化工原理課程設計--熱水冷卻器的設計

1、<p><b>　　化工原理課程設計</b></p><p>　　題目： 換熱器的設計 </p><p>　　起止日期：　 2014.5—2014.6    </p><p><b>　　設計任務書</b></p&

2、gt;<p><b>　　設計題目</b></p><p><b>　　熱水冷卻器的設計</b></p><p><b>　　二、設計參數(shù)</b></p><p>　?。?）處理能力 1.8×104 t/a熱水。</p><p>　?。?）設備型式

3、 鋸齒形板式換熱器</p><p><b>　?。?）操作條件</b></p><p>　　熱水：入口溫度80℃，出口溫度60℃。</p><p>　　冷卻介質：循環(huán)水，入口溫度28℃，出口溫度40℃。</p><p>　　允許壓降：不大于105Pa。</p><p>　　每年按330天計，

4、每天24小時連續(xù)運行。</p><p><b>　　三、設計內容及要求</b></p><p><b>　　（1）計算熱負荷</b></p><p><b>　?。?）計算平均溫差</b></p><p>　　（3）初估換熱面積及初選板型</p><p>

5、;　?。?）核算總傳熱系數(shù)K</p><p>　?。?）計算傳熱面積S</p><p><b>　?。?）壓降計算</b></p><p>　?。?）板式換熱器規(guī)格選型</p><p>　?。?）附屬設備的選型</p><p>　　（9）換熱工藝流程圖，主體設備工藝條件圖。</p>

6、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1概述</b></p><p><b>　　1.1換熱器簡介</b></p><p>　　1.2設計方案簡介</p><p>　　1.3確定設計方案</p><p>　　

7、1.3.1工藝流程簡圖.................................................................................................</p><p>　　1.3.2換熱器選型...............................................................................

8、......................</p><p><b>　　1.4符號說明</b></p><p>　　2 鋸齒形板式換熱器的工藝計算</p><p>　　2.1確定物性數(shù)據(jù) </p><p>　　2.1.1計算定性溫度</p><p>　　2.1.2計算熱負荷.......

9、..............................................................................................</p><p>　　2.1.3計算平均溫差............................................................................................

10、.....</p><p>　　2.1.4初估換熱面積及初選版型 </p><p>　　2.1.5核算總傳熱系數(shù)K </p><p>　　2.1.6計算傳熱面積S </p><p>　　2.1.7 壓降計算</p><p>　　2.2板式換熱器規(guī)格選型 </p><p>　　2.3附屬

11、設備的選型</p><p>　　2.4換熱工藝流程圖、主體設備工藝條件圖 ............................................................. </p><p><b>　　3設計評述 </b></p><p><b>　　參考文

12、獻</b></p><p><b>　　附錄</b></p><p><b>　　1 概述</b></p><p><b>　　1.1換熱器簡介</b></p><p>　　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的一種新型高效換熱器。各種板片之間形

13、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。 </p><p>　　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。 </p><p>　　板式換熱器的基本結構 </p><p>　　

14、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： </p><p>　　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%。</p><p>　　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平方米左右的傳熱面積，占地面積僅為列管式換熱器的1/4-1/8。</p><p>

15、;　　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。</p><p>　　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。</p><p>　　e、 適用性強：板式換熱器板片為獨立元件，可按要

16、求隨意增減流程，形式多樣：可適用于各種不同工藝的要求。 </p><p>　　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。</p><p>　　g、 制作方便 板式換熱器的傳熱板是采用沖壓加工，標準化程度高，并可大批生產(chǎn)，管殼式換熱器一般采用手工制作。 </p><p>　　h、 容易清洗 框架式板式換熱器只要松動壓

17、緊螺栓，即可松開板束，卸下板片進行機械清洗，這對需要經(jīng)常清洗設備的換熱過程十分方便。 </p><p>　　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。 </p><p>　　3.板式換熱器的應用場合 </p><p>　　a. 制冷：用作冷凝器和蒸發(fā)器。 </p>

18、;<p>　　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。 </p><p>　　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。 </p><p>　　d. 冶金工業(yè)：鋁酸鹽母液加熱或冷卻，煉鋼工藝冷卻等。 </p><p>　　e. 機械工業(yè)：各種淬火液冷卻，減速器潤滑油冷卻等。 </p><p&

19、gt;　　f. 電力工業(yè)：高壓變壓器油冷卻，發(fā)電機軸承油冷卻等。 </p><p>　　g. 造紙工業(yè)：漂白工藝熱回收，加熱洗漿液等。 </p><p>　　h. 紡織工業(yè)：粘膠絲堿水溶液冷卻，沸騰硝化纖維冷卻等。 </p><p>　　i. 食品工業(yè)：果汁滅菌冷卻，動植物油加熱冷卻等。 </p><p>　　j. 油脂工藝：皂基常壓干燥，加

20、熱或冷卻各種工藝用液。 </p><p>　　k. 集中供熱：熱電廠廢熱區(qū)域供暖，加熱洗澡用水。 </p><p>　　l. 其他：石油、醫(yī)藥、船舶、海水淡化、地熱利用。</p><p><b>　　3.壓降校核 </b></p><p>　　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

21、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。 </p><p><b>　?。?）結構原理 </b></p><p>　　可拆卸板式換熱器是由許多沖壓有波紋薄板按一定間隔，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

22、換。 </p><p>　?。?）板式換熱器的設計特點 </p><p>　　1、高效節(jié)能：其換熱系數(shù)在3000～4500kcal/m2?°C?h，比管殼式換熱器的熱效率高3~5倍。 </p><p>　　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。 &

23、lt;/p><p>　　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。 </p><p>　　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。 </p><p>　　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

24、程，形式多樣；可適用于各種不同的、工藝的要求。 </p><p>　　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。 </p><p>　?。?）板式換熱器的應用范圍 </p><p>　　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

25、菌消毒、余熱回收等各種情況 </p><p>　　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)、電解制堿。 </p><p>　　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。 </p><p>　　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。 &

26、lt;/p><p>　　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。 </p><p>　　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(chǎn)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。 </p><p>　　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

27、冷卻，冷卻堿水溶液，粘膠絲的加熱和冷卻。 </p><p>　　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。 </p><p>　　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 </p><p>　　ix.油脂工業(yè) 加熱、冷卻合

28、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。 </p><p>　　x.電力工業(yè) 發(fā)電機軸泵冷卻，變壓器油冷卻。 </p><p>　　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） </p><p>　　xii.其 他 醫(yī)藥、石油、建陶、玻璃、水泥、地熱利用等。</p>

29、;<p>　　1.2 設計方案簡介</p><p>　　根據(jù)設計要求:用入口溫度28℃，出口溫度40℃的循環(huán)水冷卻熱水（熱水的入口溫度80℃，出口溫度60℃），通過傳熱量、阻力損失傳熱系數(shù)、傳熱面積的計算，并結合經(jīng)驗值確定換熱器的工藝尺寸、設備型號、規(guī)模選定，然后通過計算來確定各工藝尺寸是否符合要求，符合要求后完成工藝流程圖和設備主體條件圖，進而完成設計體系。</p><p>

30、;　　1.3 確定設計方案 </p><p>　　1.3.1 工藝流程 </p><p>　　1.3.2 換熱器選型</p><p>　　兩流體溫度變化情況：熱流體進口溫度80℃，出口溫度60℃；冷流體人口溫度28℃，出口溫度40℃。該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，初選BJ0.2鋸齒形波紋板片的板式熱水冷卻器。</p><p

31、><b>　　1.4 符號說明</b></p><p>　　Pr —— 普蘭特準數(shù)，無因次； Re——雷諾準數(shù)，無因次；</p><p>　　a ——對流給熱系數(shù)，W/（m2·℃）； S——換熱面積，m2；</p><p>　　Wh——熱流體的質量流量，kg·s-1 ； ——平均傳熱溫差；</

32、p><p>　　K——總傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）； N——管子總數(shù)；</p><p>　　H——傳熱面積裕度； ——平均傳熱溫差，℃；</p><p>　　Q——換熱器的熱負荷，kw； ——粘度, Pa·s；</p><p>　　Ri——垢阻熱阻，m2·℃/

33、W； Ri——導熱熱阻，m2·℃/W；λw——導熱系數(shù)，W/（m2·℃）； b——管壁厚度，mm;</p><p>　　d——換熱器直徑，m； ——密度,kg/m3</p><p>　　Np——管程數(shù)； Tm——定性溫度，℃；</p><p>

34、　　L——管子總長，m； De——當量直徑,mm;</p><p>　　ui——循環(huán)水的流速，m/s； Wi——冷卻水用量，Kg/h；</p><p>　　Cph——熱流體的平均定壓比熱，kJ/(kg·℃)</p><p>　　2 鋸齒形板式換熱器的工藝計算</p><p>　　

35、將1.8×104 t/a的熱水從80℃冷卻至60℃，冷卻介質采用循環(huán)水，循環(huán)水入口溫度28℃，出口溫度為40℃，設計一臺鋸齒形板式熱水冷卻器，完成該生產(chǎn)任務。</p><p><b>　　2.1確定物性數(shù)據(jù)</b></p><p>　　2.1.1計算定性溫度，并查取定性溫度下的物性數(shù)據(jù)</p><p>　　熱水：Tm=（80+60）/

36、2=70℃</p><p>　　冷卻水：tm=(28+40)/2=34℃</p><p>　　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:</p><p>　　表2.1 水的物理性質</p><p>　　2.1.2計算熱負荷</p><p>　　Q = Wh Cph (T1-T2)</p><

37、;p>　　式中Wh=18000000/（330*24*60*60）=0.631 kg/s</p><p>　　Q=0.631×4.187×(80-60)=52.84 kw</p><p>　　2.1.3計算平均溫差</p><p>　　2.1.4初估換熱面積及初選版型</p><p>　　對于粘度小于1×1

38、0-3Pa·s的熱水與循環(huán)冷卻水的換熱，列管式換熱器的K值大約為850～1700W/m2?，而板式熱水冷卻器的K值大約為列管式換熱器的2～4倍，則可初估K為2500 W/m2?。</p><p><b>　　初估換熱面積：</b></p><p>　　初步選定BJ0.2鋸齒形波紋板片的板式熱水冷卻器，其單通道流通截面積為0.00045m2，有效單片傳熱面積0

39、.10m2。</p><p>　　試選組裝形式。該組裝形式中2.0表示其公稱換熱面積為2.0m2；分子的表示，熱水的程數(shù)為1，每程的流道均為10；分母的冷卻水的程數(shù)也為1，其流道為10。</p><p>　　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)：</p><p>　　圖2.1.4 單殼程的溫差校正系數(shù)圖</p><p>　　查

40、溫差校正系數(shù)圖，得</p><p>　　2.1.5計算總傳熱系數(shù)K</p><p>　?。?）計算熱水側的對流給熱系數(shù)</p><p><b>　　熱水在流道內的流速</b></p><p>　　當量直徑（為板片波紋高度，即板間距）</p><p>　?。ㄔ?850～14600之間）</p&

41、gt;<p>　　如果選用0.2m2鋸齒形波紋板片，則其傳熱熱系數(shù)的計算公式如下:</p><p>　?。ù斯竭m用于Re在2850～14600之間）</p><p>　　（2）計算冷卻水側的對流給熱系數(shù)</p><p><b>　　冷卻水的質量流量</b></p><p>　　冷卻水在流道內的流速<

42、/p><p>　?。ㄟm用Re在2850～14600間）</p><p>　　（此公式適用于Re在2850～14600之間）</p><p>　?。?）金屬板的熱阻R=</p><p>　　擬選用板材為不銹鋼(1Cr18Ni9Ti )，其導熱系數(shù)λw=16.8W/m，板的厚度估計為b=0.8mm（估計值），則</p><p>

43、;<b>　　R=</b></p><p><b>　?。?）污垢熱阻</b></p><p>　　表2.2 冷卻水的壁面污垢熱阻</p><p>　　冷卻水 單位：㎡·℃·W-1</p><p><b>

44、　?。?）總傳熱系數(shù)K</b></p><p>　　2.1.6計算傳熱面積S</p><p><b>　　設備實際傳熱面積</b></p><p><b>　　所需傳熱面積</b></p><p>　　帶入由實際傳熱面積和理論傳熱面積計算的：</p><p>　　

45、安全系數(shù)（裕度）H = </p><p>　　2.1.7 壓降計算</p><p>　　查化工原理課程設計[5], 查0.2m2鋸齒形波紋板式熱水冷卻器的曲線圖(斜率m=1.67)。</p><p>　　熱水側時，，滿足要求</p><p>　　冷水側 時，，滿足要求</p><p>　　故所選板式熱水冷卻器合理。&l

46、t;/p><p>　　2.2 鋸齒形板式熱水冷卻器主要技術參數(shù)和計算結果</p><p>　　根據(jù)生產(chǎn)任務和設計要求計算，所選的鋸齒形板式熱水冷卻器的主要技術參數(shù)和計算結果見表2-3。</p><p>　　表2.3 鋸齒形板式熱水冷卻器技術參數(shù)和計算結果</p><p><b>　　3 課程設計評述</b></p

47、><p>　　本次化工原理課程設計是對年處理量1.8×104噸（按一年330天算）的鋸齒形板式熱水冷卻器的設計。按老師布置設計任務及操作條件嚴格計算與設計，我通過到圖書館查閱有關文獻資料、上網(wǎng)搜索資料、和向老師、同學請教以及反復的計算核實，在設計的過程當中，我力求嚴謹、細心、準確，并作出多次修改，板式熱水冷卻器的設計可以說基本上完成了。</p><p>　　這次的在課程設計過程中我有

48、一些體會：課程設計不同于平時的作業(yè)，在設計中需要我們自己做出決策，即自己確定方案，選擇流程，查取資料，進行過程和設備計算，并要對自己的選擇做出論證和核算，經(jīng)過反復的分析比較，擇優(yōu)選定最理想的方案和合理的設計。所以，課程設計是培養(yǎng)我們獨立工作能力的有益實踐。</p><p>　　通過課程設計，我知道了必須要學會以下幾點：</p><p>　　(1)熟悉查閱文獻資料、搜集有關數(shù)據(jù)、正確選用公式

49、。</p><p>　　(2)在兼顧技術上先進性、可行性，經(jīng)濟上合理性的前提下，綜合分析設計任務要求，確定化工工藝流程，進行設備選型，并提出保證過程正常、安全運行所需要的檢測和計量參數(shù)，同時還要考慮改善勞動條件和環(huán)境保護的有效措施。</p><p>　　(3)準確而迅速地進行過程計算及主要設備的工藝設計計算。</p><p>　　(4)用精練的語言、簡潔的文字、清晰

50、的圖表來表達自己的設計思想和計算結果。</p><p>　　在整個設計過程中，雖然出現(xiàn)了很多狀況，很多方面的知識我都是臨時翻書找的，也怪自己平時沒有好好的實踐，才臨時抱佛腳了，但不管怎么樣，我還是學到了很多東西，也初步形成了設計化工儀器的概念，但由于自身水平有限，錯誤和不當之處在所難免，懇請老師批評指正。</p><p><b>　　參考文獻</b></p>

51、;<p>　?。?］ 大連理工大學化工原理教研室編.化工原理課程設計.大連理工大學出版社,1994</p><p>　?。?］ 柴誠敬等編.化工原理課程設計. 天津:天津科學技術出版社, 1994</p><p>　　［3］ 王志祥主編.制藥化工原理.北京:化學工業(yè)出版社, 2005</p><p>　?。?］ 柴誠敬.張國亮等.化工流體流動與傳熱.

52、北京:化學工業(yè)出版社,2000</p><p>　?。?］ 余國琮等.化工容器及設備.北京:化學工業(yè)出版社,1980</p><p>　?。?］ 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)出社,1988</p><p>　?。?］ 朱聘冠.換熱器原理及計算.北京:清華大學出版社,1987</p><p>　?。?］ 時均等編