煤油冷却器板式换热器的设计.docx

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煤油冷却器板式换热器的设计

设计任务书

一、设计题目：

煤油冷却器设计

（1）设计课题工程背景：

在石油化工生产过程中，常常需要将各种石油产品如汽油、煤油、柴油等）进行冷却，本设计以某炼油厂冷却煤油产品为例，让学生熟悉列管式换热器的设计过程。

（2）设计的目的：

通过对煤油产品冷却的列管式换热器设计，达到让学生了解该换热器的结构特点，并能根据工艺要求选择适当的类型，同时还能根据传热的基本原理，选择流程，确定换热器的基本尺寸，计算传热面积以及计算流体阻力。

二、设计任务及操作条件

（1）处理能力8万吨煤油/年

（2）设备型式　板式换热器

（3）操作条件

①煤油：

入口温度140℃，出口温度45℃

②冷却介质：

自来水，入口温度30℃，出口温度50℃

③允许压强降：

不大于1.2×105Pa

④每年按300天计，每天24小时连续运行

（4）设计项目

①设计方案简介：

对确定的工艺流程及换热器型式进行简要论述。

②换热器的工艺计算：

确定换热器的传热面积。

③换热器的主要结构尺寸设计。

④主要辅助设备选型。

⑤绘制换热器总装配图。

设计任务书…………………………………………………………………....…….1

目录………………………………………………………………………….……....2

前言……………………………………………………………………………….....4

第一章、板式换热器的结构特点和分析………………………………………….5

1、板式换热器的结构分析……………………………………….…..……5

1.1板式换热器与管壳式换热器的比较………………………..….….5

1.2板式换热器的结构技术特点……………………………....…….....6

2、板式换热器流程工作原理………………………………………………8

第二章、板式换热器的优缺点及实际应用…………………………...…….…..…9

1、板式换热器的优缺点………………………………………...….…...…9

1.1板式换热器的特点……………………….………..……..………..9

1.2板式换热器的缺点……………….…............................................10

2、板式换热器的实际应用…………………………………….………….10

2.1板式换热器在制冷中的应用……………………………….……10

2.2板式换热器的应用场合……………………...………….…..…...12

第三章、板式换热器的基本数据…………………………………………….……13

1、换热器的类型选择……………………………………………….……13

2、目前换热通用型板式换热器类型……………………………….……14

3、板式换热器选型时应注意的问题…………………………………..17

4、板式换热器的优化设计方向………………………………..….……17

4.1板式换热器的优化方法…………………………..……….………17

4.2降低换热器阻力的方法………………………………....….……19

4.3橡胶密封垫材质及安装方式………………………………….…21

4.4合理选用板片材质…………………………………………..……21

第四章、板式换热器过程的设计计算……………………………......…..……..…22

1、设计条件…………………………………………...……..……………22

2、确定设计方案……………………………………………..……………22

3、确定物性数据………………………………………..………..………22

4、板式换热器的设计计算过程………………………….….………..…23

4.1热流量………………………………………….…...…..………...23

4.2平均传热温差………………………….………………….………23

4.3冷却水用量………………………….…………….……...….……23

4.4初估总传热系数K……………………….……..…..………..……23

4.5核算总传热系数K…………………………….…...………...……27

4.6计算传热面积……………………………….……….…...….……28

4.7压降计算……………………………………..………….…...……28

第五章、主体设备设计原则及分析…………..……………...…………..….……30

1、设计的一般原则………………………………………...………..……30

2、板式换热器的选型计算方法……………………………….…………30

参考文献…………………………………………..…………………….…...….......31

装配图…………………………………………..…………………….…...….......32

前言

板式换热器是一种高效紧凑的换热设备，它的应用几乎涉及到所有的工业领域，而且其类型、结构和使用范围还在不断发展。

近年来，焊接型板式换热器的紧凑性、重量轻、制冷性能好、运行成本低等优越性已越来越被人们所认识。

随着我国经济的发展，制冷技术的发展前途远大，特别是各种大型的工业制冷装置和空调用制冷装置发展迅速，这为各种制冷用板式换热器的应用提供了广阔的市场。

换热器是石油、化工、制药等工业部门中应用相当广泛的单元设备之一。

换热器的性能对产品质量、能量利用率以及系统的经济性和可靠性起着重要的作用。

面对型号众多的换热器,如何根据工艺要求选出最佳的换热器,是设计者经常遇到的问题。

随着计算机技术的迅速发展,开发用于换热器选型计算机辅助设计系统,对于在计算机上实现换热器的优化选型,深人节能、节资、以及提高设计水平和设计效率具有非常重大的意义。

我国板式换热器的研究、生产、制造,开始于60年代。

板式换热器的广泛应用,加速了我国板式换热器行业的迅速发展,但我国板式换热器设计与发达国家之间仍存在着不小的差距。

鉴于对板式换热器结构特点的了解,本文研究了板式换热器的设计方法,分析了在一定情况下炼油厂冷却煤油产品的设计过程。

第一章板式换热器的结构特点和分析

1、板式换热器的结构分析

板式换热器主要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纹，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

由于不同的波纹板相互倒置，构成复杂的流道，使流体在波纹板间流道内呈旋转三维流动，能在较低的雷诺数（一般Re=50~200）下产生紊流，所以传热系数高，一般认为是管壳式的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动，总体上是错流流动，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动方式，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动平行于换热面、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℃，而管壳式换热器一般为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，板式换热器一般只有管壳式重量的1/5左右。

（6）价格低

采用相同材料，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。

（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。

（10）容量较小

是管壳式换热器的10%~20%。

（11）单位长度的压力损失大

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损失大。

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、夹紧螺栓等主要零件组成。

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动，经强化热辐射、热对流、热传导进行充分的热交换。

由于传热片特殊的结构，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般为0.3MPa～1.6Mpa，工作温度一般低于160℃。

用于水蒸汽加热或冷凝时，一般在板式换热器上附加减温管式换热器，来降温保护板式换热器的垫片，并增加蒸汽处理量。

传热板片和密封垫片的材质一般可根据下表进行选取，也可根据用户的不同需要选择其它材料。

主要技术特点如下：

（1）传热效率高

传热板片波纹结构设计合理，有利于强化传热，可以使介质在较低流速下形成激烈的湍流状态，结垢可能性降低，传热效率高。

每平方米换热器面积可实现供需暖建筑面积500～1000平方米。

（2）占地面积小

由于传热效率高，设备结构紧凑，使得板式换热器占地面积为同等能力的管壳式换热器的40%。

（3）使用寿命长

传热板片采用免粘挂垫结构，避免了粘结剂对传热板片的腐蚀；传热板片拉伸成型时，采用非同时合模新工艺，保证了板片均匀拉伸，波纹尺寸精确，使得传热板片各部分耐腐蚀能力及机械强度均匀。

从而延长了板式换热器的使用寿命。

（4）耐压能力高

传热板片流道四周采用加强结构；相邻板片波纹波峰相互支撑，形成大量触点，接触点分布均匀提高了板片的刚性。

耐压能力提高，最高可达2.0MPa。

（5）压力阻力损失小

传热板片角孔处波纹方向科学，采用流线型设计，避免流动死区，流道当量直径大，减小了压力损失。

（6）拆卸方便、快捷

由于胶垫为免粘挂垫，板片为悬挂在上导梁，夹紧螺柱为快装式结构，在清洗设备板片时可快速拆下螺柱、移动板片来清洗板片、更换胶垫。

（7）运行安全可靠

板式换热器密封垫片利用双道密封结构，在板片夹紧状态下变形小，回弹性好，组装及维修重新组装后垫片密封可靠，换热器无内泄现象，如有外泄现象可及时发现处理。

密封垫片老化速度慢。

板式换热器是液—液、液—汽进行热交换的理想设备。

它具有换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占地面积小、安装清洗方便、应用范围广泛、使用寿命长等特点。

在相同压力损失情况下，板式换热器传热系数比管式换热器高3—5倍，占地面积为管式换热器的1/3，热回收率高达90%以上。

2、板式换热器流程工作原理

板式换热器由于板片波纹表面的特殊作用，使流体沿着狭窄弯曲的通道流动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、热损失小、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动，可以逆流也可以顺流，在流动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很多，都是采用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。

要根据工艺条件来选择换热器的流程组合。

第二章板式换热器的优缺点及实际应用

1、板式换热器的优缺点

1.1板式换热器的特点

（1）总传热系数高，因板式换热器中，板面被压制成波纹或沟槽，在低流速下（如Re=200左右）即可达到湍流，故总传热系数高，而液体阻力却增加不大，污垢热阻亦较小，对低粘度液体的传热，K值可高达7000W/（m2·K）。

（2）结构紧凑，单位体积设备提供的传热面积大。

板式换热器属于高效换热设备。

在实际应用中有两种，一种是旋压法制造的伞板式换热器，另一种是冲压法制造的平板换热器，其结构特点如下：

①板式换热器体积小、占地面积少。

板式换热器占地面积为同样换热能力的列管换热器的30%左右，若与淋洒式的排管冷却器相比就更优越。

②板式换热器传热效率高。

板式换热器能使两种热交换流体处于较低的流速下，增强扰动，激起湍流，从而强化传热，传热系数值K可达16720J/（m2•h•℃）（水对水），较之列管换热器高2~4倍。

③板式换热器组装灵活。

当生产上要求改变工艺条件和产量时，板式换热器只要增减板片数量或改变板片组装流程通道形式，即可满足要求。

④板式换热器金属消耗量低。

板式换热器主要由不锈钢或钛合金压制的传热片、密封胶垫、夹紧螺栓和压紧板整机框架等零部件组成。

板式换热器的板片每平方米消耗金属为8kg左右，而同样参数的螺旋板式换热器则需要20kg左右，其他管壳式换热器就更多了。

⑤板式换热器热损失小。

板式换热器由于仅是板片周围边暴露在大气中，所以热损失仅1%左右，不需要采用保温层。

⑥板式换热器拆卸、清洗、检修方便。

松开压紧螺母即可进行清洗维护,更换胶垫或板片。

对于容易结垢的介质，一方面由于板式换热器中的介质有激烈的湍流，其湍流临界雷诺数比一般列管式换热器低10倍左右，因而不易结垢。

（3）操作灵活性大，可以根据需要调节板片数目以增减传热面积，或以调节流道的方法，适应冷、热流体流量和温度变化的要求。

（4）加工制造容易，检修清洗方便，热损失小

1.2板式换热器的缺点

（1）允许操作压力较低，最高不超过1961kPa，否则容易渗漏。

（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℃，承受压差较小，处理量较小，一旦发现板片结垢必须拆开清洗。

2、板式换热器的实际应用

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影响。

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发展方向，现已出现了一种新型的、全焊接式的板式换热器在制冷技术中的应用，并且表现出强劲的发展潜力。

与制冷用壳程管式换热器相比，除了具有板式换热器的一般特点，制冷用板式换热器还具有如下特点。

（1）制冷剂充灌量小，有利于环境保护和降低运行成本。

壳管式换热器的壳侧和管侧的容积都很大，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，温度分布非常均匀，从而减少了冷冻水的冻结倾向。

即使发生了冻结，也更能承受冻结所产生的压力，而不像壳管式换热器那样容易使热管胀裂，并且可以在结冻后继续使用。

（3）蒸发彻底，经济性高。

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

并且极易实现单元化，安装简单方便，维护和运输都可以节约费用，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发展优势，自上世纪70年代开始在制冷装置中得到应用以来，已经日益受到人们的重视，特别是许多发达国家，如欧洲、美国、日本、澳大利亚等都非常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，世界上一些著名的制冷公司如约克、开利、日立等也相继在制冷装置中采用板式换热器。

进入20世纪90年代后，制冷用板式换热器又得到进一步发展，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，采用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，这种系统已经形成了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围，而且对保护大气臭氧、保护环境都有重要意义，同时也必将促进制冷技术的进一步发展。

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，并且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阶段，日前许多制冷厂家都在自己的产品中采用了制冷用板式换热器，而且其产品广泛的受到用户青睐。

可以预计，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基本数据

1、换热器的类型选择

换热器的类型很多，每种型式都有特定的应用范围。

在某一种场合下性能很好的换热器，如果换到另一种场合可能传热效果和性能会有很大的改变。

因此，针对具体情况正确地选择换热器的类型，是很重要的。

换热器选型时需要考虑的因素是多方面的，主要有：

（1）热负荷及流量大小

（2）流体的性质

（3）温度、压力及允许压降的范围

（4）对清洗、维修的要求

（5）设备结构、材料、尺寸、重量

（6）价格、使用安全性和寿命

在换热器选型中，除考虑上述因素外，还应对结构强度、材料来源、加工条件、密封性、安全性等方面加以考虑。

所有这些又常常是相互制约、相互影响的，通过设计的优化加以解决。

针对不同的工艺条件及操作工况，我们有时使用特殊型式的换热器或特殊的换热管，以实现降低成本的目的。

因此，应综合考虑工艺条件和机械设计的要求，正确选择合适的换热器型式来有效地减少工艺过程的能量消耗。

对工程技术人员而言，在设计换热器时，对于型式的合理选择、经济运行和降低成本等方面应有足够的重视，必要时，还得通过计算来进行技术经济指标分析、投资和操作费用对比，从而使设计达到该具体条件下的最佳设计。

板式换热器的换热面积不超过2000m2，适应性很强，其允许压力最大值为25kgf/cm2，温度可以从-40°C到200°C之间，材料主要是钛、不锈钢等。

其主要特点为结构紧凑，易维修。

在液液换热设备中传热系数较高，实际应用范围广泛。

也可于气体冷却、冷凝或沸腾传热。

此外，它还具有容量大、结构简单、造价低廉、清洗方便等优点，因此它在换热器中是最主要的型式。

板式换热器作为冷凝器主要有：

冷冻剂冷凝器、蒸汽冷凝器和烃类冷凝器。

2、目前换热通用型板式换热器类型

基本条件：

用于液体之间热交换，平均温度差大于2°C的工况。

主要型号：

BR10、BR20、BR30、BR31、BR35、BR50、BR64、BR80、BR100、BR140等。

空调系统专用型板式换热器

主要型号：

BR70C、BR170C等。

颗粒纤维介质专用型板式换热器

在酒精酿造，造纸，纺织，及其他含颗粒或纤维介质的热交换中必须采用专用大间隙无阻碍的板式换热器。

主要型号：

BPF40、BPF100、BPF170等。

低阻降冷凝专用型板式换热器

适用于各种工业气体的冷凝工艺需要，冷凝阻力非常小，又要有很高的传热系数，一般的板式换热器不能实现。

专用冷凝换热器有：

BL80、BZL140。

各国替代板片及垫片

太平洋公司按照用户的要求开发了各国板片及垫片。

可以满足各种规格进口板式换热器，板片及垫片的替代要求。

实验室适用型板式换热器

BR3、BR6等型号小型板式换热器适用于小流量的场合使用。

例如：

实验室，药品生产，机器润滑配套冷却等。

箱行半焊板式换热器系列

适用于高温，高压，真空及要求无泄漏的场合。

主要有冷凝型、自由流型、普通换热型。

3、板式换热器选型时应注意的问题

（1）板型选择

板片型式或波纹式应根据换热场合的实际需要而定。

对流量大允许压降小的情况，应选用阻力小的板型，反之选用阻力大的板型。

根据流体压力和温度的情况，确定选择可拆卸式，还是钎焊式。

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这个问题。

（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动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动通道。

一般情况下，将若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。

流程组合形式应根据换热和流体阻力计算，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，从而得到最佳的传热效果。

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。

虽然板式换热器各板间流速不等，但在换热和流体阻力计算时，仍以平均流速进行计算。

由于“U”形单流程的接管都固定在压紧板上，拆装方便。

4、板式换热器的优化设计方向

近年来，板式换热器技术日益成熟，其传热效率高，体积小，重量轻，污垢系数低，拆卸方便，板片品种多，适用范围广，在供热行业得到了广泛应用。

板式换热器按组装方式分为可拆式、焊接式、钎焊式、板壳式等。

由于可拆式板式换热器便于拆卸清洗，增减换热器面积灵活，在供热工程中使用较多。

可拆式板式换热器受橡胶密封垫耐热温度的限制，适用于水一水传热。

本文对提高可拆式板式换热器效能的优化设计进行研究。

提高板式换热器的效能是一个综合经济效益问题，应通过技术经济比较后确定。

提高换热器的传热效率和降低换热器的阻力应同时考虑，而且应合理选用板片材质和橡胶密封垫材质及安装方法，保证设备安全运行，延长设备使用寿命。

4.1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，流体与板片直接接触，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纹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纹的几何结构以及介质的流动状态有关。

板片的波形包括人字形、平直形、球形等。

经过多年的研究和实验发现，波纹断面形状为三角形（正弦形表面传热系数最大，压力降较小，受压时应力分布均匀，但加工困难⋯）的人字形板片具有较高的表面传热系数，且波纹