化工原理课程设计

化工原理课程计说明书学院：化学工程与工艺设计题目：220000T/a热水冷却器的设计--板式换热器组员罗泽为201220100109姚依琳201220100120欧阳金秀201220100210刘子新201220100217王重坤201220100308指导老师：邹丽霞2015年5月-1-设计任务书一、设计题目热水冷却器的设计二、设计参数（1）处理能力2.2×105t/a热水。（2）设计形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50℃。②冷却介质：循环水，入口温度30℃,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。三、设计内容及要求（1）计算热负荷（2）计算平均温度差（3）初估换热面积及初选板型（4）核算总传热系数K（5）计算传热面积S（6）压降计算（7）板式换热器滚个选型（8）附属设备的选型（9）主体设备工艺条件图（手绘A3）。-2-目录1概述...........................................41.1板式换热器的简介...................................41.2设计方案简介.....................................61.3确定设计方案.....................................81.3.1工艺流程.....................................81.3.2换热器选型...................................81.4符号说明.................................................82主要设备工艺计算...............................92.1计算定性温度......................................92.2计算热负荷.......................................92.3计算平均温差.....................................92.4初估换热面积S及板型.............................92.5核算总传热系数K................................102.5.1计算热水侧的对流给热系数.....................102.5.2计算冷水侧的对流给热系数.....................112.5.3金属板热阻..................................112.5.4污垢热阻....................................122.5.5总传热系数..................................122.6估算传热面积S..................................12-3-2.7计算压力降ΔP...................................123换热器主要技术参数和计算和结果................13设计评述...............................................15参考文献...............................................16-4-1概述换热器（英语翻译：heatexchange），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。图一板式换热器的基本结构1.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：-5-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。2.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-6-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•℃•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。1.2设计方案简介图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1.64M／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。-7-(a)平直形翅片（b)锯齿形翅片图二换热器截面的速度等值线图图三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。图三锯齿形形换热器中截面的速度场分布-8-图四锯齿形形换热器中截面的温度场分布图四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。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.1.3.1换热器选型锯齿形板式换热器1.4符号说明WH热液体质量流量/kghWC冷流体质量流量/kghCPH热水定压比热KJ/(㎏·℃)CPC冷水定压比热KJ/(㎏·℃)mt'平均温差℃mt校正后的平均温差℃Ki总传热系数W·㎡/℃S换热面积㎡Re雷洛准数无因次Pr普兰特准数无因次-9-1热流体对流传热系数W·㎡/℃2冷流体对流给热系数W·㎡/℃w材料导热系数W/M·℃B板材厚度㎜2主要设备工艺计算2.1计算定性温度，并查取定性温度下的物性数据将60103t/y的热水从80℃冷却至50℃，冷却介质采用循环水，循环水入口温度30℃，出口温度为40℃，设计一台锯齿形板式热水冷却器，完成该生产任务。热水：C702/6080mT冷却水：C352/4030mt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36993.60.7124.1740.6282.2计算热负荷2111TTcmQps式中ms₂=22×10⁴×10³／330×24=7.7kg/sQ=7.7×4.187×（80-60）=644.798KW2.3计算平均温差：Δtˊm=[(80-40)-(60-30)]/[㏑(80-40)/(60-30)]=34.752.4初估换热面积及初选板型-10-对于热水与冷却水的换热，列管式换热器的K值大约为8501700W/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23m10.275.3425001013.182mtKQS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。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：2304060802.03080304012211112ttTTRtTttP查单壳程的温差校正系数图，得；0.982m01.3475.3498.0mmtt初估板式换热面积23m14.201.3425001013.182mtKQS2.5核算总传热系数K2.5.1计算热水侧的对流给热系数热水在流道内的流速m/s49.01000045.08.977/175.21u当量直径mm0.100.522eD（δ为板片波纹高度，即板间距）11801000406.08.97749.001.0Re1111uDe（在285014600之间）-11-55.2668.0000406.04187Pr1111pc选用0.22m锯齿形波纹板片给热系数的计算公式3.0161.0111PrRe31.0eD（适用于146002850~Re）CW/m8351545.21180101.0668.031.023.061.012.5.2计算冷却水侧的对流给热系数冷却水的质量流量4.36kg/s3040417460804187175.