化工原理课程设计 (2)

化工原理》课程设计

计题目：热水冷却器的设计 一.设计任务及操作条件

1．处理能力 2500kg/h(热水) 2．设备型式：锯齿型换热器 3．操作条件

⑴热水：入口温度80℃,出口温度55℃

⑵冷却介质：自来水，入口温度25℃，出口温度38℃ ⑶允许压强降：不大于105Pa 二.设计要求

(一)、编制一份设计说明书（打印稿），主要内容包括：

1. 前言；

2. 流程的确定和说明书（附流程简图）； 3. 生产条件的确定；

4. 换热器的设计计算，由热平衡计算传热量的大小，并确定第二种换热

流体的用量并决定流体通入的空间。

5. 算流体的定性温度，以确定流体的物性数据。初算有效平均温差。一

般先按逆流计算，然后再校核。

6. 计算传热系数K值，然后再作校核。

7. 估传热面积。常取实际传热面积是计算值的1.5-1.25倍。

8. 计算流体流动阻力。如阻力超过允许范围，需调整设计，直至满意为

止。选择适宜的锯齿型换热器并进行核算。 9. 附属设备的选型和计算； 10. 设计结果列表；

11. 设计结果的讨论和说明；

12. 注明参考和使用的设计资料； 13. 结束语。

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（二）绘制换热器装配图1张 (手绘1号图纸)

三、设计日期：2012年12月31日至2013年1月11日

1 概 述............................................................ 1

1. 1 换热器简介............................................... 1 1. 2 设计方案简介............................................. 2 1. 3 确定设计方案............................................. 2

1. 3. 1 设计流程图.......................................... 3 1. 3. 2 工艺流程简图........................................ 4 1. 3. 3 换热器选型.......................................... 4 1. 4 符号说明 .................................................. 4 2 锯齿形板式热水冷却器的工艺计算................................... 5

2.1 确定物性数据............................................... 5

2.1.1 计算定性温度.......................................... 5 2.1.2 计算热负荷............................................ 6 2. 1. 3 计算平均温差........................................ 6 2. 1. 4 初估换热面积及初选板型.............................. 6 2. 1. 5 核算总传热系数K .................................... 7 2. 1. 6 计算传热面积S ...................................... 9 2. 1. 7 压降计算........................................... 10 2.2 锯齿形板式热水冷却器主要技术参数和计算结果............... 10 3 课程设计评述................................................... 11 参考文献.......................................................... 12 附录.............................................................. 13

1 概述

1.1 换热器简介

换热器，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，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。换热器种类很多，若按换热器传热面积形状和结构可分为管式换热器和特殊形式换热器。由于生产规模、物料的性质、传热的要求等各一相同，故换热器的类型很多，特点不一、可根据生产工艺要求进行选择。

本次设计为锯齿形板式热水冷却器。板式换热器是由许多波纹形的传热板片，按一定的间隔，通过橡胶垫片压紧组成的可拆卸的换热设备。板片组装时，两组交替排列，板与板之间用粘结剂把橡胶密封板条固定好，其作用是防止流体泄漏并使两板之间形成狭窄的网形流道，换热板片压成各种波纹形，以增加换热板片面积和刚性，并能使流体在低流速成下形成湍流，以达到强化传热的效果。板上的四个角孔，形成了流体的分配管和泄集管，两种换热介质分别流入各自流道，形成逆流或并流通过每个板片进行热量的交换。板式换热器的特点包括：（1）体积小，占地面积少；（2）传热效率高；（3）组装灵活；（4）金属消耗量低；（5）热损失小；（6）拆卸、清洗、检修方便；（7）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。 1.2 设计方案简介

根据设计要求:用入口温度25℃，出口温度38℃的循环水冷却热水（热水的入口温度80℃，出口温度55℃），通过传热量、阻力损失传热系数、传热面积的计算，并结合经验值确定换热器的工艺尺寸、设备型号、规模选定，然后通过计算来确定各工艺尺寸是否符合要求，符合要求后完成工艺流程图和设备主体条件图，进而完成设计体系。

设计要求：选择一台适宜的锯齿形换热器并进行核算。下图中左面的为板式换热器外形，右边的是板式换热器工作原理图。

1

1.3 确定设计方案

1.3.1 设计流程图

确定物性常数，热负荷、冷却剂用量及平 均温差，确定换热器类型及流体流动空间 ① 估计传热系数，计算传热面积初值计算 ② 选择板式换热器板型 ③ 估计冷凝给热系数 ④ 计算管内给热系数 核算冷凝给热系数 ⑤ 总传热系数核算 计算值与假定值⑥ 相差不大 折流板计算 ⑦ 壳侧压降和管侧压降计算， 并与设计压力比较 ⑧ 压降小于 设计压力 裕度系数校验 2 计算值计算值与假定值相差较大 与假定值相差较大 压降大于设计压力 裕度过大或过小

⑨ 裕度合适

板式换热器选取合理 1.3.2 工艺流程简图 冷水

热水 锯齿形板式热水冷却器 冷水 热水 1.3.3 换热器选型

两流体温度变化情况：热流体进口温度80℃，出口温度55℃；冷流体人口温度25℃，出口温度38℃。该换热器用循环冷却水冷却，初选BJ0.2锯齿形波纹板片的板式热水冷却器。 1.4 符号说明

Pr —— 普兰特准数，无因次； Re——雷诺准数，无因次；

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a ——对流给热系数，W/（m·℃）； S——换热面积，m； Wh——热流体的质量流量，kg·s；

-1

tm`——平均传热温差；

`K——总传热系数，W/（m2·℃）； N——管子总数； H——传热面积裕度；

Q——换热器的热负荷，kw；

tm——平均传热温差，℃；

0——粘度, Pa·s；

Ri——垢阻热阻，m2·℃/W； Ri——导热热阻，m2·℃/W；λw——导热系数，W/（m2·℃）； b——管壁厚度，mm;

d——换热器直径，m； 0——密度,kg/m3 Np——管程数； Tm——定性温度，℃；

L——管子总长，m； De——当量直径,mm;

ui——循环水的流速，m/s； Wi——冷却水用量，Kg/h；

3

Cph——热流体的平均定压比热，kJ/(kg·℃)

2 锯齿形板式热水冷却器的工艺计算

将2500kg/h的热水从80℃冷却至55℃，冷却介质采用循环水，循环水入口温度25℃，出口温度为38℃，设计一台锯齿形板式热水冷却器，完成该生产任务。

2.1 确定物性数据

2.1.1首先计算定性温度，并查取定性温度下的物性数据 热水：Tm = (80+55) /2 = 67.5℃ 冷却水：tm = (25+38)/2 = 31.5℃

查化工原理附录，两流体在定性温度下的物性数据如下表:

表2.1 水的物理性质

物性 流体 热水 冷却水 定性温度Tm ℃ 67.5 31.5 密度0 kg/m3 979.7 995.2 粘度0 /10-3Pa·s 0.414 0.779 比热容Cpi kJ/(kg·K) 4.181 4.174 导热系数i W/(m·K) 0.662 0.619 2.1.2计算热负荷

Q = Wh Cph (T1-T2)

式中Wh = 2500/3600=0.694kg/s Q =0.694×4.181×(80-55)=72.54 kw 2.1.3计算平均温差（按逆流计算）

8038552535.66C

ln8038/5525tm2.1.4初估换热面积及初选板型

对于粘度小于1×10-3Pa·s的热水与循环冷却水的换热，列管式换热器的K值大约为850～1700W/m2•C，而板式热水冷却器的K值大约为为列管式换热器的2～4倍，则可初估K为2500 W/m2•C。

4

SQKtm72.54103初估换热面积

250033.660.862m2

初步选定BJ0.2锯齿形波纹板片的板式热水冷却器，其单通道流通截面积为

0.00045m2，有效单片传热面积0.10m2。

2.0110110试选组装形式。该组装形式中2.0表示其公称换热面积为2.0m2；

分子的110表示，热水的程数为1，每程的流道均为10；分母的110冷却水的程数也为1，其流道为10。

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t1T1t1382580250.151RT1T2t2t1805538251.923

图2.1 温差校正系数图

查单壳程的温差校正系数图，得0.97

0.9735.6634.59mtmtm2

3SQKtm72.5410初估板式换热面积

250034.590.84m2

2.1.5计算总传热系数K

（1）计算热水侧的对流给热系数 热水在流道内的流速当量直径

Re1u10.694/979.70.00045100.160m/s

De225.010.0mm（δ为板片波纹高度，即板间距）

Deu1110.010.160979.70.0004063861（在2850～14600之间）

5

Pr1cp11

2

如果选用0.2m锯齿形波纹板片，则其传热热系数的计算公式如下:

α10.31λ1DeRe10.61141810.0004140.6622.615Pr10.3（此公式适用于Re在2850～14600之间）

0.0138610.6110.310.6622.6150.34220.3W/m2C（2）计算冷却水侧的对流给热系数

WcWhcphT1T2cpct2t1u2

0.6944181805541743825134kg/s冷却水的质量流量

1.34/995.20.0004510冷却水在流道内的流速

ReDeu220.30m/s

0.010.30995.20.00071222cp224193.2（适用Re在2850～14600间）

4.801Pr22λ2De41740.0007120.6190.610.4

α20.31Re2Pr2（此公式适用于Re在2850～14600之间）

0.014193.20.6120.310.6194.8010.45359.6W/m2C

b（3）金属板的热阻R=w

拟选用板材为不锈钢(1Cr18Ni9Ti )，其导热系数λw=16.8W/mC，板的厚度估计为b=0.8mm（估计值），则

bR=

w0.81016.830.000048mC/W2

（4）污垢热阻

附录24 壁面污垢热阻

表2.2 冷却水的壁面污垢热阻

冷却水 单位：㎡·℃·W-1 加热液体 温度/℃ 115以下 115～205 6

水的温度/℃ 水的速度 海水 25以上 1以下 0.8598×10-4 1以上 0.8598×10-4 1.7197×10-4 0.8598-4×10 5.1590×10-4 3.4394×10-4 25以下 1以下 1.7197×10-4 3.4394×10-4 1以上 1.7197×10-4 3.4394×10-4 自来水、井1.7197水、湖水 ×10-4 蒸馏水 硬水 河水 0.8598-4×10 5.1590×10-4 5.1590×10-4 440.85980.8598-4-4×10 ×10 8.598×8.598×10-4 10-4 6.87885.1590×10-4 ×10-4 R11.719710R21.719710mC/WmC/W

22（5）总传热系数K

K11b1114220.30.000171970.0000480.0001719715359.61R1w2R2C21226.3W/m

2.1.6计算传热面积S 设备实际传热面积

SSN10.12010.11.9m2

QKtm,逆72.54103所需传热面积

1226.334.591.71m2

带入由实际传热面积和理论传热面积计算的：

1.91.71安全系数（裕度）H =

1.71100%11.1%

传热面积的裕度可满足工艺和安全的需要，故该换热器能够完成生产任务。

2.1.7 压降计算

查化工原理课程设计[5], 查0.2m2锯齿形波纹板式热水冷却器的p~u曲线图(斜率m=1.67)。

热水侧冷水侧

uh0.14m/suc0.30m/s时，

ph1275310pa55，满足要求

时，

pc2820210pa，满足要求

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故所选板式热水冷却器合理。

2.2 锯齿形板式热水冷却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，所选的锯齿形板式热水冷却器的主要技术参数和计算结果见表3-2。

表2.3 锯齿形板式热水冷却器技术参数和计算结果 换热器类型：锯齿形板式热水冷却器 换热面积(m2)：1.9 裕度：0.53% 技术参数： 物料名称 操作压强,MPa 操作温度, ℃ 流体密度, kg/m3 流速,m/s 总传热量,kW 总传热系数,W/m2·℃ 对流传热系数, W/m2·℃ 污垢系数,m2·K/W 推荐使用材料 换热器规格 外形尺寸,长×宽×高, mm 有效传热面积,m2 波纹形式 波纹高度,mm 197 BJ0.26100/2.0热水侧 0.13 80/55 979.7 0.160 72.54 1226.3 4220.3 0.00017冷水侧 0.41 38/25 995.2 0.300 5359.6 0.00017197 110110不锈钢(1Cr18Ni9Ti ) 625×235×0.8 0.10 锯齿形波纹 5.0 法向波纹节40 距,mm 流道宽度 210mm 平均板间距,mm 5.0 平均流道横截面0.00045 积,m2 平均当量直径, 10.0 mm 3 课程设计评述

本次化工原理课程设计是对2500kg/h的锯齿形板式热水冷却器的设计。按

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老师布置设计任务及操作条件严格计算与设计，我通过到图书馆查阅有关文献资料、上网搜索资料、和向老师、同学请教以及反复的计算核实，在设计的过程当中，我力求严谨、细心、准确，并作出多次修改，板式热水冷却器的设计可以说基本上完成了。

这次的在课程设计过程中我有一些体会：课程设计不同于平时的作业，在设计中需要我们自己做出决策，即自己确定方案，选择流程，查取资料，进行过程和设备计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。所以，课程设计是培养我们独立工作能力的有益实践。

通过课程设计，我知道了必须要学会以下几点：

(1)熟悉查阅文献资料、搜集有关数据、正确选用公式。

(2)在兼顾技术上先进性、可行性，经济上合理性的前提下，综合分析设计任务要求，确定化工工艺流程，进行设备选型，并提出保证过程正常、安全运行所需要的检测和计量参数，同时还要考虑改善劳动条件和环境保护的有效措施。

(3)准确而迅速地进行过程计算及主要设备的工艺设计计算。

(4)用精练的语言、简洁的文字、清晰的图表来表达自己的设计思想和计算结果。

在整个设计过程中，虽然出现了很多状况，很多方面的知识我都是临时翻书找的，也怪自己平时没有好好的实践，才临时抱佛脚了，但不管怎么样，我还是学到了很多东西，也初步形成了设计化工仪器的概念，但由于自身水平有限，错误和不当之处在所难免，恳请老师批评指正。

参考文献 ［1］ 大连理工大学化工原理教研室编.化工原理课程设计.大连理工大学出版社,1994

［2］ 柴诚敬等编.化工原理课程设计. 天津:天津科学技术出版社, 1994 ［3］ 王志祥主编.制药化工原理.北京:化学工业出版社, 2005 ［4］ 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 ［5］ 余国琮等.化工容器及设备.北京:化学工业出版社,1980

［6］ 匡国柱.史启才.化工单元过程及设备课程设计.北京:化学工业出社,1988

［7］ 朱聘冠.换热器原理及计算.北京:清华大学出版社,1987

［8］ 时均等编.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：主体设备工艺条件图

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板式换热器外形尺寸及安装图

锯齿形板式热水冷却器安装尺寸

最大 参数和型号 A B C D E F G H L 装机面积 （m）2最大流量 接口尺寸 (m/h)3 （mm） BR006K 580 228 94 420 105 3.9N+145 L+110 178 3.0N 5 20 40 10

锯齿形 纹 板 BR028K 1115 410 200 BR065K 1780 620 296 867 1293 1413 1706 157 286 320 320 L+500 L+700 L+800 L+800 F-100 290 3.1N 30 80 280 400 700 65 150 200 200 F-20 500 3.2N 160 F-60 616 3.2N 250 F-60 616 3.2N 350 波 BR09K 2007 816 376 BR11K 2300 816 376

板式换热器工作原理图

附录2：主体设备工艺流程图

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