板式换热器设计.docx

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板式换热器设计

本科毕业设计论文

题目板式换热器设计

西安交通大学城市学院

本科毕业设计（论文）任务书

题目

姓名

1.毕业设计（论文）课题的主要任务：

（1）设计的主要任务

换热器在节能、能量转换，能量回收，以及新能源利用领域里的重要性日益增加。

换热器也是工业和科研中广泛应用的换热设备之一，其设计过程要利用到传热学和流体力学的知识。

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。

板式换热器通常由薄板组装而成。

种类繁多，如：

密封式、焊接式、螺旋板式、板壳式等。

该课题要求首先对各种换热器进行比较，然后选择一种结构合理、经济耐用的换热器，完成相关的设计、计算，最后画出装配图。

通过与工程密切联系的课题研究，培养学生将实际知识利用于工程实践的能力。

（2）设计的主要目的

培养学生综合运用课程及有关选修课程基础理论和基本知识去完成板式换热器的设计任务的实践能力

（3）设计目标

设计的设备必须在技术上是可行的，经济上是合理的，环境上是友好的。

（4）设计条件

处理能力：

52t/h热污水

设备型式：

板式换热器

操作条件：

热污水：

入口温度90℃，出口温度35℃

冷却介质：

自来水，入口温度25℃，出口温度70℃

容许压强降：

不大于1MPa

每年按330天计，每天24小时连续运行

2.课题的具体工作内容（原始数据、技术要求、工作要求）：

（1）查阅相关文献资料，了解换热器的设计基本方法；

（2）对板式换热器的各种类型进行比较，然后选择一种结构合理、经济耐用的换热器，作为研究对象；

（3）根据板式换热器的特点，完成相关的设计计算，流道的选择等，写出设计过程；

A.计算总传热系数

B.计算传热面积

（4）换热器核算

（5）完成板式换热器的设计全过程；

（6）画出板式换热器的零件图；

（7）画出板式换热器的总装配图；

3.课题完成后提交的书面材料要求（论文字数，图纸规格、数量，实物样品，外文翻译字数等）：

（1）撰写出1.5万字以上的论文；

（2）零件图；

（3）装配图一张；

（4）不少于20，000印刷符号的英文翻译。

4.主要参考文献：

（1）王毅．过程装备测试技术[M]．北京：

北京大学出版社，2010

（2）马履中．机械原理与设计．北京：

机械工业出版社，2009

（3）余建祖编著．换热器原理与设计．北京航空航天大学出版社，2006

（4）沙拉、赛库里克著．程林译．换热器设计技术．北京，机械工业出版社，2010

（5）兰州石油机械研究所．板式换热器人字形波纹板片试验总结报告[J]，1972

（6）钱颂文等．换热器设计手册[M]．北京：

化学工业出版社，2002

（7）杨崇麟．板式换热器工程设计手册[M]．北京：

机械工业出版社，1995

（8）FlavioC.C,Galeazzo,RsquelY.Miura,etal.Ex-perimentalandnumericalheattransferinaplateheatexchanger.ChemicalEngineeringScience,2006,（61）:

7133-7138

（9）常春梅．国内可拆卸板式换热器现状及发展趋势．石油化工设备．2008，9（37，5）

（10）赵晓文，苏俊林．板式换热器的研究现状及进展．冶金能源．2011，1

（11）张晓锋．浅谈板式换热器．科技情报开发与经济．2009，10

（12）邹同华，杜建通．板式换热器设计选型及使用中应注意的问题．设计与安装

（13）李永新，杨峰，陈文强．板式换热器失效原因分析及维修方法．工业·生产．2006，4

要求完成日期：

年月日

指导教师（签名）：

接受任务日期：

年月日

学生（签名）：

系审批意见：

负责人签字：

年月日

摘要

本设计是以板式换热器为设计对象，主要介绍了板式换热器传热原理。

板式换热器是一种高效节能型换热设备,具有传热效率高,质量轻,占地面积小,易于维修等诸多优点。

板式换热器的设计主要包括传热设计和框架结构设计。

传热设计主要是根据介质和工况条件确定版式换热器的型号及板片的型号和介质的流动方式，而确定板片的型号关键是总传热系数K值的计算；框架结构设计是根据介质的性质、板片的尺寸和有关资料设计固定压紧板，活动压紧板，上、下导杆，夹紧螺柱等零部件的尺寸和材料，并根据有关标准规定校核各零部件的强度、稳定性。

关键词：

板式换热器，总传热系数K，压紧板

ABSTRACT

Thisdesignisdetachableplateheatexchangerfordesignobject,mainlyintroducedtheprincipleofheat,heatexchangercandisassemblepheisanefficientenergy-savingheatexchangeequipment,withheattransferefficiency,lightquality,coveranareaofanareasmall,easymaintenance,andmanyotheradvantages.Theheatexchangerdesignmainlyincludesthedesignandstructuredesignofheat.Heatisdesignedaccordingtothemediaandtheconditionsofheatexchangermodelanddeterminetheformatandmediumplatetype,anddeterminetheflowisthekeyoftheplatetypeheattransfercoefficientoftotalKvaluecalculation,Framestructureisdesignedaccordingtothepropertiesofmedium,thesizeoftheplateandtherelevantmaterialdesignpressureplatefixation,activities,andpressureplateundertheguidebarclampingluozhu,etc,thesizeofthepartsandmaterials,andaccordingtotherelevantstandardsofpartsofcheckingintensityandstability.

KEYWORDS：

Thetotalheattransfercoefficientofplateheatexchanger,pressureplate

1绪论

1.1板式换热器简介

1.2板式换热器的基本结构

1.3平板式换热器的特点

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（见图1-1）。

1.4板式换热器的应用场合

1.5板式换热器选型时应注意的问题

1.6结构原理

2板式换热器国内外研究（设计）概况及发展趋势

2.1应用前景

2.2研究状况

2.3发势展趋

3.1提高传热效率

3.2提高对数平均温差

3.3进出口管位置的确定

3.4降低换热器阻力的方法

3.5橡胶密封垫材质及安装方式

4传热工艺计算

4.1设计条件

4.2符号

4.3已知参数

4.4板片的选取

温度

t

（℃）

密度

ρ

（kg/m3）

比热容

cp

（kJ/（kg·K））

导热系数

λ

（W/（m·K））

动力粘度

μ×10－6

（Pa·s）

运动粘度

υ×10－6

（m2/s）

40

50

60

70

992.2

988.1

983.2

977.8

4.174

4.174

4.178

4.178

0.634

0.648

0.659

0.668

689.476

582.685

474.951

354.823

0.656

0.574

0.469

0.382

温度

t

（℃）

密度

ρ

（kg/m3）

比热容

cp

（kJ/（kg·K））

导热系数

λ

（W/（m·K））

动力粘度

μ×10－6

（Pa·s）

运动粘度

υ×10－6

（m2/s）

62.5

47.5

981.8

989.1

4.178

4.174

0.662

0.644

419.1

616.8

0.409

0.618

4.5总传热系数K的计算

名称

波纹形式

单位

实测参数

人字形128°

板片厚度

波纹深度

波纹法向节距

板间距

当量直径

单片有效传热面积

单流道截面积

板片材料

板片外形尺寸

mm

mm

mm

mm

mm

m2

m2

mm

1.2

6

18

6

10.7

0.3

0.0018

1150×360×1.2

4.5.3K值的计算[3]

图4-1逆流平均温差

物料

水-水

水蒸汽（或热水）-油

冷水-油

油-油

气-水

K（W/（m2·℃））

2900～4650

870～930

400～580

175～350

28～58

可拆式板式换热器设计计算书

工艺条件

冷侧

热侧

介质名称

冷清水

热污水

流量

m3/h

51.67

52

热负荷

Kw

3259

温度进→出

℃

25→70

90→35

流体类型

液

液

液

液

密度

Kg/m3

989.1

981.8

比热

KJ/kg.℃

4.174

4.178

导热系数

W/m.℃

0.644

0.62

动力粘度

x10-6Pa.S

616.8

419.1

对数平均温差

℃

14.43

计算换热面积

m2

72.85

计算传热系数

W/m2.K

4023

板片材料

密封胶垫材料

橡胶

板片数

243

压力降

MPa

0.08

0.08

流程组合

Counterflow

1x122

1x122

框架

设计压力

MPa

1

试验压力

MPa

设计温度

℃

5板式换热器结构设计及强度校核

5.1符号[5]

5.2已知参数

板片厚度：

S0=1.2

垫片中心线的展开长度：

l=3020

垫片有效密封宽度：

B=8

被垫片槽中心线包容的板片投影面积：

a2=399510

设计压力：

P=1

板间距：

b=6

板片总数：

NP=244

中间隔板数量：

n1=0

中间隔板厚度：

S2=0

垫片系数：

=1

垫片比压力：

y=1.4

5.3结构设计及强度校核

表5-1压紧板厚度

单板公称换热

面积（m2）

在设计压力下的压紧板厚度（

）

设计压力（

）

0.6

1.0

1.6

2.0

2.5

0.1

0.3

0.5

0.7

0.8

1.0

2.0

25

35

45

50

55

60

80

25

40

50

55

60

65

80

30

50

55

60

65

70

80

30

50

55

60

－

－

－

35

55

60

－

－

－

－

材料

在下列温度下（℃）的弹性模量，×103

-20

20

100

150

200

250

碳素钢（c≤0.3％）

碳素钢（c﹥0.3％）、碳锰钢

高铬钢（Cr13～Cr17）

194

208

203

192

206

201

191

203

198

189

200

195

186

196

191

183

190

187

5.4垫片

5.5支柱设计及强度校核[6]

图5-5支座

表5-3部分常用材料的a、b值

材料

a（MPa）

b（MPa）

适用范围

Q235钢

16Mn钢

铸铁

235

343

392

0.00668

0.0142

0.0361

λ=0～123

λ=0～102

λ=0～74

5.6开孔补强

接管公称外径

25

32

38

45

48

57

65

76

89

最小厚度

3.5

4.0

5.0

6.0

参考文献

王毅.过程装备测试技术[M].北京：

北京大学出版社，2010马履中.......

[5]兰州石油机械研究所.板式换热器人字形波纹板片试验总结报告[J].1972

[6]GB16409-1996.板式换热器[S]

[7]钱颂文等.换热器设计手册[M].北京：

化学工业出版社，2002

[8]FlavioC.C,Galeazzo,RsquelY.etal.Ex-perimentalandnumericalheattransferinaplateheatexchanger.ChemicalEngineeringScience,2006（61）:

7133-7138

[9]常春梅.国内可拆卸板式换热器现状及发展趋势.石油化工设备.2008，9（37，5）

[10]赵晓文，苏俊林.板式换热器的研究现状及进展.冶金能源.2011，1

[11]张晓锋.浅谈板式换热器.科技情报开发与经济.2009，10

[12]邹同华，杜建通.板式换热器设计选型及使用中应注意的问题.设计与安装

[13]李永新，杨峰，陈文强.板式换热器失效原因分析及维修方法.工业·生产，2006，4

DESIGNOFHEATEXCHANGERFORHEATRECOVERYINCHPSYSTEMS

ABSTRACT

TheobjectiveofthisresearchistoreviewissuesrelatedtothedesignofheatrecoveryunitinCombinedHeatandPower（CHP）systems.TomeetspecificneedsofCHPsystems,configurationscanbealteredtoaffectdifferentfactorsofthedesign.Beforethedesignprocesscanbegin,productspecifications,suchassteamorwaterpressuresandtemperatures,andequipment,suchasabsorptionchillersandheatexchangers,needtobeidentifiedanddefined.TheEnergyEngineeringLaboratoryoftheMechanicalEngineeringDepartmentoftheUniversityofLouisianaatLafayetteandtheLouisianaIndustrialAssessmentCenterhasbeendonatedan800kWdieselturbineanda100tonabsorptionchillerfromindustries.ThisequipmentneedstobeintegratedwithaheatexchangertoworkasaCombinedHeatandPowersystemfortheUniversitywhichwillsupplementthechilledwatersupplyandelectricity.Thedesignconstraintsoftheheatrecoveryunitarethespecificationsoftheturbineandthechillerwhichcannotbealtered.

INTRODUCTION

CombinedHeatandPower（CHP）,alsoknownascogeneration,isawaytogeneratepowerandheatsimultaneouslyandusetheheatgeneratedintheprocessforvariouspurposes.Whilethecogeneratedpowerinmechanicalorelectricalenergycanbeeithertotallyconsumedinanindustrialplantorexportedtoautilitygrid,therecoveredheatobtainedfromthethermalenergyinexhauststreamsofpowergeneratingequipmentisusedtooperateequipmentsuchasabsorptionchillers,desiccantdehumidifiers,orheatrecoveryequipmentforproducingsteamorhotwaterorforspaceand/orprocesscooling,heating,orcontrollinghumidity.Basedontheequipmentused,CHPisalsoknownbyotheracronymssuchasCHPB（CoolingHeatingandPowerforBuildings）,CCHP（CombinedCoolingHeatingandPower）,BCHP（BuildingCoolingHeatingandPower）andIES（IntegratedEnergySystems）.CHPsystemsaremuchmoreefficientthanproducingelectricandthermalpowerseparately.AccordingtotheCommercialBuildingsEnergyConsumptionSurvey,1995[14],therewere4.6millioncommercialbuildingsintheUnitedStates.Thesebuildingsconsumed5.3quadsofenergy,abouthalfofwhichwasintheformofelectricity.AnalysisofsurveydatashowsthatCHPmeetsonly3.8%ofthetotalenergyneedsofthecommercialsector.Despitethegrowingenergyneeds,theaverageefficiencyofpowergenerationhasremained33%since1960andtheaverageoverallefficiencyofgeneratingheatandelectricityusingconventionalmethodsisaround47%.Andwiththeincreaseinpricesinbothelectricityandnaturalgas,theneedforsettingupmoreCHPplantsremainsapressingissue.CHPisknowntoreducefuelcostsbyabout27%[15]COreleasedintotheatmosphere.TheobjectiveofthisresearchistoreviewissuesrelatedtothedesignofheatrecoveryunitinCombinedHeatandPower（CHP）systems.TomeetspecificneedsofCHPsystems,configurationscanbealteredtoaffectdifferentfactorsofthedesign.Beforethedesignprocesscanbegin,productspecifications,suchassteamorwaterpressuresandtemperatures,andequipment,suchasabsorptionchillersandheatexchangers,needtobeidentifiedanddefined.

TheMechanicalEngineeringDepartmentandtheIndustrialAssessmentCenterattheUniversityofLouisianaLafayettehasbeendonatedan800kWdieselturbineanda100tonabsorptionchillerfromindustries.ThisequipmentneedstobeintegratedtoworkasaCombinedHeatandPowersystemfortheUniversitywhichwillsupplementt