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煤油换热器

煤油换热器

«材料工程原理B»课程设计

设计题目：

煤油换热器

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板式换热器设计任务书

〔一〕.设计题目

煤油换热器的设计

〔二〕原始数据及操作条件

1.处理能力7×104吨/年煤油

2.设备型式锯齿形板式换热器

3.操作条件

〔1〕煤油：

入口温度100℃，出口温度40℃

〔2〕冷却介质：

循环水，入口温度30℃，出口温度50℃

〔3〕承诺压强降：

不大于5×105Pa

〔4〕煤油定性温度下的物性数据：

密度为825㎏/m3,粘度为8.66×10-4Pa·s，比热容为2.22Kj/（㎏·℃）,导热系数为0.14W/〔m·℃〕。

〔5〕每年按330天计，每天24小时连续运行

〔三〕设计项目

选择适宜的锯齿形式板式换热器并进行核算。

第一章、板式换热器的结构特点和分析-----------------------------------5

1.1、板式换热器的结构分析-----------------------------------5

1.1.1板式换热器与管壳式换热器的比较---------------------5

1.1.2板式换热器的结构技术特点---------------------------6

1.2、板式换热器流程工作原理---------------------------------7

1.2.1流程组合的介绍-------------------------------------7

第二章、板式换热器的优缺点及实际应用------------------------------8

2.1、板式换热器的优缺点-------------------------------------8

2.2.1板式换热器的特点-----------------------------------8

2.2.2板式换热器的缺点-----------------------------------9

2.2、板式换热器的实际应用------------------------------------9

2.2.1板式换热器在制冷中的应用---------------------------9

第三章、板式换热器的选型及优化设计----------------------------------11

3.1、板式换热器选型应注意的问题-----------------------------11

3.1.1板型的选择----------------------------------------11

3.1.2流程和流道的选择----------------------------------11

3.2、板式换热器设计的优化设计------------------------------11

3.2.1板式换热器的优化方法------------------------------11

3.2.2降低换热器阻力的方法------------------------------13

3.2.3合理选用板片材质----------------------------------14

第四章、板式换热器的设计运算---------------------------------------15

4.1、设计条件----------------------------------------------15

4.2、确定物性数据-------------------------------------------15

4.3、换热器的设计运算过程-----------------------------------16

4.3.1运算热负荷----------------------------------------16

4.3.2运算平均温差〔按逆流运算〕-------------------------16

4.3.3初步估算换热面积与板型----------------------------16

4.3.4核算总传热系数K----------------------------------17

4.3.5估算传热面积--------------------------------------18

4.3.6运算压力降----------------------------------------18

第五章、辅助设备的选择及运算---------------------------------------19

5.1、泵的选择-----------------------------------------------19

5.1.1对壳程煤油所需的泵进行运算选择--------------------21

5.1.2对管程循环水所需的泵进行运算选择------------------21

附录工艺流程简图及说明----------------------------------------21

换热器参数表----------------------------------------------22

辅助设备参数表---------------------------------------------22

装配图-----------------------------------------------------23

参考文献---------------------------------------------------24

设计小结----------------------------------------------------------25

第一章板式换热器的结构特点和分析

1.1、板式换热器的结构分析

板式换热器要紧由框架和板片两大部分组成。

板片由各种材料的制成的薄板用各种不同形式的磨具压成形状各异的波浪，并在板片的四个角上开有角孔，用于介质的流道。

板片的周边及角孔处用橡胶垫片加以密封。

框架由固定压紧板、活动压紧板、上下导杆和夹紧螺栓等构成。

板式换热器是将板片以叠加的形式装在固定压紧板、活动压紧板中间，然后用夹紧螺栓夹紧而成。

1.1.1板式换热器与管壳式换热器的比较

〔1〕传热系数高

由于不同的波浪板相互倒置，构成复杂的流道，使流体在波浪板间流道内呈旋转三维流淌，能在较低的雷诺数〔一样Re=50~200〕下产生紊流，因此传热系数高，一样认为是管壳式的3~5倍。

〔2〕对数平均温差大，末端温差小

在管壳式换热器中，两种流体分别在管程和壳程内流淌，总体上是错流流淌，对数平均温差修正系数小，而板式换热器多是并流或逆流流淌方式，其修正系数也通常在0.95左右，此外，冷、热流体在板式换热器内的流淌平行于换热面、无旁流，因此使得板式换热器的末端温差小，对水换热可低于1℃，而管壳式换热器一样为5℃.

〔3〕占地面积小

板式换热器结构紧凑，单位体积内的换热面积为管壳式的2~5倍，也不像管壳式那样要预留抽出管束的检修场所，因此实现同样的换热量，板式换热器占地面积约为管壳式换热器的1/5~1/10。

〔4〕容易改变换热面积或流程组合，只要增加或减少几张板，即可达到增加或减少换热面积的目的；改变板片排列或更换几张板片，即可达到所要求的流程组合，适应新的换热工况，而管壳式换热器的传热面积几乎不可能增加。

〔5〕重量轻

板式换热器的板片厚度仅为0.4~0.8mm，而管壳式换热器的换热管的厚度为2.0~2.5mm，管壳式的壳体比板式换热器的框架重得多，板式换热器一样只有管壳式重量的1/5左右。

〔6〕价格低

采纳相同材料，在相同换热面积下，板式换热器价格比管壳式约低40%~60%。

〔7〕制作方便

板式换热器的传热板是采纳冲压加工，标准化程度高，并可大批生产，管壳式换热器一样采纳手工制作。

〔8〕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。

〔9〕热缺失小

板式换热器只有传热板的外壳板暴露在大气中，因此散热缺失能够忽略不计，也不需要保温措施。

而管壳式换热器热缺失大，需要隔热层。

〔10〕容量较小

是管壳式换热器的10%~20%。

〔11〕单位长度的压力缺失大

由于传热面之间的间隙较小，传热面上有凹凸，因此比传统的光滑管的压力缺失大。

1.1.2板式换热器的结构技术特点

板式换热器是由传热板片、密封垫片、压紧板、上下导杆、支柱、夹紧螺栓等要紧零件组成。

传热板片四个角开有角孔并镶贴密封垫片，设备夹紧时，密封垫片按流程组合形式将各传热板片密封连接，角孔处互相连通，形成迷宫式的介质通道，使换热介质在相邻的通道内逆向流淌，经强化热辐射、热对流、热传导进行充分的热交换。

由于传热片专门的结构，装配后在较低的流速下〔Re=200〕就能激起强烈的湍流，因而加快了流体边界层的破坏，强化了传热过程。

板式换热器工作压力一样为0.3MPa～1.6Mpa，工作温度一样低于160℃。

用于水蒸汽加热或冷凝时，一样在板式换热器上附加减温管式换热器，来降温爱护板式换热器的垫片，并增加蒸汽处理量。

1.2、板式换热器流程工作原理

板式换热器由于板片波浪表面的专门作用，使流体沿着狭窄弯曲的通道流淌其速度的大小方向不断的改变，致使流体在不大的流速下〔Rc=200时〕，激起了强烈端动，因而加快了流体边界层的破坏，强化了传热过程，有效地提高了传热能力。

并使其具有结构紧凑、金属耗量低、操作灵活性大、热缺失小、安装、检查拆洗方便、耐腐性强、使用寿命长等突出优点。

换热器的流程是由许多板片按一定工艺及需方技术工作要求组装而成的。

组装时A板和B板交替排列，板片间形成网状通道四个角孔形成分配管和汇合管，密封垫把冷热介质密封在换热器里，同时又合理的将冷热介质分开而不致混合。

在通道里面冷热流体间隔流淌，能够逆流也能够顺流，在流淌过程中冷热流体通过板壁进行热交换。

板式换热器的流程组合形式专门多，差不多上采纳不同的换向板片和不同组装来实现的，流程组合形式可分为单流程，多流程和汽液交换流程，混合流程形式。

要依照工艺条件来选择换热器的流程组合。

1.2.1流程组合的介绍

为了使流体在板束之间按一定的要求流淌，所有板片的四角均按要求冲孔，垫片按要求粘贴，然后有规律地排列起来，形成流体的通道，称为流程组合〔图（a）图（b）图（c）〕。

流程组合的表示方式为：

〔式1.1〕

式中：

m1，m2，n1，n2表示程数;a1,a2,b1,b2表示每程流道数；原那么上规定分子上为热流体流程，分母上为冷流体流程。

串联流程

并联流程

混合流程

第二章板式换热器的优缺点及实际应用

2.1、板式换热器的优缺点

2.1.1板式换热器的特点

（1）换热效率高,热缺失小

在最好的工况条件下,换热系数能够达到6000W/m2K,在一样的工况条件下,换热系数也能够在3000～4000W/m2K左右,是管壳式换热器的3～5倍。

设备本身不存在旁路,所有通过设备的流体都能在板片波浪的作用下形成湍流,进行充分的换热。

完成同一项换热过程,板式换热器的换热面积仅为管壳式的1/3～1/4。

（2）占地面积小重量轻

除设备本躯体积外,不需要预留额外的检修和安装空间。

换热所用板片的厚度仅为0.6～0.8mm。

同样的换热成效,板式换热器比管壳式换热器的占地面积和重量要少五分之四。

（3）污垢系数低

流体在板片间剧烈翻腾形成湍流,优秀的板片设计幸免了死区的存在,使得杂质不易在通道中沉积堵塞,保证了良好的换热成效。

（4）检修、清洗方便

换热板片通过夹紧螺柱的夹紧力组装在一起,当检修、清洗时,仅需松开夹紧螺柱即可卸下板片进行冲刷清洗。

（5）产品适用面广

设备最高耐温可达180℃,耐压2.0MPa,专门适应各种工艺过程中的加热、冷却、热回收、冷凝以及单元设备食品消毒等方面,在低品位热能回收方面,具有明显的经济效益。

各类材料的换热板片也可适应工况对腐蚀性的要求。

2.1.2板式换热器的缺点

〔1〕承诺操作压力较低，最高不超过1961kPa，否那么容易渗漏。

〔2〕操作温度不能太高，因为垫片耐热性能的限制，如对合成橡胶垫圈不高于130℃，对压缩石棉垫圈也应低于250℃。

〔3〕处理量不大，因板间距小，流道截面较小，流速亦不能过大。

板式换热器缺点是密封周边较长，容易泄漏，使用温度只能低于150℃，承担压差较小，处理量较小，一旦发觉板片结垢必须拆开清洗。

2.2、板式换热器的实际应用

2.2.1板式换热器在制冷中的应用

在制冷技术中，换热器是不可缺少的制冷设备，冷凝器、蒸发器、回热器以及中间冷却器等换热设备，不仅在重量、体积和金属耗量上占整个制冷装置的50%以上，而且对制冷性能也会产生重大阻碍。

因此强化制冷换热器的传热，减少重量和体积，降低金属消耗量一直是制冷技术中的进展方向，现已显现了一种新型的、全焊接式的板式换热器在制冷技术中的应用，同时表现出强劲的进展潜力。

与制冷用壳程管式换热器相比，除了具有板式换热器的一样特点，制冷用板式换热器还具有如下特点。

〔1〕制冷剂充灌量小，有利于环境爱护和降低运行成本。

壳管式换热器的壳侧和管侧的容积都专门大，要使制冷系统正常工作，必须充灌大量的制冷剂，而且还可能造成环境污染。

而板式换热器一方面体积小，另一方面间距尺寸也小。

〔2〕冻结倾向少，抗冻性能高。

由于水在低流速时，就能在板式换热器中形成高度紊流，温度分布专门平均，从而减少了冷冻水的冻结倾向。

即使发生了冻结，也更能承担冻结所产生的压力，而不像壳管式换热器那样容易使热管胀裂，同时能够在结冻后连续使用。

〔3〕蒸发完全，经济性高。

制冷剂在制冷板式换热器中蒸发时，专门容易实现完全蒸发达到无液态程度，因此在大多数情形下，制冷系统无须设置气液分离器。

同时极易实现单元化，安装简单方便，爱护和运输都能够节约费用，降低成本。

由于与传统的壳管式换热器相比，制冷用板式换热器具有十分明显的进展优势，自上世纪70年代开始在制冷装置中得到应用以来，差不多日益受到人们的重视，专门是许多发达国家，如欧洲、美国、日本、澳大利亚等都专门重视制冷用板式换热器的研究和应用。

日本在上世纪80年代开始研究制冷用板式换热器，并在制冷装置中使用，收到了良好的经济效益，世界上一些闻名的制冷公司如约克、开利、日立等也相继在制冷装置中采纳板式换热器。

进入20世纪90年代后，制冷用板式换热器又得到进一步进展，一种能够应用于氨制冷系统的板式换热器在瑞典斯特尔公司研制成功。

这种新型的组合式板式换热器结合了板框式和钎焊式的特点。

与氟利昂制冷系统相比，采纳这种板式换热器的氨制冷系统不仅在机组材料、体积重量上有明显的优势，而且性能系数也要高10%~20%。

目前，这种系统差不多形成了8个产品，冷量从10kw~1000kw。

氨用板式换热器的开发成功，不仅拓宽了板式换热器在制冷技术中的应用范畴，而且对爱护大气臭氧、爱护环境都有重要意义，同时也必将促进制冷技术的进一步进展。

我国自上世纪60年代初开始生产板式换热器，到1994年，以节能型产品定点的板式换热器生产厂家即达15家，同时一些厂家还进行板式蒸发器及其传热特性的研究工作，然而这些厂家也仅限于生产板框式换热器〔DHE〕。

在我国，制冷用板式换热器的应用尚处于起步时期，日前许多制冷厂家都在自己的产品中采纳了制冷用板式换热器，而且其产品广泛的受到用户青睐。

能够估量，随着对制冷用板式换热器的了解和认识，板式换热器以其高效传热，结构紧凑，节能节材并具环保功能等特点，必将越来越广泛地应用于制冷装置。

第三章板式换热器的选型及优化

3.1、板式换热器选型应注意的问题

3.1.1板型的选择

板片型式或波浪式应依照换热场合的实际需要而定。

对流量大承诺压降小的情形，应选用阻力小的板型，反之选用阻力大的板型。

依照流体压力和温度的情形，确定选择可拆卸式，依旧钎焊式。

确定板型时不宜选择单板面积太小的板片，以免板片数量过多，板间流速偏小，传热系数过低，对较大的换热器更应注意那个问题。

3.1.2流程和流道的选择

流程指板式换热器内一种介质同一流淌方向的一组并联流道，而流道指板式换热器内，相邻两板片组成的介质流淌通道。

一样情形下，将假设干个流道按并联或串联的费那个是连接起来，以形成冷、热介质通道的不同组合。

流程组合形式应依照换热和流体阻力运算，在满足工艺条件要求下确定。

尽量使冷、热水流道内的对流换热系数相等或接近，从而得到最正确的传热成效。

因为在传热表面两侧对流换热系数相等或接近时传热系数获得较大值。

尽管板式换热器各板间流速不等，但在换热和流体阻力运算时，仍以平均流速进行运算。

由于〝U〞形单流程的接管都固定在压紧板上，拆装方便。

3.2.板式换热器的优化设计方向

3.2.1板式换热器的优化方法

〔1〕提高传热效率

板式换热器是问壁传热式换热器，冷热流体通过换热器板片传热，流体与板片直截了当接触，传热方式为热传导和对流传热。

提高板式换热器传热效率的关键是提高传热系数和对数平均温差。

提高换热器传热系数只有同时提高板片冷热两侧的表面传热系数，减小污垢层热阻，选用热导率高的板片，减小板片的厚度，才能有效提高换热器的传热系数。

①提高板片的表面传热系数

由于板式换热器的波浪能使流体在较小的流速下产生湍流（雷诺数一150时），因此能获得较高的表面传热系数，表面传热系数与板片波浪的几何结构以及介质的流淌状态有关。

板片的波形包括人字形、平直形、球形等。

通过多年的研究和实验发觉，波浪断面形状为三角形（正弦形表面传热系数最大，压力降较小，受压时应力分布平均，但加工困难⋯）的人字形板片具有较高的表面传热系数，且波浪的夹角越大，板间流道内介质流速越高，表面传热系数越大。

②减小污垢层热阻

减小换热器的污垢层热阻的关键是防止板片结垢。

板片结垢厚度为1mm时，传热系数降低约10%。

因此，必须注意监测换热器冷热两侧的水质，防止板片结垢，并防止水中杂物附着在板片上。

有些供热单位为防止盗水及钢件腐蚀，在供热介质中添加药剂，因此必须注意水质和黏性药剂引起杂物沾污换热器板片。

假如水中有黏性杂物，应采纳专用过滤器进行处理。

选用药剂时，宜选择无黏性的药剂。

③选用热导率高的板片

板片材质可选择奥氏体不锈钢、钛合金、铜合金等。

不锈钢的导热性能好，热导率约14．4W/（m·K），强度高，冲压性能好，不易被氧化，价格合金和铜合金低，供热工程中使用最多，但其耐氯离子腐蚀的能力差比钛。

④减小板片厚度

板片的设计厚度与其耐腐蚀性能无关，与换热器的承压能力有关。

板片加厚，能提高换热器的承压能力。

采纳人字形板片组合时，相邻板片互相倒置，波浪相互接触，形成了密度大、分布平均的支点，板片角孑L及边缘密封结构已逐步完善，使换热器具有专门好的承压能力。

国产可拆式板式换热器最大承压能力已达到了2.5MPa。

板片厚度对传热系数阻碍专门大，厚度减小0.1mm，对称型板式换热器的总传热系数约增加600W/（m·K），非对称型约增加500W/（m·K）¨。

在满足换热器承压能力的前提下，应尽量选用较小的板片厚度。

〔2〕提高对数平均温差

板式换热器流型有逆流、顺流和混合流型（既有逆流又有顺流）。

在相同工况下，逆流时对数平均温差最大，顺流时最小，混合流型介于二者之问。

提高换热器对数平均温差的方法为尽可能采纳逆流或接近逆流的混合流型，尽可能提高热侧流体的温度，降低冷侧流体的温度。

〔3〕进出口管位置的确定

关于单流程布置的板式换热器，为检修方便，流体进出口管应尽可能布置在换热器固定端板一侧。

介质的温差越大，流体的自然对流越强，形成的滞留带的阻碍越明显，因此介质进出口位置应按热流体上进下出，冷流体下进上出布置，以减小滞留带的阻碍，提高传热效率。

3.2.2降低换热器阻力的方法

提高板问流道内介质的平均流速，可提高传热系数，减小换热器面积。

但提高流速，将加大换热器的阻力，提高循环泵的耗电量和设备造价。

循环泵的功耗与介质流速的3次方成正比，通过提高流速获得稍高的传热系数不经济。

当冷热介质流量比较大时，可采纳以下方法降低换热器的阻力，并保证有较高的传热系数。

〔1〕采纳热混合板

热混合板的板片两面波浪几何结构相同，板片按人字形波浪的夹角分为硬板（H）和软板（L），夹角（一样为120。

左右）大于90。

为硬板，夹角（一样为70。

左右）小于90。

为软板。

热混合板硬板的表面传热系数高，流体阻力大，软板那么相反。

硬板和软板进行组合，可组成高（HH）、中（HL）、低（LL）3种特性的流道，满足不同工况的需求。

冷热介质流量比较大时，采纳热混合板比采纳对称型单流程的换热器可减少板片面积。

热混合板冷热两侧的角孔直径通常相等，冷热介质流量比过大时，冷介质一侧的角孑L压力缺失专门大。

另外，热混合板设计技术难以实现精确匹配，往往导致节约板片面积有限。

因此，冷热介质流量比过大时不宜采纳热混合板。

〔2〕采纳非对称型板式换热器

对称型板式换热器由板片两面波浪几何结构相同的板片组成，形成冷热流道流通截面积相等的板式换热器。

非对称型（不等截面积型）板式换热器依照冷热流体的传热特性和压力降要求，改变板片两面波形几何结构，形成冷热流道流通截面积不等的板式换热器，宽流道一侧的角孑L直径较大。

非对称型板式换热器的传热系数下降微小，且压力降大幅减小。

冷热介质流量比较大时，采纳非对称型单流程比采纳对称型单流程的换热器可减少板片面积15%一30%。

〔3〕采纳多流程组合

当冷热介质流量较大时，能够采纳多流程组合布置，小流量一侧采纳较多的流程，以提高流速，获得较高的传热系数。

大流量一侧采纳较少的流程，以降低换热器阻力。

多流程组合显现混合流型，平均传热温差稍低。

采纳多流程组合的板式换热器的固定端板和活动端板均有接管，检修时工作量大。

〔4〕设换热器旁通管

当冷热介质流量比较大时，可在大流量一侧换热器进出口之问设旁通管，减少进入换热器流量，降低阻力。

为便于调剂，在旁通管上应安装调剂阀。

该方式应采纳逆流布置，使冷介质出换热器的温度较高，保证换热器出口合流后的冷介质温度能达到设计要求。

设换热器旁通管可保证换热器有较高的传热系数，降低换热器阻力，但调剂略繁。

〔5〕板式换热器形式的选择

换热器板间流道内介质平均流速以0．3～0．6m／s为宜，阻力以不大于100kPa为宜。

依照不同冷热介质流量比，可参照表1选用不同形式的板式换热器，表中非对称型板式换热器流道截面积比为2。

采纳对称型或非对称型、单流程或多流程板式换热器，均可设置换热器旁通管，但应经详细的热力运算。

3.2.3合理选用板片材质

不锈钢板片可能产生腐蚀失效的现象有点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀、平均腐蚀等，应力腐蚀的发生率较高。

由氯离子引起的应力腐蚀最多，板片材质可依照介质中的氯离子质量浓度按表2选用，表中304、316代表的不锈钢材料牌号为OCrl8Ni9、0Crl7Nil2Mo2，TA1代表钛合金。

第四章板式换热器的设计运算

4.1、设计条件

Ⅰ.处理能力7×104吨/年煤油

Ⅱ.设备型式锯齿形板式换热器

Ⅲ.操作条件

〔1〕煤油：

入口温度100℃，出口温度40℃

〔2〕冷却介质：

循环水，入口温度30℃，出口温度50℃

〔3〕承诺压强降：

不大于5×105Pa

〔4〕煤油定性温度下的物性数据：

密度为825㎏/m3,粘度为