設計的
23、基本程序和方法，學會用簡潔的文字和適當?shù)膱D表表示自己的設計思想。在整個設計過程中，出現(xiàn)了很多的狀況，尤其是在最初計算換熱器參數(shù)的時候，反復的計算驗算，但通過向老師請教，最終還是完成了核算。參考文獻1 柴誠敬.張國亮等.化工流體流動與傳熱.北京:化學工業(yè)出版社,20002 余國琮等.化工容器及設備.北京:化學工業(yè)出版社,19803 中華人民共和國國家標準.GB151-89鋼制管殼式換熱器.國家技術監(jiān)督局發(fā)布,19894 匡國柱,史啟才,化工單元過程及設備課程設計.北京:化學工業(yè)出版社,19885 化工設備設計全書編委會,換熱器設計.上海:上?？茖W技術出版社,19886 徐中全譯,尾花英郎著.熱交換器設計手冊.北京:石油工業(yè)出版社，19827 卓震主.化工容器及設備.北京:中國石化出版社，19988 潘繼紅等.管殼式換熱器的分析與計算.北京:科學出版社,19969 朱聘冠.換熱器原理及計算.北京:清華大學出版社,198710 大連理工大學.化工原理(上冊).大連:大連理工大學出版社,199311 蘭州石油機械研究所.換熱器(上冊).北京:中國石化出版社,199212 時均等,化學工程手冊(第二版,上卷).北京:化學工業(yè)出版社，1996附錄附錄1：工藝流程圖- 21 -
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