锯齿形板式热水冷却器设计

化工原理课程设计

题目： 热水冷却器的设计

学生姓名： 李 静

学 号： 0911403011

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： 2011-6-1

2011年 6月 10

日

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4 t/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85℃,出口温度60℃。

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。

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）换热工艺流程图（手绘A2），主体设备工艺条件图（手绘A1）。

目 录(小三号黑体居中)

（空一行）

1概述..............................................................................................................................

1.1板式换热器的简介...............................................................................................

1.2设计方案简介.......................................................................................................

1.3确定设计方案.......................................................................................................

1.3.1工艺流程............................................................................................................

1.3.2换热器选型........................................................................................................

1.4符号说明............................................................................................................... 2主要设备工艺计算......................................................................................................

2.1计算定性温度.......................................................................................................

2.2计算热负荷...........................................................................................................

2.3计算平均温差.......................................................................................................

2.4初估换热面积S及板型.......................................................................................

2.5核算总传热系数K ..............................................................................................

2.5.1计算热水侧的对流给热系数............................................................................

2.5.2计算冷水侧的对流给热系数............................................................................

2.5.3金属板热阻........................................................................................................

2.5.4污垢热阻............................................................................................................

2.5.5总传热系数........................................................................................................

2.6估算传热面积S ..................................................................................................

2.7计算压力降ΔP .................................................................................................. 3换热器主要技术参数和计算和结果.......................................................................... 设计评述......................................................................................................................... 参考文献......................................................................................................................... 附录................................................................................................................................. 附录1.............................................................................................................................. 附录2.............................................................................................................................. 附录3 ..............................................................

1 概述

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锯齿形板式换热器简介

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. 板式换热器的基本结构

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１．６４ 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 ２５０Ｐ

Ａ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。

1.3.1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。

1.3.2 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 kg/h WC 冷流体质量流量 kg/h CPH 热水定压比热 KJ(㎏〃℃) CPC 冷水定压比热 Kt'm 平均温差 tm 校正后的平均温差 K 总传热系数 S 换热面积 RE 雷洛准数 PR 普兰特准数 1 热流体对流传热系数 2 冷流体对流给热系数 w 材料导热系数 B 板材厚度

J(㎏〃℃)

℃

℃

W〃㎡〃℃-1 ㎡ 无因次 无因次

W〃㎡〃℃-1 W〃㎡〃℃-1

W/M〃℃

㎜

2 热水冷却器的设计工艺计算

2.1计算定性温度，并查取定性温度下的物性数据

热水：Tm8060/270C 冷却水：tm3240/236C

查化工原理附录，两流体在定性温度下的物性数据如下表

2.2计算热负荷

Qms1cp1T1T2

43

m251010/3302431566kg/h8.768kg/ss1式中

Q8.7684.1878060734.25kW

2.3计算平均温差

Δtm

8040603233.64Cln8040/6032

2.4 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2500 W/m2•℃。

初估换热面积

Q734.25103

S8.73m2

KΔtm250033.64

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0.0016m2，有效单片传热面积0.22m2。 试选组装形式

8.8

211

122。该式表示其公称换热面积为8.8m2，热水的

程数为2，每程的流道均为11；冷却水的程数为1，其流道为22。 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t14032TT28060

0.167R12.5T1t18032t2t14032

查单壳程的温差校正系数图，得φ0.97

0.9733.6432.63m2ΔtmφΔtm

初估板式换热面积

Q734.25103

S9.0m2

KΔtm250032.63

2.5核算总传热系数K

2.5.1计算热水侧的对流给热系数 热水在流道内的流速

u1

8.768/977.8

0.51m/s

0.001611

当量直径De2δ25.811.6mm（δ为板片波纹高度，即板间距）

Re1

Deu1ρ10.01160.56977.8

14248μ10.000406（在2850~14600之间）

Pr1

cp1μ1λ1



41870.000406

2.545

0.668

选用0.2m2锯齿形波纹板片给热系数的计算公式

α10.31

λ1

Re10.61Pr10.3De

（适用于Re2850~14600）

0.668

142480.612.5450.38073W/m2C0.0116

α10.31

2.5.2计算冷却水侧的对流给热系数 冷却水的质量流量

ms2

ms1cp1T1T2cp2t2t1

8.7684187806021.99kg/s

41744032

冷却水在流道内的流速

u2

21.99/993.6

0.63m/s

0.001622

Re2

Deu2ρ20.01160.63993.6

10198μ20.000712（在2850~14600之间）

Pr2

cp2μ2λ2



41740.000712

4.732

0.628

α20.31

λ20.61

Re2Pr20.4De

（适用于Re2850~14600）

0.628

101980.614.7320.48711W/m2C0.0116

α20.31

2.5.3金属板的热阻

板材为H62-1，其导热系数λw62.8W/mK，板厚b=3.5mm（估计值）。

b0.0035

0.000056m2C/Wλw62.8

2.5.4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

R10.000034m2C/WR20.000034m2C/W

2.5.5总传热系数

11



1111R1R20.0000340.0000560.000034α1λwα280738711

K

2757.3W/m2C

2.6估算传热面积

所需传热面积

Q734.25103

S8.16m2

KΔtm,逆2757.332.63

设备实际传热面积

SN10.224410.229.46m2

安全系数

9.468.16

100%16%

8.16

2.7计算压力降

查锯齿形波纹板式换热器的Δp~u曲线图 热水侧u10.51m/s时，Δp1 热水侧u20.51m/s时，Δp2 所选换热器的规格如下 所选换热器的规格为

BJ0.2

6211

/8.8100122，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…………………….……0.22m2

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…………………….0.0016m2 平均当量直径………………………….11.6mm 板片材料……………………………….H62-1

3换热器主要技术参数和计算结果

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

设计评述

本次化工原理课程设计是对锯齿形板式换热器的设计，由刘艳老师指导。经历一周，通过到图书馆查阅有关文献资料、上网搜索资料、和向老师请教以及反复的计算核实，本板式换热器的设计可以说基本完成了。回想这一周，感受颇深：

开始接到这个任务，对换热器设计没有概念。老师要求一个星期之内设计板式换热器来冷却水，对我来说实在是一项艰巨的任务，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，尤其在下面几个方面得到了很好的锻炼和培养：

一、查阅资料，选用公式和搜集数据的能力。通常设计任务书给出后，有许多数据需由设计者去搜集，有些物性参数要查取或估算，计算公式也由设计者自行选用，这就要求设计者运用各方面的知识，详细而全面的考虑后方能确定。

二、正确选用设计参数，对于课程设计不仅要求计算正确，还要

求从工程的角度综合考虑各种因素，从总体上得到最佳结果。 三、正确、迅速地进行工程计算。计算是一个反复试算的过程，计算工作量很大，因此正确与迅速必需同时强调。

四、掌握化工设计的基本程序和方法，学会用简洁的文字和适当的图表表示自己的设计思想。

在整个设计过程中，出现了很多的状况，尤其是在最初计算换热器参数的时候，反复的计算验算，但通过向老师请教，最终还是完成了核算。

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

[11] 兰州石油机械研究所.换热器(上册).北京:中国石化出版社,1992

[12] 时均等,化学工程手册(第二版,上卷).北京:化学工业出版社，1996

附录

附录1：工艺流程图

附录2： 换热器图样