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板式换热器的结构设计与计算板式换热器的结构设计与计算 兰州交通大学毕业设计,论文， 摘 要 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紧凑换热器。各相邻板片之间形成薄矩形通道，通过板片进行热量交换。板式换热器的传热性能与板面的波纹形状、尺寸及流程组合方式都有密切关系。它与常规的管壳式换热器相比，在相同的流动阻力和泵功率消耗情况下，其传热系数高，结构紧密相连，占地面积小，价格低，安装便捷，易清洗，在适用的范围内有取代管壳式换热器的趋势。板式换热器应用很广，尤其是更适宜用于医药、食品、制酒、化工等工业，并且随着板型、结... 与计算 兰州交通大学毕业设计,论文， 摘 要 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紧凑换热器。各相邻板片之间形成薄矩形通道，通过板片进行热量交换。板式换热器的传热性能与板面的波纹形状、尺寸及 组合方式都有密切关系。它与常规的管壳式换热器相比，在相同的流动阻力和泵功率消耗情况下，其传热系数高，结构紧密相连，占地面积小，价格低，安装便捷，易清洗，在适用的范围内有取代管壳式换热器的趋势。板式换热器应用很广，尤其是更适宜用于医药、食品、制酒、化工等工业，并且随着板型、结构上改进，正在逐步扩大它的应用领域。 本文对板式换热器的发展及应用领域作了简要的介绍，通过板式换热器的传热原理，进行板式换热器热力计算和阻力计算，在满足了校核条件下，设计出板片波纹形式为双人字形、板片数为149片的并联流程组合的可拆卸式板式换热器。在此基础上，用AutoCAD绘制板式换热器零件图及装配图。设计的换热器工艺性好，安全可靠，便于操作、安装，成本低。 关键词:板式换热器;结构设计;传热计算;阻力计算 ? 兰州交通大学毕业设计,论文， Abstract Plate heat exchanger is a new compact and efficient heat exchanger, consists of a series of corrugated sheet metal with a certain shape made of stacked. Formed thin rectangular channels between adjacent plates, through plates exchange heat. Plate heat exchanger heat transfer performance are closely related with plate’s corrugated shape, size and process combinations. Compared with the conventional shell and tube heat exchanger, at the same flow resistance and pump power consumption, it has the advantages of high heat transfer coefficient, compact, small footprint, low price, easy to install and clean. It has the trends replace shell and tube heat exchanger within applicable range. Plate heat exchanger applications is very broad, especially more suitable for medicine, food, wine, chemical and other industries. With the improvement of plate’s shape and structural, its field of application is further expanding. In this paper, the development and applications of plate heat exchanger was made a brief introduction.Through the principles of heat transfer of the plate heat exchanger, performed thermal and resistance calculations, under meeting the checking conditions, designs detachable plate heat exchanger, that plate’s corrugated shape is double herringbone, plate number is 149, process composition is parallel. On this basis, using AutoCAD to draw plate heat exchanger parts and assembly drawings. Designed heat exchanger technology is good, safe, reliable, easy to operate, install, and low cost. Keywords: plate heat exchanger; structural design; heat transfer calculation; resistance calculation ? 兰州交通大学毕业设计,论文， 目 录 摘 要 ................................................................................................................................. I Abstract .............................................................................................................................. II 1 绪论 .............................................................................................................................. 1 1.1 板式换热器的学术背景及意义 ............................................................................ 1 1.2 我国设计制造情况 ................................................................................................ 2 1.3 国外著名厂家及其产品 ........................................................................................ 3 2 板式换热器基本构造和工作原理 .............................................................................. 6 2.1 板式换热器基本构造和工作原理 ........................................................................ 6 2.2 板式换热器分类 .................................................................................................... 6 2.3 流程组合方式 ........................................................................................................ 7 2.4 框架形式 ................................................................................................................ 9 2.5 板片 ........................................................................................................................ 9 2.6密封垫片 ............................................................................................................... 11 2.7 压紧装置 .............................................................................................................. 12 3 板式换热器的优缺点及应用 .................................................................................... 13 3.1 板式换热器的优缺点 .......................................................................................... 13 3.1.1 板式换热器的优点 .................................................................................... 13 3.1.2 板式换热器的缺点 .................................................................................... 14 3.2 板式换热器的应用 .............................................................................................. 14 4 板式换热器热力及相关计算 .................................................................................... 16 4.1 板式换热器的设计计算概述 .............................................................................. 16 4.2 传热过程 .............................................................................................................. 16 4.2.1 对流换热 .................................................................................................... 16 4.2.2 相变换热 .................................................................................................... 17 4.2.3 导热 ............................................................................................................ 18 4.3 热力计算 .............................................................................................................. 18 4.3.1 设计的基本要求 .................................................................................................... 18 4.3.2 传热计算公式 ............................................................................................ 21 4.4 板式换热器的计算 .............................................................................................. 28 4.4.1 设计工艺条件 ............................................................................................ 28 ? 兰州交通大学毕业设计,论文， 4.4.2 计算过程 .................................................................................................... 29 4.4.3 计算综述表 ................................................................................................ 33 结论 .................................................................................................................................. 37 致谢 .................................................................................................................................. 38 参考文献 .......................................................................................................................... 39 ? 兰州交通大学毕业设计,论文， 1 绪论 1.1 板式换热器的学术背景及意义 板式换热器于1878由德国发明。1886年法国人设计出通道板式换热器，并应用到葡萄酒的杀菌。1923年APV公司设计了可成批生产的铸青铜板组合的板式换热器。1930年以后，出现了用不锈钢或薄金属板压制的用垫片密封的波纹板片换热器，这样基于沟道板，跨入了现代用薄板压制的波纹板形式。早期的板式换热器大多数都用在在牛奶或啤酒处理的灭菌。1932年APV公司开始生产高温，短时的牛奶消毒设备。 与此同时，流体力学与传热学的发展对板式换热器的发展做出了重要的贡献，同时也是板式换热器设计中最重要的技术理论。如:19世纪末到20世纪初，雷诺(Reynolds)实验证实了客观存在层流和紊流，提出了雷诺数—奠定了流动阻力和损失的基础。此外，在流体、传热方面做出了突出贡献的学者还有瑞利(Reyleigh)、普朗特(Prandtl)、库 [1]塔(Kutta)、儒可夫斯基(жуковскиǔ)、钱学森、周培源等。 板式换热器的应用十分普遍，如电力，食品，医药，石油，化工等。在现代化的新技术，新工艺，新材料的持续不断的发展，以及日益严峻的能源问 ，必然需要更高性能、高 [2]参数换热设备，板式换热器将逐步扩大应用场景范围。与常规的管壳式换热器，在相同的流动阻力和泵功率消耗相比，传热系数更高，有取代管壳式换热器的趋势。 通过广泛的应用和实践，加深了板式换热器的优点的认识，随着应用拓展的进步和制造技术加快发展，板式换热器已成为一个很重要的换热设备。 [3] 近几十年来，板式热交换器的技术发展，可概括如下: (1)研究高效的波纹板片。初期的板片是铣制的沟道板，至三四十年代，才用薄金属板压制成波纹板，相继出现水平平直波纹、阶梯形波纹、弧形波纹板、人字形波纹等形式繁多的波纹板片。同一种形式的波纹，又对其波纹的断面尺寸-波纹的高度、节距、圆角等进行大量的研究，同时也发展了一些特殊用途的板片; (2)耐腐蚀耐高温的板片和垫片。目前钛，镍，钯和钛的合金材料可制成板片。垫 [4]片材料也扩大，从天然橡胶合成橡胶，氟橡胶，石棉等。 (3)提高了使用的压力和温度。材料的压力和温度承受能力的提高，大大扩大板式换热器应用场景范围，特别是在化学领域。 (4)计算板式热交换器的传热和流动阻力。研究由于流道结构的复杂性，导致在该区域的传热和流动阻力复杂的计算，大大促进板式换热器的发展。 (5)提高换热器工艺性。主要是为了更好的提高模具的制造的水平和改善板片的精度。 1 兰州交通大学毕业设计,论文， (6)发展大型板式换热器。 (7)提高板式换热器传热总体效率可能的方法的研究。 1.2 我国设计制造情况 我国板式换热器的研究、设计、制造，开始于六十年代。 1965年，兰州石油化工机器厂设计、制造了我们国家生产的第一台板式换热器，单板换 2热器面积为0.52m，板片为水平平直波纹。 1967年，兰州石油机械研究所在1971年制造了我国第一台人字形波纹板片，单板 2换热面积为0.3m的板式换热器，这对于我国板式换热器采用波纹型式的选型起了重要的作用。兰州石油机械研究所板式换热器厂是兰州石油机械研究所直属厂，现有主厂房 27000m，建于1963年，专门从事板式换热器设备的研究、制造工作，技术力量雄厚，拥有国内最先进的试验检测设备及大型油压机和其他加工设施，组成了完整的板式热交换设备的研究、生产及质保体系，确定保证产品质量的优良和高可靠性。三十年来为国内外 2各种应用领域提供近三千台、装机面积20余万m的板式换热器、板式冷凝器和板式蒸发器，产品技术性能及质量居国内领头羊。兰州石油机械研究所对板片的制造材料、板片波纹型式、单片换热面积、板式换热器的应用等方面做了研究，促进了我国板式换热器的发展。 三十年来兰州石油机械研究所板式换热器厂先后研制成功BR01、BR03、BR03A、BP07、BR03B、BR05A、BR06A、BR07A、BRS08、BR08A板式换热器、板式冷凝器和BF01、BF02板式蒸发器等多种型号、多种用途的板式设备。板片波纹的形状有人字形、双人字形、水平平直形、竖直形、鼓泡形等等，流道截面积也有相等和不相等之分。板片材质以铬镍不锈钢为主并且向耐酸、耐碱、耐各种强腐蚀的方向发展，同时将普通不锈钢的化学和电化学处理—转化膜技术应用于板片生产中，提高了不锈钢板片耐氯离子腐蚀的能力;H-RS耐高温浓硫酸材质板片、哈氏合金板片近年来在硫酸工业及离子膜烧碱生产的全部过程中得到了广泛的应用。该厂制造手段齐备，无论用任何材质压制的板片，减薄量均控制在20%以下，表面光洁平整，装配完成的设备耐压能力达到3.5MPa,实际应用压力2.5MPa。该厂出厂的产品配备的是中美合资的派克牌密封垫片，自行研制的 ?。常耐温、耐压复合垫片也在生产中得到了应用。该厂出厂的的设备使用温度为250 [5]用板式换热器参数如图1.1所示。 2 兰州交通大学毕业设计,论文， 表1.1 兰州石油机械研究所板式换热器厂主要的板式换热器 最 大 处 板片外型尺管尺寸波纹形式 板式换热最高工作单板换热单台最多 DN理量寸(长×宽) 波纹深度2器 型号 压力(MPa) 面 积(m) 板片数 3(mm × mm) (m/h) (mm) (mm) BR01 1.0 0.1 10 584×218 101 40 单人字3 BR03B 2.5 0.302 60 1157×388 101 85 单人字3.5 BR05A 2.5 0.502 200 1490×485 201 121 双人字3.8 BR06A 2.5 0.694 300 1615×585 287 163 双人字3.5 BR07A 2.5 0.694 350 1615×585 362 163 双人字3.5 BR08A 1.6 0.804 1776×679 350 150 11000(汽) 横人字5 BRS08 1.6 0.8012 400 1610×860 427 150 横人字4 天津太平洋板式换热器有限公司，专门干板式换热器以及换热器专用密封胶垫的研发和制造。在原有板式换热器制造经验基础上，引进国际先进的技术，创新研发了十余种符合国际 的板式换热器专用密封胶垫，使板式换热器的整机性能和应用场景范围得到了极大的提高和推广。根据国内外市场和企业未来的发展需要，不但可以满足各类整机用户的不同使用上的要求，同时还可以为广大板式换热器用户更好的提供各种国内外换热器厂家的板片、胶垫及维修的全方位服务。 进入二十一世纪以来，我国的板式换热器研究取得了长足的进步，在借鉴国外先进经验的同时，也逐渐形成了自己的一套设计开发模式，与世界领先技术的差距进一步缩小。我国板式换热器的制造厂家有四五十家、年产各种板式换热器数千台计，但我国的板式换热器的应用远不及国外，这与人们对板式换热器的了解程度、使用习惯以及国内产品的水平有关。七十年代，板式换热器主要使用在于食品、轻工、机械等部门;八十年代也仅仅是应用到民用建筑的集中供热;八十年代中期开始，在化工工艺流程中较苛刻的场合也出现了板式换热器的身影。由于人们对板式换热器工作原理、热力计算、校验等不熟悉的原因，使得板式换热器在开发到应用的时间跨度上，花费了较多的时间。 1.3 国外著名厂家及其产品 怎么样提高热交换效率是板式换热器的整个发展的主要方向。早期研究结构，板形和 3 兰州交通大学毕业设计,论文， [3]波纹，现在通过优化，热工计算和分析，对板式换热器材料和结构的细节优化选择。 英国APV，瑞典ALFA-LAVAL，美国OMEXEL公司等是世界上最著名的生产商，还有日本的大阪，德国GEA公司。 (1)英国APV公司。APV公司的Richard Seligman博士于1923年就成功设计了第一台工业性的板式换热器。其在国外有20个联合公司，遍及美、德、法、日、意、加等国。Seligman设计的板式换热器板片为塞里格曼沟道板。目前APV公司生产的板式 2换热器称为Paraflow，其波纹多属人字形波纹，最大单板换热面积为2.2m，单台换热 3器最大流量为2500m/h。换热器最高使用温度为260?、最大使用压力为2.0MPa、最大 2的单台换热面积为1600m。APV公司换热器产品情况如表1.2所示。 表1.2 APV公司主要的板式换热器 板片外型尺 板式换热器最高工作 单板换热 单台最多 长管尺寸 寸 长×宽 2型 号 压 力(MPa) 面 积(m) 板 片 数 (mm) (mm × mm) SR1 1.03 0.0258 570×210 150 38 HMB 0.69 0.34 1114318 187 51 SR35 1.55 0.34 1152×392 414 75 R40 1.37 0.38 1150×445 409 102,127,152 R55 2.06 0.52 1156×416 362 102 R56 0.93 0.52 1156×416 350 102 R106 0.69 1.078 1984×712 427 300 R235 0.83 2.2 2739×1107 729 400 (2)ALFA-LAVAL公司。从该公司于1930年生产的第一台板式巴氏灭菌器开始，已有60多年的历史。公司在1960年就采用了人字形波纹板片;1970年发展了钎焊板式换热器;1980年对叶片的边缘做了改造，以增强抗压能力。该公司的标准产品性能:最 3高工作所承受的压力2.5MPa;最高工作时候的温度250?;最大单台流量3600m/h;总传热系数 223500~7500W/(m?K);每台换热面积0.1~2200m;最大接管尺寸450mm。 (3)HISAKA(日阪制作所)公司。在1954年，公司研究成功EX-2型板片;现在， 4 兰州交通大学毕业设计,论文， 该公司有水平平直波纹板和人字形波纹板两种。其板式换热器技术特性见表1.3。 表1.3 HISAKA公司板式换热器技术特性 单位换热最高工作最大单台 处理量最高工作压 型号 面 积温 度 换热面积3力(MPa) m/h) (22(?) (m) (m) EX-1 0.157 23 0.4 200 15 EX-15 0.314 140 1.2 200 60 水平平直 EX-16 0.55 240 1.2 200 150 波纹板片 EX-11 0.71 460 1.2 200 150 EX-12 0.8 883 1.0 200 260 UX-01 0.087 36 1.5~2.0 200 5 UX-20 0.375 140 1.5~2.0 200 100 人字形波 UX-40 0.76 540 1.5~1.8 200 250 纹板片 UX-60 1.16 900 1~1.3 200 500 UX-80 1.70 1520 1~1.3 200 800 由各国公司的发展状况显而易见，板式换热器的整个发展，其最终目的都是围绕着怎么样提高热交换效率。早期的发展由于技术限制，主要发展的就是结构、板型，通过优化、热力计算及分析，这些优化的方法都是可行的。进入现代以后，板式换热器的发展着重于材料的选择及结构上的细节优化。 5 兰州交通大学毕业设计,论文， 2 板式换热器基本构造和工作原理 2.1 板式换热器基本构造和工作原理 板式换热器(Plate Type Heat Exchanger)的结构相对于板翅式换热器、壳管式换热器和列管式换热器最简单，它是由三个主要部件—板片、密封垫片、压紧装置(有固定压紧板、活动压紧板、压紧螺柱和螺母等)及其它一些部件，上下导杆、前支柱、轴、 [6]接管等组成，如图2.1所示。 图2.1 板式换热器的结构 板片为传热元件，垫片是密封元件，垫片粘贴在板片的垫片槽内。在固定压紧板上，交替地放置一块板片和一张垫片(按一定的顺序安装，加热板交叉放置)，然后安放活动压紧板，拧紧压紧螺栓将构成了板式换热器。上、下导杆起着定位和导向作用。板式换热器主要由框架和板片两大部分所组成。固定压紧板、活动压紧板、上下导杆、压紧装置、前支柱统称为板式换热器的框架。按一定规律排列的所有板片，称为板束。在压紧后，相邻板片的触点互相接触，使板片间保持一定的间隙，形成流体的通道。换热介质从固定压紧板、活动压紧板上的接管中出入，并相间地进入板片之间的流体通道，进行热交换。 2.2 板式换热器分类 [7]板式换热器的型式主要有框架式(可拆卸式)和钎焊式两大类。 图2.1所示板式换热器为可拆式板式换热器。其原理是在上导杆处安装了活动滑轮、顶压装置，在增减板片的时候，能够最终靠该滑轮调节换热器内可安装板片数量，顶压装置加固整体结构牢固性;而对于一些小型的板式换热器，则没有该装置，而是直接 6 兰州交通大学毕业设计,论文， 地将固定压紧板和活动压紧板通过导杆固定连接起来，这种结构没有清洗空间，清洗、检查时，板片不能挂在导杆上，虽然这样的结构轻便简易，但对大型的、需经常清洗的板式换热器不太适用。 钎焊式板式换热器是在传统框架式板式换热器基础上演变而来，但摒弃了垫片和框式部件。钎焊式板式换热器几乎所有的材料都进行热交换。这种换热器采用紧凑耐用的设计，而且安装便捷，常规使用的寿命长，运行性能好价格低，大范围的应用于冷藏厂房的制冷设备。其在每个触点上都进行钎焊，以确保达到最佳热交换效率以及耐压性。结构如图2-2所示。 图2.2 钎焊式板式换热器 对于要进行两种以上介质换热的板式换热器，则需要设置中间隔板。 在乳品加工的巴氏灭菌器中，为增加在灭菌温度下乳品的停留时间，常常要在灭菌器的特定位置上安装延迟板。 2.3 流程组合方式 流程是指在相同的流体相同流动方向的一组平行流动通道，流道是相邻的两个板组成的间隙内的介质流动通道。一般地，由多个流道并联或串联连接在一起以形成不同的热、冷介质流道的组合。为了使流体在板束之间按一定的要求流动，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2.3[a]、[b]、[c]是典型的排列方式。板束中板片的数量和排列方式，由设计确定。从图可见，垫片不仅起到密封作用，还起到流体在板间流动的导向作用。流程组合 [8]就是板片数量和排列方式的有机组合，并以数学形式表示为: 7 兰州交通大学毕业设计,论文， MNMNMN，，，，,,,，，1122ii(1.1) mnmnmn，，，，,,,，，1122ii 式中:M，M，…M:从固定压紧板开始，甲流体侧流道数相等的流程数; 12i N，N，…Ni:M，M，…M中的流道数; 1212i m，m，…m:从固定压紧板开始，乙流体侧流道数相等的流程数; 12i n，n，…ni:m，m，…mi中的流道数。 1212 (a)串联流程 (b)并联流程 (c)混合流程 图2.3 典型的流程组合 8 兰州交通大学毕业设计,论文， 2.4 框架形式 框架用在所有板式换热器，在各种框架如图2.4所示，尤其是(a)和(e)中，更常用。应用于乳制品等饮食业中的板式换热器，往往是两个或更多的中等介质传热，所以要设置中间隔板，中间隔板取决于加热介质类型和数量，这另一个取决于工作所承受的压力不是高，以及需要拆卸清洗的时候，所以常常用顶杆式。作为板式换热器的骨骼，起到支撑整体作用。 (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) 图(a)双支撑框架式;图(b)带中间隔板双撑框架式;图(c)带中间隔板三撑框架式;图(d)悬臂式;图(e)顶杆式; 图(f)带中间隔板顶杆式;图(g)活动压紧板落地式。 图2.4 框架主要形式 由于本文是水—水换热，不需要设置中间隔板，工作所承受的压力和工作时候的温度不是很高，不需经常拆卸和清洗，优先采用双支撑框架式。 2.5 板片 板式换热器的核心部件板片，冷、热流体交换发生在板上，所以它是传热元件，此外它也跨越承受两边压力差。它主要设计用于两个因素:(1)在流体中以低速出现剧烈湍流的发生，以提高热传递。(2)增加该板的刚度，更高的压力的能力。由于板式换热器的出现，人们设想各种各样的形式的波纹板片，以达到板片高的传热效率高，低流体阻力，高压力容量。 板片有各种各样的板型，根据波纹板的几何形状区分，有水平直线波纹，人字形波纹，斜道波纹和其它波纹板。通过板间流体流动的形式区分，有管状流，带装流动，网 9 兰州交通大学毕业设计,论文， [6]线流动板片。先介绍几个典型的板片情况。 人字形板，它的断面形状通常是三角形，有单人字形和双人字形，人字形间通常是120?。板式换热器组装时，每相邻两板片是相互倒置的，从而形成网状触点，并使通道中流体形成网状流。装配后相邻两板片间能形成数以千计的触点，所以人字形板片能在较高压力下工作。流体从板片一端上的一个角孔流入，如果从另一端同一侧上的角孔流出，称为单边流动，如果从另一端另一侧的角孔流出，称为对角流动。人字板的刚性好，传热性能好，缺点是流阻大，不适合含有颗粒或纤维的流体。 水平平直波纹板，断面形状是等腰三角形。它有良好的传热和流体力学性能，传热 2系数高达5800W/(m?K)(水—水，不考虑污垢热阻)。其他断面形状有有褶三角式波纹、阶梯形波纹。 锯齿形板，其特点是组装后流道横截面积不变，因而阻力小，可以高速下运行，刚度大，支撑触点多。它的缺点是板片结构较为复杂，需要两套模具。 很常见的板片部分特点:(1)具有凸状的波纹，促进传热效果。(2)有流体进出孔，称为“角孔”，一般为圆形。大板以减少流动阻力往往做成三角形。(3)板片四周和角孔处的密封槽，放置密封垫圈。(4)悬挂装置，在板片上端直接冲梯形缺口挂于异形横梁上。 (a)人字波纹板 (b)水平平直波纹板 图2.5 两种常用板片示图 板的材料有碳钢、不锈钢、铝及其合金、黄铜、镍、钼、钛等。目前使用最广泛的是不锈钢。因为钛的耐腐蚀和抗老化性能好，特别是在含氯介质中，近年来研制了钛板热交换器。 10 兰州交通大学毕业设计,论文， 板片的厚度通常为0.5~1.5mm。制造板式换热器的关键板片的成形，目前几乎是冲压型板。普通板片，如表2.1所示。 [9]表2.1 板片材料 不锈钢SUS304/316/316L/310S/904 净水、河川水、食用油、矿物质 SM0254 稀硫酸、无机水溶液 钛及钛钯合金TAi/TAi-Pd 海水、盐水、盐化 镍Ni200 高温、高浓度苛性钠 哈氏合金C276/D205/B2G 浓硫酸、盐酸、磷酸 钼Mo254 稀硫酸、无机水溶液 石墨 盐酸、中浓度硫酸、磷酸、氟酸 2.6密封垫片 板式换热器垫片(如图2.6所示)是一个关键的部分。板式换热器运行的温度基本上取决于垫片能承受的温度;板式换热器的操作压力在相当程度上受到垫片限制。从板 2热交换器结构分析，密封周边的长度(m)是传热面积(m)6~8倍以上，高于别的类型的热交换器。密封垫片防范流体的外露和两流体间内漏，它安装在密封槽中，在运行中承受高压和高温，还有流体的腐蚀，此外在经过反复拆装后还要求拥有非常良好的弹性。对垫片的要求除了耐腐蚀、耐高温外，还需要其它物理性能满足下列要求:根据使用压力的不同，硬度一般应在65~90邵氏硬度，压缩永久变形量不大于10,，拉伸强度?80bar，伸长率?200,。板式换热器发生的故障，很少是板或其它部件的损坏，主要是垫片的问题，如脱垫、伸长、老化、断裂。所以对于板式换热器的垫片具有特别的要求。聚四氟乙烯或其它塑料、金属垫片都不合适，普遍的使用的是天然橡胶、丁基橡胶、三元乙丙橡、氨丁橡胶、硅橡胶等，它们的使用温度都在80~150?以下。近年来，开发了压缩石棉垫和石棉橡胶垫，工作时候的温度可达260~300?。随着工艺对工作所承受的压力和温度更高的要求，板式换热器的密封结构的改进已成为一个新的研究方向。密封垫片之所以显得这么突出， 2是因为它的密封周边很长。如果一台配有200块板片，每片面积0.5m的板式换热器，其密封垫片的总长度达到约900m。考虑到其频繁的拆卸和清洗，保证不泄露并不是特别容易。为越来越好的防止泄漏，在密封垫上采用双重密封。为了可以检测泄漏，许多制造商在垫片上开槽(通常被称为“信号孔”)，一旦流体泄漏，流体首先由此泄出。 11 兰州交通大学毕业设计,论文， 图2.6 密封垫片 大多数垫片是从非金属板裁剪下来的，或由专业工厂按规定尺寸制作，常用垫片的使用最高温度及使用流体为如表2.2所示。 [10]表2.2 垫片材质 材质 适用流体 适用最高温度 110-140? 丁腈橡胶(NBR) 水、海水、矿物质、盐水 180? 丁苯橡胶(SBR) 一般非油介质 140? 丁基橡胶(RCB) 有机酸、无机酸、浓碱液 150? 乙丙橡胶(EPDM) 酸、碱、酮溶液、醇类 150-170? 三元乙丙胶 热水、蒸汽、酸、碱 180? 氟橡胶 高温水、酸、碱、有机溶剂 130? 氯丁橡胶 酸、碱、矿物质、润滑油 180-220? 硅橡胶 食品、油、脂肪、酒精 250-260? 石棉 常见流体 2.7 压紧装置 压紧装置包含活动压紧板、固定压紧板、夹紧螺杆。用于压紧垫圈，密封性好，在工作时不泄露，通过旋紧螺栓产生压紧力。在制造成本中，压紧装置占了相当大的比例。应注意板片尺寸和符合的关系，采用数量多的面积小的板片，可使压紧装置费用降低。现在有电动和液压的压紧装置，使板片的拆卸和压缩自动进行。 12 兰州交通大学毕业设计,论文， 3 板式换热器的优缺点及应用 3.1 板式换热器的优缺点 板式换热器是以波纹板作为传热面，在流道中布满网状触点，流体沿着板间狭窄弯曲、犹如迷宫式的通道流动，其速度大小和方向不断改变，形成强烈的湍流，从而破坏边界层，减少界面液膜热阻，并使固体颗粒悬浮，不易沉积，有效地强化了传热，因此，它比管壳式等别的类型换热器具有很多独特的优点。 3.1.1 板式换热器的优点 (1)传热系数高，需少量的冷却水。管壳式流体通过壳体挡板-管，管束-外壳之间的形成旁路，热量交换不充分。板式换热器不存在旁路，板片相互颠倒，这种特殊的结构和装配方法，流体在流经相邻两板间的通道时形成复杂三维旋转流动，流动方向和流速大小是变化的，能使流体以较低的雷诺数在板片中形成急剧湍流，热传导快，传热系 2数高，促进传热。板式换热器的总传热系数K一般为2330~5810 W /(m?K)，可高达 226980~8150W/(m?K)，而管壳式换热器K =1400~2790W/(m?K)，是管壳式换热器的 [11]2~3倍以上。在相同的压力损失下，板式换热器是壳管式换热器6~7倍。 (2)对数平均温差大，末端温差小。管壳式换热器的流体分别在管中(多流)和壳中(混合流动)流动，整体上是错流流动。这导致了需要对数平均温差修正系数(较小)，而板式换热器是逆流或并流的流动方式，并且具有更高的传热系数，强烈湍流，修正系数大。此外，板式换热器的冷、热流体流动平行于表面，没有旁路，冷、热流体之间的温度非常接近的，温差极小，温差接近1~3? ，因此它可以当作低温换热器的回收器。 (3)结构紧密相连，占地面积小。板式换热器每单位体积换热面积为管壳式换热器的2~5倍，也不像管壳式需要腾出检修场所，板片拆卸简单，出现一些明显的异常问题可以本地解决，方便快捷。实现相同的传热量，板式热交换器面积是管壳式换热器的1/5到1/10。 (4)容易改变换热面积和流程，适应能力强。根据生产的基本工艺的要求而方便地增加或减少几板，就能轻松实现增大或减小传热面积的目的;改变或替换一些板片的布置，可以变化流程组合，适合于新的换热条件，而管壳式换热器增加传热面积几乎是不可能的。 (5)结构紧密相连，重量轻。板式换热器板片由薄金属片压制(仅0.4~0.8mm的厚度)，波纹板大幅度提升了有效换热面积，单位体积可以容纳更多热量。因此，体积小，安装空间小，板式换热器本身的材料成本低。管壳式换热器管的厚度为2.0~2.5毫米。 (6)投资小，价格低。在相同的材料，相同的换热面积下，板式换热器的价格的是管壳式40,至60,，维护费用也低。 13 兰州交通大学毕业设计,论文， (7)方便生产。板式换热器的换热板片是冲压的，标准化程度高，批量化生产，管壳式换热器常用手工制作。 (8)易清洁，易维护。框架板式换热器的板片悬置在横梁上，压紧板侧有一个滚动装置，只要螺栓松动，能轻松地打开并取出板片，清洗或更换板片，需要经常清洗设备的场合是十分便捷的。 (9)热损失小。由于板式换热器只有板片外面和垫片暴露在大气中，热量损失小， [12]通常在1,左右，可以不采取保温措施，管壳式换热器热损失大，则需要保温层。 (10)不易结垢。由于内部充分湍流，所以易于扩散，并且其结垢系数仅为管壳式热交换器的1/3至1/10。 (11)安全系数高。如果发生泄漏时，流体能够最终靠板上的孔被排到外部。 3.1.2 板式换热器的缺点 (1)容量较小，是管壳式换热器的10%~20%。 (2)单位长度的压力损失大。由于传热面间的间隙较小，传热面上有凹凸状波纹，因此比传统的光滑管的压力损失大。 (3)工作所承受的压力不宜过大，有可能泄露。板式换热器是靠垫片进行密封的，密封的周边很长，而且角孔的两道密封处的支撑情况较差，垫片得不到足够的压紧力，所以目前 2板式换热器的最高工作所承受的压力仅为2.5MPa;单板面积在1m以上时，其工作所承受的压力往往低于2.5MPa。 (4)工作时候的温度不宜过高。板式换热器工作时候的温度决定于密封垫片能承受的温度，温度高，有可能泄露。橡胶垫片最高工作时候的温度在200?以下;用压缩石棉绒垫片(Caf)时，最高工作时候的温度为250~260?。 (5)易堵塞。由于板片间通道很窄，一般只有2~5mm，不宜于进行易堵塞通道的介质的换热，当换热介质中含有较大的固体颗粒或纤维物质，就容易堵塞板间通道。对这种换热场合，应考虑在入口安装过滤装置，或采用再生冷却系统。 3.2 板式换热器的应用 早期的板式换热器只适用于牛奶，果汁加工，酿酒等轻工业高温消毒。由于发展的需要，要提高板片的耐蚀性和耐热性，密封材料的耐腐的能力，板片变得更大。现代板式换热器大范围的应用于各个行业，应用于液—液，气—液，气—液传热，蒸发，冷凝等工艺。 如:化学工业，食品制造业，冶金工业，石油工业，矿山，电厂，核电厂，海上石油平台，机械工业，生活污水处理，医药，化工，造纸，纺织，船舶，供热等领域，可加 14 兰州交通大学毕业设计,论文， 热，冷却，蒸发，浓缩，杀菌，热回收等。 板式换热器的应用场合: (1)冷却:冷凝器，蒸发器。 (2)空调:在热交换器中的中间锅炉和高层建筑。 (3)化工行业:制造二氧化钛，酒精发酵，氨，树脂及橡胶，冷磷酸，烧碱行业。 (4)冶金行业:铝液加热和冷却，冷却铝酸钠。 (5)机械工业:淬火液的冷却，冷却机，润滑油，燃料油等发动机。 (6)电力工业:高压变压器油冷却，发电机轴承油冷却。 (7)造纸工业:盐漂白，余热回收玻璃纸，冷却的氢氧化钠水溶液，使废气中冷凝，预热纸浆状浓缩废物。 (8)纺织行业:冷却磷酸盐纤维，粘胶纤维的加热和冷却，冷却醋酸。 (9)食品制造业:盐，乳制品，酱油，醋，啤酒，糖，制造谷氨酸钠。 (10)油工艺:常压干燥肥皂，合成洗涤剂，鲸油加热，冷却植物油，冷却甘油。 [13] (11)中央供气:火电厂的余热用于区域供热，生活热水，集中供暖。 (12)太阳能产业:参与的传热介质，如乙二醇防冻液的热交换过程。 (13)钢铁行业:冷却淬火油，电镀液，减速器润滑油，拉丝机冷却液。 (14)造船:柴油发动机，活塞等冷却器，预热器，海水淡化。 (15)水产养殖:加热锅炉，这样做才能够节约使用煤炭，节能和环保。 其他:石油，医药，海水淡化，地热利用，陶瓷，玻璃，水泥等。 15 兰州交通大学毕业设计,论文， 4 板式换热器热力及相关计算 4.1 板式换热器的设计计算概述 板式热交换器的计算主要为设计计算，在作设计计算前，应具备以下资料: (1) 选择一种板片型号，并确定板片的主要几何参数，如板片外观尺寸、波纹形式、单板有效换热面积、当量直径或板间距、单通道横截面积及通道长度等。 (2) 适用介质种类与适用温度，压力范围。 (3) 该板片的传热和阻力特性曲线，计算关联准则式。 设计计算时，换热器的流程组合及结构尺寸未定，冷、热流体的流量、进出口温度六个量需要给定五个。还要给定最大许用压力损失，设计温度。然后查平均工作时候的温度下的有关物性数据，最重要的包含:密度、比热容、导热系数及粘度。算出热负荷，计算对数平均温差，确定温差修正系数，算出六个量中的未知量。然后假定冷、热流体的流程数、流道数，假定冷、热流体板间流速，算得该流速下的雷诺数，努塞尔数，两侧对流换热系数，然后求出总的传热系数，由计算出的换热系数确定出实际所需的换热面积并校核，如果和要求面积相差很小，可以认为计算正确，这样做才能够求出板片数。然后根据板间流速初值确定流体需要的总的流道截面积。由板片数，可算出所需的并联通道数。流道数、板片应凑成整数。如果面积相差很大，重新计算。接下来就可以用相应的阻力系数和准则关系式计算出压力损失并校核。如果压力损失超过许用的数值，则将流速取低一些重新计算。流速取低，将使传热系数降低，换热面积增大，板片数增多。新的结果再与许用阻力相比，如不合适就再重新计算，一直到满意为止。如果所得的阻力远低于给定值， [14]这在某种程度上预示着换热器换热效果差，这时应增加板间流速，即换热器设计也须重新计算。 4.2 传热过程 板式换热器中冷、热流体之间的换热一般都是通过流体的对流换热(或相变换热)、垢层及板片的导热来完成的，由于参与传热的流体通常都是液体而不是气体，故不存在辐射换热。 4.2.1 对流换热 对流和导热都是传热的基本方式。对于工程上的传热过程，流体总是和固体壁面直接相接触的。因此，热量的传递一种原因是依靠流体质点的不断运动的混合，即所谓的对流作用;另一方面依靠由于流体和壁面以及流体各处存在温差面造成的导热作用。这种对流和导热同时存在的过程，称为对流换热。 16 兰州交通大学毕业设计,论文， 由于引起流体流动的原因不同而使对流换热的情况有很大的差异，所以将对流换热分为两大类。一类是自然对流(或称自由流动)换热，即因流体各部分温度不同引起的密度差异所产生的流动换热，如:空气沿散热器表面的自然对流换热;另一类是强制对流(或称为强迫流动)换热，即流体在泵或风机等外力作用下流动时的换热，如:热水在泵的驱动下，在管内流动时的换热。正常的情况下，强制流动时，流体的流速高于自由流动时，所以强制流动的对流换热系数高。如:空气的自由流动换热系数约为 225~25W/(mK)，而它的强制流动传热系数为10~100W/(mK)。 ,, 影响对流换热的因素很多，如流体的物性(比热容、导热系数、密度、粘度等)，换热器表面形状、大小，流体的流动方式，都会影响对流换热，而且情况很复杂。在传 [14]热计算上为了方便，建立了以下的对流换热量的计算公式(牛顿冷却公式): QttF,,,()(4.1) wf 式中:Q—换热量，W; 2 α—对流换热系数，W/(m?K) ; t、t—分别为壁面温度与流体温度，?; wf 2 F—换热面积，m。 由该公式可见，影响对流换热的因素都被归结到对流换热系数中，对流换热系数数值上的大小反映了对流换热的强弱。 4.2.2 相变换热 在对流换热中发生着蒸汽的凝结或液体的沸腾(或蒸发)的换热过程，统称为相变换热。由于在这类换热过程中，同时发生着物态的变化，情况要比单相流体中的对流换热复杂得多，所以，相变换热问题成为一个独立的研究领域，而一般的对流换热问题也就仅指单相流体而言。 (1)凝结换热 蒸汽和低于相应压力下饱和温度的壁面相接触，在壁面上就会发生凝结。蒸汽释放出汽化潜热而凝结成液体，这种放热现象称为凝结换热。 按照蒸汽在壁面上的凝结形式不同，可分为两种凝结。一种为膜状凝结，即凝结液能很好地润湿壁面，凝结液以颗粒状液珠的形式附着在壁面上，如水蒸汽在有油的壁面上凝结情况。膜状凝结时所释放开来的潜热一定要通过凝结膜才能供给较低温度的壁面，显然，这层液膜成为一项热阻。而珠状凝结时，换热是在蒸汽与液珠表面和蒸汽与的冷壁间进行的，所以膜状凝结传热系数要比珠状凝结传热系数低，如:水蒸汽在大气 17 兰州交通大学毕业设计,论文， 24压下，膜状凝结传热系数约为W/(m?K)，但是在工业过程中，一般都是膜状600010， 凝结，除非对壁面进行预处理或在蒸汽中加入促进剂。 (2)沸腾换热 液体在受热情况下产生的沸腾或蒸发吸热过程，称为沸腾换热，这是一种流体由液相转变为气相的换热过程。 液体在受热表面上的沸腾可分为大空间沸腾(池沸腾)和有限空间沸腾(强迫对流沸腾)。不论哪种沸腾，又都有过冷沸腾和饱和沸腾之分。过冷沸腾是在液体主流温度不高于相应压力下的饱和温度而加热壁面温度已超过饱和温度的条件下所发生的沸腾现象。饱和沸腾则是液体的主流温度超过了饱和温度，从加热壁面产生的气泡不再被液体重新凝结的沸腾。 4.2.3 导热 在板式换热器中，板片及垢层的传热均属于导热。由于板片及垢层的厚度和板面尺 [14]寸相比很小，所以导热过程可认为是沿厚度方向的一维导热，其计算公式为: (4.2) QFt,,, 式中:Q—换热量,W; λ—导热系数，W/(m?K) ; Δt—导热温差，?; 2 F—换热面积，m。 4.3 热力计算 热力计算的目的是使所设计的换热器在服从传热方程式的基础上能够很好的满足热负荷所应具有的换热面积、传热系数、总传热系数、平均温差等综合方面的计算。 4.3.1 设计的基本要求 (1)板间流速 板间流体的流速，影响传热性能和压降，高的传热系数的同时也增加了流体的阻力;反之，相反。一般平均流速0.2~0.8m/s(主线m/s，流体达到湍流状态和形成较大的死角区，流速过高会导致压力降飞速增加。具体设计时，可以先确定一个流速，计算其阻力降是否在给定的范围内;也可按给定的压力降求出流速的初选值。在阻力降容许的情况下取大值，以提高对流传热系数，从而减小换热面积，节省设备投资。 18 兰州交通大学毕业设计,论文， (2)流程组合 板式换热器一般是对称的流道，两流体体积流量大约一致，应安排等流程;如果流的两侧之间的流量差异大，流量小的一侧可以布局更多流程。一侧是相变流体，板式热交换器通常是单程的。多通道热交换器中，除非特别需要，通常在每个流程中相同的流体应该采取同样的流道数。 给定的总的允许压力降，多程布置使得相应的每个流程允许压降变得更小，从而迫使流速降低，对传热不利。此外，不等程安排是降低平均温差的一个重要原因，应尽可能避免。 并联流道数的数目由给定流量及选取的流速而定，流速决定于可受允许压降，小于给定的流速时，流道的数目取决于流量大小。 由于单流程并联式流程的结构相对比较简单，所以本设计选单流程并联式流程组合方式来进行设计计算。 (3)选择板片 1)板片的波纹型式只有人字形波纹和水平平直波纹两种。波纹板的型式，应按工艺条件做出合理的选择。人字形板被普遍的使用，人字角大的板片(如:β=120?，称为H板片)，适用于允许阻力损失较大，而传热效率要求高的场合;人字角小的板片(如β=60?，称为L板片)，适用于阻力损失限制要求很严格的场合。水平平直波纹板片则适用于传热效率高，阻力损失也适中的场合。人字形波纹板的承压能力可高于1.0MPa，水平平直波纹板片的承压能力一般都在1.0MPa左右;人字形波纹板片的传热系数和流体阻力都高于水平平直波纹板片。选择板片的波纹型式，主要考虑板式换热器的工作所承受的压力、流体的压力降和传热系数。如果工作所承受的压力在1.6MPa以上，则别无选择的要采用人字形波纹板片;如果工作所承受的压力不高，又特别要求阻力降低，则选用水平平直波纹板片较好一些;如果由于安装的地方所限，需要较高的换热效率以减少换热器占地面积，而阻力降可以不受限制，则应选用人字形波纹板片。对于两种传热流体，其流动有很大的不同，该考虑使用板的非对称流道来组装板式换热器。对于两换热流体的对数温度相差很大，流量差亦很大的换热工况，波纹板片长宽比小是优选选择的。 角孔的尺寸与单板面积有一定的内在联系，为使流体通过角孔流道不致损失过多压力，一般流体在角孔中的流速为4~6m/s。 2)板片材料。根据介质的腐蚀性能来选择板片的材料。国外制造板片的材料品种繁多，有较大的选择余地。我国制造板片的材料主要有不锈钢和钛等，在选择的耐腐蚀材料基础上，辅以增加板片厚度或防腐处理来延长板片的常规使用的寿命。 19 兰州交通大学毕业设计,论文， (4)选择垫片 密封垫片的结构及形式也有很多种，其截面形式大致有矩形、梯形、六边形、五边形等。常用的形式有两大类型:一种形式如图4.1a所示,其密封垫片横截面的上部为尖形的;另一种形式如图4.1b所示,其上部为平面。前者是通过尖端至中部的尺寸差来增加密封垫片的变形程度，其结构设计实际上仍然是平面密封，而非线性密封，因为板片的密封槽底部是平面，当板片密封槽底部平面有缺陷时，这种结构能抵消一些。后者设计的目的是为减少密封垫片的压缩量，其压紧形式为平面压紧。其主要缺点是在板片装 [15]配过程中，板片容易错位,夹紧力过大，易引起板片变形等。本文选用a型。 (a) (b) 图4.1 密封垫片结构及形式 垫片材料既要耐高温又要耐腐蚀。各种垫片材料允许温度如表2.2。 (5)流动方式的选取 单相换热时，逆流具有最大的平均传热温差。在一般换热器的工程设计中都尽量把流体布置为逆流。对板式换热器来说，要做到这一点，两侧必须为等程。若安排为不等程，则顺逆流需交替出现，此时的平均传热温差将明显小于纯逆流时。 在相变换热时顺流布置与逆流布置平均温差的区别比单相换热时小，但由于这时牙尖大小与流向有密切关系，所以相对流向的选择将主要考虑压降因素，其次才是平均温差。其中要格外的注意的是，有相变的流体除不宜采用多程外，还要求要从板片的上部进，下部出，以便排除冷凝液体。 (6)单板面积的选择 单板面积过小，则板式换热器的板片数多，也使得占地面积增大，程数增多，导致阻力降增大;反之，虽然占地面积和阻力降减小了，却很难保证板间通道必要的流速。单板面积可按流体流过角孔的速度为6m/s左右考虑。按角孔中速度为6m/s时，则各种单板面积组成的板式换热器处理量见表4.1。 表4.1 单台最大处理量参考值 单板面积 0.1 0.2 0.3 0.5 0.8 1.0 2.0 2(m) 20 兰州交通大学毕业设计,论文， 角孔直径 40~50 65~80 80~100 125~150 175~200 200~250 225~400 (mm) 单台最大 27~42 71.4~137 103~170 264~381 520~678 678~1060 1060~2500 流通能力 3/h) (m (7)其他 1)板式换热器一般不适用于气体的热交换。 2)进行易爆、易燃介质换热的板式换热器的设计压力，至少要比介质的工作所承受的压力 [16]高出一个公称级别以上。而垫片的耐温、耐腐蚀和抗老化性能必须可靠。 3)进行强腐蚀介质(如:硫酸)换热的板式换热器，其板束周围宜设置一个防护罩。 4)对杂质较多的介质进行换热时，介质的进口管道上最好设置过滤器，单程排列。此外还应尽可能选用通道间隙较大的板片。 5)对工作所承受的压力和工作时候的温度都较高的工况，可拆式板式换热器无法适应时，应采用 [17]焊接式板式换热器。 4.3.2 传热计算公式 [14] (1)传热的基本方程式 QKFt,,(4.3) m 式中:Q—传热量，kW; 2 F—换热面积，m; 2 K—总传热系数，W/(m?K); Δt—传热平均温差，对数平均温差乘以板片组合校正系数，?。 m [14] (2)换热量计算式 QGCtt,,()(4.4) p 式中:G—流体质量流量，kg/s; C—流体比热容，kJ/(kg?K); p t、t—分别表示某流体进出口温度，?。 (3)流道数的计算与选择 并联流道数的数目按给定流量及选取的流速而定，流速的高低受制于允许压降，在可能的最大流速以内，并联流道数目取决于流量的大小。 21 兰州交通大学毕业设计,论文， fd (4.5) =nfd 式中:n—流道数; 2 f—流通段面积，m; d 2 f—单通道流通截面积，m。 d [6] (4)流道内实际流速 Q(4.6) =W，，，,nfmd 式中:W—流道内实际流速，m/s; 流程数; m— 3 ρ—某流体密度，kg/m; (5)换热面积计算 1)平均温差法 [14]根据传热的基本方程式，可求得所需的换热面积为 Q(4.7) F,Kt,m 2)根据流程组合求换热面积 计算换热面积都要先设定一个流程组合，由计算所得的换热面积和该流程组合的换热面积相等或稍小时即能满足工况的要求，否则应重新设定一个流程组合再作计算，直到满足工况为止。 在流程组合确定的情况下，总的板片数就被确定为 iiii,,,,,,,,,,,,Nmnmnmnmnmnmn,，，,,,，，，，,,,，，1(4.8) 2 当冷流体、热流体的各程通道数相等时，则 Nmnmn,，，1(4.9) 1122 式中m、n及m、n分别为两流体的流程数与程内通道数。 1122 [6]在板式换热器的计算中，换热面积F应采用有效换热面积。 FNFNF,,,(2)(4.10) edd 2式中:F—换热器总的换热面积，m; 2 F—单板有效换热面积，m; d 22 兰州交通大学毕业设计,论文， N—总的板片数; N—有效板片数。 e 所以，总的传热面积可表示为: (4.11) FFmnmn,，，，，,(1)d1122 [6] (6)当量直径计算式 (4.12)dfULbLb,,,4/4/22ed 式中:L—板有效宽度，m; b—板间流道平均间隙，m; U—热周边长，m; d—板间当量直径，m。 e 当板片两侧冷热流体的流通面积不等时，应按其实际的流通面积F与热周边U来d分别计算板片两侧流道的当量直径。 (7)雷诺数计算式 Wd，e(4.13) =Re, 式中:d—当量直径，m; e 2 ν—运动粘度，m/s。 (8)对流传热准则数(努塞尔数Nu)关系式 板式换热器努塞尔数Nu计算的基本公式形式与管内或槽道内的对流传热准则数计 [9]算公式相同，即 nmNuCRePr,, (4.14) 式中:C—系数，由实验求得; N—指数，由实验求得; Re—雷诺准则数，无因次; Pr—普朗特准数，无因次。 这一关联式有很多，各个厂家生产的板片不同，所得到的关联式也不完全一样，流体和流动类型不同，公式也不同。 [5] 参考公式如下: 0.6497m(4.15a)NuRePrRe,,,0.2753,1000 0.6651m(4.15b) NuRePrRe,,,0.2517,1000 23 兰州交通大学毕业设计,论文， 式中:热流体m=0.3，冷流体m=0.4。 (9)对流传热系数计算式 对流换热系数α、α的计算，一般在无相变情况下板片两侧都将保持传热相似，所12 [6]以均可按相同的公式计算，如传热不相似则需分别用各自的公式计算。 Nu，, (4.16) =,de 2式中:α—对流换热系数，W/(m?K); 2WmK/(),WmK/(), λ—流体导热系数，W/(m?K)。 (10)总传热系数 在设计计算板式换热器时，总传热系数的确定可通过两条途径: (一)选用经验公式 有设计者根据经验或从有关参考 籍、有关性能测定的实验报告中，选用与工艺条件相仿、设备类型类似的换热器的总传热系数值作为设计按照。 表4.2列出了正常的情况下板式换热器的总传热系数值。 [6]表4.2 板式换热器的经验总传热系数K值 物料 水—水 水蒸气—油 冷水—油 油—油 气—水 22900~4650 810~930 400~580 175~350 28~58 K(W/m?K) (二)计算确定 在设计计算中，常常必须了解到比较准确的总传热系数值，这能够最终靠总传热系数的计算确定。但由于计算传热系数的公式有一定误差及污垢热阻也不容易准确估计等原因，计算得到的总传热系数值与真实的情况也会有出入。 [7]1)由热阻关系求解 在板式换热器中，热量从高温物体传向低温物体的过程中，通常存在着五项热阻:板片热侧流体传热热阻1/α，污垢层热阻r，板片热阻δ/λ，板片冷侧流体传热热阻1/α，112污垢层热阻r。它们之和即为总热阻，总热阻的倒数也就是总传热系数，故其计算式为: 2 11,Krr,，，，，1/()(4.17) 12,,,p12 ,式中:λ—板片导热系数，W/(mK); p δ—板片厚度，m。 2)由传热方程求解 24 兰州交通大学毕业设计,论文， [14]传热的基本方程式为 QKAt,,(4.18) m 由此可求得总传热系数 KQAt,,/()(4.19) m (11)传热温差Δt计算式 m 平均温差Δt的求解一般会用修正逆流情况下对数平均温差Δt的办法，即先按逆mm 流考虑再进行修正: ,,,tt,mlm (4.20) (a)顺流 (b)逆流 4.2 顺、逆流时冷热流体气温变化 [14]按逆流考虑时的对数平均温差为 ,,,,,,,,,tttttt,,,()maxmin1212,,,t(4.21) lm,t,,,maxtt,12lnln,tmin,,,tt,12 式中:Δt，Δt—分别是逆流时端部温差中的最大值和最小值; maxmin t—热流体进口温度，t—热流体出口温度，t—冷流体进口温度，t—冷流体1122进口温度。 修正系数φ随冷、热流体的相对流动方向的不同组合而异，在串联、并联或混联时可分别由图4.3、图4.4、图4.5来确定: 25 兰州交通大学毕业设计,论文， 图4.3 并联流程组合对数平均温差修正系数 图4.4 串联流程组合对数平均温差修正系数 图4.5 多程流程组合的对数平均温差修正系数 ,,,tt/2如果流体的温度沿传热面的变化不太大，例如当时，可采用算术平maxmin均温差代替对数平均温差，即: 26 兰州交通大学毕业设计,论文， ,,,tt1maxmin(4.22) ,,,,,,ttt()mmaxmin,t2maxln,tmin 采用上式计算出的平均温差与采用对数平均温差计算的结果相比较，其误差在4%范围以内，这在工程计算上是允许的。 [8]Eu (12)流体阻力计算欧拉数关联式 dEubRe=(4.23) 式中:系数b、指数d—随不同型式的板片而异，又是实验求得，制为造厂为其提供的公式中已确定具体的数值。 d22或 (4.24) EubReWEuW,,,, 式中:W—流速，m/s; 3 ρ—流体密度，kg/m。 [5] 选欧拉关系式为: ,0.0338(4.25a) EuRemRe,,,332.49,1000 ,0.0581(4.25b) EuRemRe,,,351.42,1000 式中:m—流程数。 [6] (13)压降计算关联式 2,,，，pEuWm,(4.26) (14)污垢热阻的选择 投入运行的板式换热器都将因与流体的接触而在板片上结垢。由于垢层的导热都比较差，所以污垢的形成即使其厚度很薄，也对传热会有较大的削弱，特别是在结垢严重，导致通道部分被堵塞的情况下将会使传热大大的恶化。为了衡量污垢对传热的影响，常 [7]用污垢热阻r或其倒数—污垢系数α来度量，即 ,1,,r(4.27) ,, 式中:λ—流体导热系数，W/(m?K)。 污垢热阻的大小和流体种类、流体流速、运行温度、流道结构、传热表面状况、传热面材料等多种因素相关。污垢在传热面上沉积速率一般都是先积垢较快，而后较慢，最后趋向于某一稳定数。 27 兰州交通大学毕业设计,论文， 由于板式换热器中的高端流度，一方面可使污垢的聚集量减小，同时还起到冲刷清洗作用，所以板式换热器中垢层一般都比较薄。美国传热研究公司对水冷却塔所用的板式和管壳式换热器结垢的实验研究表明，板式换热器的污垢热阻不到管壳式的一半。在设计选取板式换热器的污垢热阻值时，其数值应不大于客观是的公开发表的污垢热阻值 [7]J.Marriott提供了板式换热器中的具体污垢热阻值，详见表4.3所示。 的1/5。 表4.3 板式换热器中的污垢热阻值 污 垢 热 阻 污 垢 热 阻 液 体 名 称 液 体 名 称 22(m?K)/W (m?K)/W 0.000009 0.000052 软水或蒸馏水 机器夹套水 0.000017 0.000009~0.000043 城市用软水 润滑油水 0.000043 0.000007~0.000052 城市用硬水(加热时) 植物油 0.000034 0.000009~0.000026 处理过的冷却水 有机溶剂 0.000043 0.000009 沿海海水或港湾水 水蒸气 0.000026 0.000009~0.000052 大洋的海水 工艺流体、一般流体 0.000043 0.000032 河水、运河水 一般流体 (15)计算角孔流速 4GWl, (4.28)2D,, 式中:Wl—角孔流速; D—角孔通径。 4.4 板式换热器的计算 4.4.1 设计工艺条件 一次侧热水进/出口温度为95?/55?; 二次侧冷水进/出口温度为10?/50?; 生活水量为190吨/时; 高温水和被加热水经过板式换热器的压降均不大于0.5MPa。 28 兰州交通大学毕业设计,论文， 4.4.2 计算过程 (1)已知工艺参数 加热侧t=95?，t=55?，Δp?0.5Mpa。 111 5 被加热侧t=10?，t=50?，Δp?0.5Mpa，G=1.9×10kg/h。 2222,C (2)物性数据 9555，[14]热侧物性温度下的各物性参数: t,,75?12 3,, 密度ρ=974.8kg/m，比热容C=4.191kJ/(kgK)，导热系数λ=0.671W/(mK)， 1p11 -62运动粘度ν=0.378×10m/s，普朗特数Pr=2.41。 11 1050， 冷侧物性温度下的各物性参数: t,,30?22 3,, 密度ρ=995.7kg/m，比热容C=4.176kJ/(kgK)，导热系数λ=0.615W/(mK)，2p22 -62运动粘度ν=0.792×10m/s，普朗特数Pr=5.42。 22 (3)选兰州石油机械厂BR05A型板式换热器，参数如表4.4所示。 [5]表4.4 BR05A型板式换热器主要技术参数 200t/h 最大水处理量 DN121 管径 1.0MPa 最大设计压力 150? 最大设计温度 2 0.000161m单通流道截面积f d 3.8mm 波纹深度 1490×485mm 板片尺寸 板片平均间隙b 3.8mm 板片厚度 δ 0.7mm 2单片换热面积 F 0.502m d 板片当量直径d 7.6mm e 波纹形式 双人字 [6] (4)求换热量及流量 5 被加热水量 G,，,1.910kg/h52.78kg/s2 29 兰州交通大学毕业设计,论文， QGCtt,,()传热量 p2222 52.784.176408816kW，，, = Q8816加热水量 G,,=52.59kg/s1,,,Ctt(-)4.19140，11 (5)假定流程数 取加热水流程 m=1 1 取被加热水流程 m=1 2 (6)初选定流道数 加热水流道数 n=74 1 被加热水流道数 n=74 2 (7)流动方式:单相换热时，逆流具有最大的平均传热温差，选择逆流。 [14] (8)求板间流速 加热水流速 G1,W 1,，，，nfm111d 52.59==0.45m/s740.00161974.81，，， 被加热水流速 G2,W2,，，，nfm222d 52.78==0.44m/s740.00161995.71，，， [14] (9)求雷诺数 Wd，0.450.0076，1eRe,==8876 加热侧 1-6,0.37810，1 Wd，0.440.0076，2eRe,==4251 被加热侧 2-6,0.79210，2 [5] (10)求努塞尔数 0.66510.3 加热侧 NuRePr,0.2517111 30 兰州交通大学毕业设计,论文， 0.66510.3,，，,0.251788762.41138.5 0.66510.4 被加热侧 NuReP,0.2517r222 0.66510.4,，，,0.251742515.42128.2 [14] (11)求对流传热系数 Nu，，,138.50.671211 加热侧 ,,,12228.1 W/(mK),,1d0.0076e Nu，，,128.20.615222被加热侧 ,,,10374.1W/(mK),,2 d0.0076e (12)板片的选择及导热热阻的确定 选用材料 SUS304 板片厚度 δ=0.7 mm 板片导热系数 λ=16.28 W/(m?K) p 板片的导热热阻 2,,/0.0007/16.280.000042997,,r,(mK)/W,pp 2 (13)两侧污垢热阻 (一般流体) r,0.0001(mK)/W,1 2 (一般流体) r,0.0001(mK)/W,2 式中:r为加热侧污垢热阻; 1 r为被加热侧污垢热阻。 2 (14)总的传热系数的计算 11,,1Krr,，，，，()12,,,12p 11,，，，，1/(0.0000429970.00010.0001)12228.110374.1 2 ,,2878W/(mK) (15)对数平均温差 ,,tt-(95-55)-(50-10)maxmin ,,,,t45?lm,t(95-50)maxlnln(55-10),tmin 31 兰州交通大学毕业设计,论文， 查表得温度修正系数为: ,=0.95 传热温差 ,,,，tt,=0.9545=42.75?mlm (16)实际传热面积 Q88162F,==72m Kt，,，287842.75lm (17)计算板片数 Nnm,，，，,21149 (18)要求面积 2 FNF,,，,，,(2)1470.50273.79mmd [7] (19)面积校核 FF,,7273.79m, 满足 ,,，,,100%2.5%5%F72 (20)压降计算及校核 加热侧欧拉数 ,,0.05810.0581EuRe,，351.42=351.42(8876)=207.22 11 加热侧压降 22 ,,，，，，pEuW,=207.22974.8(0.45)=40912.4Pa1111 被加热侧欧拉数 ,,0.05810.0581 EuRe,,，,351.42351.42(4251)216.2822 被加热侧压降 22 ,,，，，，pEuW,=216.28995.70.44=41724.6Pa()2222 压降校核 满足 ,,,p0.41MPa0.5MPa1 满足 ,,,p0.42MPa0.5MPa2 (21)计算角孔流速 32 兰州交通大学毕业设计,论文， 4G452.59，,Wl,12,,D3.14974.80.121，， 满足,4.69m/s 4G452.78，2,,Wl22,,D3.14995.70.121，， 满足 ,4.61m/s 4.4.3 计算综述表 序号 计算项目 符号 单位 计算公式或图表 数值 1 t ? 95 加热水的初温 已知 1 2 t ? 55 加热水的终温 已知 1 加热水的平均温tt，11 t3 ? 75 t, 11度 2 34 ρ kg/m 974.8 加热水密度 查表 1 5 C kJ/(kg?K) 4.191 加热水比热容 查表 1p 6 t ? 10 被加热水初温 已知 2 7 t ? 50 被加热水终温 已知 2 被加热水平均温tt，22 t8 ? 30 t, 22度 2 39 ρ kg/m 995.7 被加热水密度 查表 2 10 C kJ/(kg?K) 4.176 被加热水比热容 查表 2p 11 G kg/s 52.78 被加热水量 已知 2 QGC,(t-t)12 Q kW 8816 传热量 p2222 QG, 13 G52.59 kg/s 加热水量 11Ctt(-)111p14 m 1 加热水流程 初步选定 1 33 兰州交通大学毕业设计,论文， 1 15 m初步选定 被加热水流程 2 16 BR05A 板片型号 选定 17 Lmm 485 板片宽度 查表 18 bmm 3.8 板片平均间隙 查表 19 d mm 7.6 板片当量直径 2be 220 F 0.502 m板片换热面积 查表 d 单通道流通截面221 f m 0.00161 查表 d积 22 n 74 加热水流道数 取定 1 23 n 74 被加热水流道数 取定 2 G1 ,W24 W0.45 m/s 加热水实际流速 11, ，，，nfm111d G被加热水实际流2 ,W25 W m/s 0.44 22,速 ，，，nfm222d 2 FFmnmn,，，。 |
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