板式換熱器的設(shè)計與計算

1、 摘 要板式換熱器是由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成的一種新型高效緊湊換熱器。各相鄰板片之間形成薄矩形通道，通過板片進行熱量交換。板式換熱器的傳熱性能與板面的波紋形狀、尺寸及流程組合方式都有密切關(guān)系。它與常規(guī)的管殼式換熱器相比，在相同的流動阻力和泵功率消耗情況下，其傳熱系數(shù)高，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，價格低，安裝方便，易清洗，在適用的范圍內(nèi)有取代管殼式換熱器的趨勢。板式換熱器應(yīng)用很廣，尤其是更適宜用于醫(yī)藥、食品、制酒、化工等工業(yè)，并且隨著板型、結(jié)構(gòu)上改進，正在進一步擴大它的應(yīng)用領(lǐng)域。本文對板式換熱器的發(fā)展及應(yīng)用領(lǐng)域作了簡要的介紹，通過板式換熱器的傳熱原理，進行板式換熱器熱力計算和阻力計算

2、，在滿足了校核條件下，設(shè)計出板片波紋形式為雙人字形、板片數(shù)為149片的并聯(lián)流程組合的可拆卸式板式換熱器。在此基礎(chǔ)上，用AutoCAD繪制板式換熱器零件圖及裝配圖。設(shè)計的換熱器工藝性好，安全可靠，便于操作、安裝，成本低。 關(guān)鍵詞:板式換熱器；結(jié)構(gòu)設(shè)計；傳熱計算；阻力計算蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文)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

3、 stacked. Formed between adjacent plates thin rectangular channels, through heat exchange plates. Plate heat exchanger heat transfer performance and corrugated shape, size and process combinations board are closely related. Compared with the conventional shell and tube heat exchanger, at the same fl

4、ow resistance and pump power consumption, heat transfer coefficient, compact, small footprint, low price, easy to install, easy to clean, the applicable there replace shell and tube heat exchanger trends within range. Plate heat exchanger applications is very broad, especially more suitable for medi

5、cine, food, wine,chemical and other industries, and with the plate, structural improvements, is further expanding its field of application. In this paper, the development and applications of plate heat exchanger made a brief introduction, the principles of heat transfer through the plate heat exchan

6、ger, plate heat exchanger thermal calculation performed and resistance calculations, checking in to meet the conditions, the design of the plate ripples in the form of double -shaped, plate number 149 parallel process composition detachable plate heat exchanger. On this basis , using AutoCAD drawing

7、 plate heat exchanger parts diagram 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目錄1. 緒論11.1 板式換熱器的學(xué)術(shù)背景及意義11.2 我國設(shè)計制造應(yīng)用情況

8、21.3 國外著名廠家及其產(chǎn)品32. 板式換熱器的基本構(gòu)造和原理62.1 板式換熱器的基本構(gòu)造和原理62.2 板式換熱器的分類62.3 流程組合72.4 框架型式92.5 板片102.6 密封墊片112.7 壓緊裝置13 3. 板式換熱器的優(yōu)缺點和應(yīng)用14 3.1 板式換熱器的優(yōu)缺點14 3.1.1 板式換熱器的主要優(yōu)點14 3.1.2 板式換熱器的主要缺點15 3.2 板式換熱器的應(yīng)用154. 板式換熱器熱力及相關(guān)計算17 4.1 板式換熱器的設(shè)計計算概述174.2 傳熱過程174.2.1 對流換熱174.2.2 凝結(jié)換熱184.2.3導(dǎo)熱19 4.3熱力計算 19 4.3.1 一般設(shè)計要求

9、194.3.2 設(shè)計計算公式和曲線22 4.4 板式換熱器的計算.294.4.1 設(shè)計工藝條件33 4.4.1 計算過程33 4.4.3 計算綜述表33結(jié)論38致謝39參考文獻401. 緒論1.1 板式換熱器的學(xué)術(shù)背景及意義 板式換熱器于1878由德國發(fā)明。1886年法國人設(shè)計出通道板式換熱器，并應(yīng)用到葡萄酒的殺菌。1923年APV公司設(shè)計了可成批生產(chǎn)的鑄青銅板組合的板式換熱器。1930年以后，出現(xiàn)了用不銹鋼或薄金屬板壓制的用墊片密封的波紋板片換熱器，這樣基于溝道板，跨入了現(xiàn)代用薄板壓制的波紋板形式。早期的板式換熱器主要用于在牛奶或啤酒處理的滅菌。1932年APV公司開始生產(chǎn)高溫，短時的牛奶消

10、毒設(shè)備。 與此同時，流體力學(xué)與傳熱學(xué)的發(fā)展對板式換熱器的發(fā)展做出了重要的貢獻，同時也是板式換熱器設(shè)計中最重要的技術(shù)理論。如：19世紀末到20世紀初，雷諾（Reynolds）實驗證實了客觀存在層流和紊流，提出了雷諾數(shù)奠定了流動阻力和損失的基礎(chǔ)。此外，在流體、傳熱方面做出了突出貢獻的學(xué)者還有瑞利（Reyleigh）、普朗特（Prandtl）、庫塔（Kutta）、儒可夫斯基（）、錢學(xué)森、周培源等1。板式換熱器的應(yīng)用非常廣泛，如電力，食品，醫(yī)藥，石油，化工等。在現(xiàn)代化的新技術(shù)，新工藝，新材料的不斷發(fā)展，以及日益嚴峻的能源問題，必然需要更高性能、高參數(shù)換熱設(shè)備，板式換熱器將進一步擴大應(yīng)用范圍2。與常規(guī)的

11、管殼式換熱器，在相同的流動阻力和泵功率消耗相比，傳熱系數(shù)更高，有取代管殼式換熱器的趨勢。 通過廣泛的應(yīng)用和實踐，加深了板式換熱器的優(yōu)點的認識，隨著應(yīng)用拓展的進步和制造技術(shù)加快發(fā)展，板式換熱器已成為一個非常重要的換熱設(shè)備。 近幾十年來，板式熱交換器的技術(shù)發(fā)展，可概括如下3： 1.研究高效的波紋板片。初期的板片是銑制的溝道板，至三四十年代，才用薄金屬板壓制成波紋板，相繼出現(xiàn)水平平直波紋、階梯形波紋、弧形波紋板、人字形波紋等形式繁多的波紋板片。同一種形式的波紋，又對其波紋的斷面尺寸-波紋的高度、節(jié)距、圓角等進行大量的研究，同時也發(fā)展了一些特殊用途的板片；2.耐腐蝕耐高溫的板片和墊片。目前鈦，鎳，鈀和

12、鈦的合金材料可制成板片。墊片材料也擴大，從天然橡膠合成橡膠，氟橡膠，石棉等4。3.提高了使用的壓力和溫度。材料的壓力和溫度承受能力的提高，大大擴大板式換熱器應(yīng)用范圍，特別是在化學(xué)領(lǐng)域。4.計算板式熱交換器的傳熱和流動阻力。研究由于流道結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，導(dǎo)致在該區(qū)域的傳熱和流動阻力復(fù)雜的計算，大大促進板式換熱器的發(fā)展。5.提高換熱器工藝性。主要是為了提高模具的制造的水平和改善板片的精度。6.發(fā)展大型板式換熱器。7.提高板式換熱器傳熱總體效率可能的方法的研究。1.2我國設(shè)計制造情況我國板式換熱器的研究、設(shè)計、制造，開始于 六十年代。1965年，蘭州石油化工機器廠設(shè)計、制造了我國生產(chǎn)的第一臺板式換熱器，

13、單板換熱器面積為0.52m2，板片為水平平直波紋。1967年，蘭州石油機械研究所在1971年制造了我國第一臺人字形波紋板片，單板換熱面積為0.3m2的板式換熱器，這對于我國板式換熱器采用波紋型式的選型起了重要的作用。蘭州石油機械研究所板式換熱器廠是蘭州石油機械研究所直屬廠，現(xiàn)有主廠房7000m2，建于1963年，專門從事板式換熱器設(shè)備的研究、制造工作，技術(shù)力量雄厚，擁有國內(nèi)最先進的試驗檢測設(shè)備及大型油壓機和其他加工設(shè)備，組成了完整的板式熱交換設(shè)備的研究、生產(chǎn)及質(zhì)保體系，確保產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)良和高可靠性。三十年來為國內(nèi)外各種應(yīng)用領(lǐng)域提供近三千臺、裝機面積20余萬m2的板式換熱器、板式冷凝器和板式蒸發(fā)

14、器，產(chǎn)品技術(shù)性能及質(zhì)量居國內(nèi)領(lǐng)先地位。蘭州石油機械研究所對板片的制造材料、板片波紋型式、單片換熱面積、板式換熱器的應(yīng)用等方面進行了研究，促進了我國板式換熱器的發(fā)展。三十年來蘭州石油機械研究所板式換熱器廠先后研制成功BR01、BR03、BR03A、BP07、BR03B、BR05A、BR06A、BR07A、BRS08、BR08A板式換熱器、板式冷凝器和BF01、BF02板式蒸發(fā)器等多種型號、多種用途的板式設(shè)備。板片波紋的形狀有人字形、雙人字形、水平平直形、豎直形、鼓泡形等等，流道截面積也有相等和不相等之分。板片材質(zhì)以鉻鎳不銹鋼為主并且向耐酸、耐堿、耐各種強腐蝕的方向發(fā)展，同時將普通不銹鋼的化學(xué)和電

15、化學(xué)處理轉(zhuǎn)化膜技術(shù)應(yīng)用于板片生產(chǎn)中，提高了不銹鋼板片耐氯離子腐蝕的能力；H-RS耐高溫濃硫酸材質(zhì)板片、哈氏合金板片近年來在硫酸工業(yè)及離子膜燒堿生產(chǎn)過程中得到了廣泛的應(yīng)用。該廠制造手段齊備，無論用任何材質(zhì)壓制的板片，減薄量均控制在20%以下，表面光潔平整，裝配完成的設(shè)備耐壓能力達到3.5MPa,實際應(yīng)用壓力2.5MPa。該廠出廠的產(chǎn)品配備的是中美合資的派克牌密封墊片，自行研制的耐溫、耐壓復(fù)合墊片也在生產(chǎn)中得到了應(yīng)用。該廠出廠的的設(shè)備使用溫度為250。常用板式換熱器參數(shù)如圖1.1所示5。表1.1 蘭州石油機械研究所板式換熱器廠主要的板式換熱器板式換熱器 型號最高工作壓力(MPa)單板換熱面 積(m

16、2)最 大 處理量（m3/h）板片外型尺寸（長寬） (mm mm)單臺最多板片數(shù)管尺寸DN（mm）波紋形式波紋深度（mm）BR011.00.11058421810140單人字3BR03B2.50.30260115738810185單人字3.5BR05A2.50.5022001490485201121雙人字3.8BR06A2.50.6943001615585287163雙人字3.5BR07A2.50.6943501615585362163雙人字3.5BR08A1.60.80411000(汽)1776679350150橫人字5BRS081.60.80124001610860427150橫人字4天津

17、太平洋板式換熱器有限公司，專業(yè)從事板式換熱器以及換熱器專用密封膠墊的研發(fā)和制造。在原有板式換熱器制造經(jīng)驗基礎(chǔ)上，引進國際先進技術(shù)，創(chuàng)新研發(fā)了十余種符合國際標準的板式換熱器專用密封膠墊，使板式換熱器的整機性能和應(yīng)用范圍得到了極大的提高和推廣。根據(jù)國內(nèi)外市場和企業(yè)發(fā)展需要，不僅可以滿足各類整機用戶的不同使用要求，同時還可以為廣大板式換熱器用戶提供各種國內(nèi)外換熱器廠家的板片、膠墊及維修的全方位服務(wù)。 1.3國外著名廠家及其產(chǎn)品如何提高熱交換效率是板式換熱器的整個發(fā)展的主要方向。早期研究結(jié)構(gòu)，板形和波紋，現(xiàn)在通過優(yōu)化，熱工計算和分析，對板式換熱器材料和結(jié)構(gòu)的細節(jié)優(yōu)化選擇3。英國APV，瑞典ALFA-

18、LAVAL，美國OMEXEL公司等是世界上最著名的生產(chǎn)商，還有日本的大阪，德國GEA 公司。（1） 英國APV公司。APV公司的Richard Seligman博士于1923年就成功設(shè)計了第一臺工業(yè)性的板式換熱器。其在國外有20個聯(lián)合公司，遍及美、德、法、日、意、加等國。Seligman設(shè)計的板式換熱器板片為塞里格曼溝道板。目前APV公司生產(chǎn)的板式換熱器稱為Paraflow，其波紋多屬人字形波紋，最大單板換熱面積為2.2m2，單臺換熱器最大流量為2500m3/h。換熱器最高使用溫度為260、最大使用壓力為2.0MPa、最大的單臺換熱面積為1600m2。APV公司換熱器產(chǎn)品情況如表1.2:表1.

19、2 APV公司主要的板式換熱器板式換熱器型 號最高工作 壓 力(MPa)單板換熱 面 積(m2)板片外型尺寸 長寬 (mm mm)單臺最多 板 片 數(shù)長管尺寸（mm）SR11.030.025857021015038HMB0.690.34111431818751SR351.550.34115239241475R401.370.381150445409102,127,152R552.060.521156416362102R560.930.521156416350102R1060.691.0781984712427300R2350.832.227391107729400 （二）ALFA-LAVAL公

20、司。從該公司于1930年生產(chǎn)的第一臺板式巴氏滅菌器開始，已有60多年的歷史。公司在1960年就采用了人字形波紋板片；1970年發(fā)展了釬焊板式換熱器；1980年對葉片的邊緣做了改造，以增強抗壓能力。該公司的標準產(chǎn)品性能：最高工作壓力2.5MPa；最高工作溫度250；最大單臺流量3600m3/h；總傳熱系數(shù)35007500W/(m2K)；每臺換熱面積0.12200m2；最大接管尺寸450mm。（三）：HISAKA(日阪制作所)公司。在1954年，公司研究成功EX-2型板片；現(xiàn)在，該公司有水平平直波紋板和人字形波紋板兩種。其板式換熱器技術(shù)特性見表1.3：表1.3 HISAKA公司板式換熱器技術(shù)特性

21、型號單位換熱面 積(m2)處理量(m3/h)最高工作壓 力(MPa)最高工作溫 度()最大單臺換熱面積(m2)水平平直波紋板片EX-10.157230.420015EX-150.3141401.220060EX-160.552401.2200150EX-110.714601.2200150EX-120.88831.0200260人字形波紋板片UX-010.087361.52.02005UX-200.3751401.52.0200100UX-400.765401.51.8200250UX-601.1690011.3200500UX-801.70152011.32008002 板式換熱器基本構(gòu)造和

22、工作原理2.1板式換熱器基本構(gòu)造和工作原理 板式換熱器（Plate Type Heat Exchanger）的結(jié)構(gòu)相對于板翅式換熱器、殼管式換熱器和列管式換熱器比較簡單，它是由三個主要部件板片、密封墊片、壓緊裝置（有固定壓緊板、活動壓緊板、壓緊螺柱和螺母等）及其它一些部件，上下導(dǎo)桿、前支柱、軸、接管等組成，如圖2.1所示6： 圖2.1板式換熱器的結(jié)構(gòu) 板片為傳熱元件，墊片是密封元件，墊片粘貼在板片的墊片槽內(nèi)。在固定壓緊板上，交替地放置一塊板片和一張墊片（按一定的順序安裝，加熱板交叉放置），然后安放活動壓緊板，擰緊壓緊螺栓將構(gòu)成了板式換熱器。上、下導(dǎo)桿起著定位和導(dǎo)向作用。板式換熱器主要由框架和板

23、片兩大部分組成。固定壓緊板、活動壓緊板、上下導(dǎo)桿、壓緊裝置、前支柱統(tǒng)稱為板式換熱器的框架。按一定規(guī)律排列的所有板片，稱為板束。在壓緊后，相鄰板片的觸點互相接觸，使板片間保持一定的間隙，形成流體的通道。換熱介質(zhì)從固定壓緊板、活動壓緊板上的接管中出入，并相間地進入板片之間的流體通道，進行熱交換。2.2板式換熱器分類板式換熱器的型式主要有框架式（可拆卸式）和釬焊式兩大類7。 圖2.1所示板式換熱器為可拆式板式換熱器。其原理就是在上導(dǎo)桿處安裝了活動滑輪、頂壓裝置，在增減板片的時候，可以通過該滑輪調(diào)節(jié)換熱器內(nèi)可安裝板片數(shù)量，頂壓裝置加固整體結(jié)構(gòu)牢固性；而對于一些小型的板式換熱器，則沒有該裝置，而是直接地

24、將固定壓緊板和活動壓緊板通過導(dǎo)桿固定連接起來，這種結(jié)構(gòu)沒有清洗空間，清洗、檢查時，板片不能掛在導(dǎo)桿上，雖然這樣的結(jié)構(gòu)輕便簡易，但對大型的、需經(jīng)常清洗的板式換熱器不太適用。釬焊式板式換熱器是在傳統(tǒng)框架式板式換熱器基礎(chǔ)上演變而來，但摒棄了墊片和框式部件。釬焊式板式換熱器幾乎所有的材料都進行熱交換。這種換熱器采用緊湊耐用的設(shè)計，而且安裝便捷，使用壽命長，運行性價比高，廣泛應(yīng)用于冷藏廠房的制冷設(shè)備。其在每個觸點上都進行釬焊，以確保達到最佳熱交換效率以及耐壓性。結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。 圖2.2 釬焊式板式換熱器對于要進行兩種以上介質(zhì)換熱的板式換熱器，則需要設(shè)置中間隔板。在乳品加工的巴氏滅菌器中，為了增加在

25、滅菌溫度下乳品的停留時間，通常需要在滅菌器的特定位置上安裝延遲板。2.3流程組合方式 流程是指在相同的流體相同流動方向的一組平行流動通道，流道是相鄰的兩個板組成的間隙內(nèi)的介質(zhì)流動通道。一般地，由多個流道并聯(lián)或串聯(lián)連接在一起以形成不同的熱、冷介質(zhì)流道的組合。為了使流體在板束之間按一定的要求流動，所有板片的四角均按要求沖孔，墊片按要求粘貼，然后有規(guī)律地排列起來，形成流體的通道，稱為流程組合。圖2.3 a、b、c是典型的排列方式。板束中板片的數(shù)量和排列方式，由設(shè)計確定。從圖可見，墊片不僅起到密封作用，還起到流體在板間流動的導(dǎo)向作用。流程組合就是板片數(shù)量和排列方式的有機組合，并以數(shù)學(xué)形式表示為8： （

26、1.1） 式中：M1，M2，Mi ：從固定壓緊板開始，甲流體側(cè)流道數(shù)相等的流程數(shù)； N1，N2，Ni ：M1，M2，Mi中的流道數(shù)； m1，m2，mi ：從固定壓緊板開始，乙流體側(cè)流道數(shù)相等的流程數(shù)； n1，n2，ni ：m1，m2，mi中的流道數(shù)。圖2.3 典型的流程組合2.4框架形式 框架用于各種板式換熱器，在各種框架如圖2.4所示，尤其是（a）和（e）中，更常用。應(yīng)用于乳制品等食品行業(yè)中的板式換熱器，往往是兩個或更多的中等介質(zhì)傳熱，所以要設(shè)置中間隔板，中間隔板取決于加熱介質(zhì)類型和數(shù)量，這另一個取決于工作壓力不是高，以及需要拆卸清洗的時候，所以常常用頂桿式。作為板式換熱器的骨骼，起到支撐整

27、體作用。 （a） （b） （c） （d） （e） （f） （g） 圖2.4框架主要形式圖（a） 雙支撐框架式；圖（b） 帶中間隔板雙撐框架式；圖（c） 帶中間隔板三撐框架式；圖（d） 懸臂式；圖（e） 頂桿式； 圖（f） 帶中間隔板頂桿式；圖（g） 活動壓緊板落地式。由于本文是水-水換熱，不需要設(shè)置中間隔板，工作壓力和工作溫度不是很高，不需經(jīng)常拆卸和清洗，優(yōu)先采用雙支撐框架式。2.5 板片 板式換熱器的核心部件板片，冷，熱流體交換發(fā)生在板上，所以它是傳熱元件，此外它也跨越承受兩邊壓力差。它主要設(shè)計用于兩個因素：（1）在流體中以低速出現(xiàn)劇烈湍流的發(fā)生，以提高熱傳遞。（2）增加該板的剛度，更高的壓

28、力的能力。由于板式換熱器的出現(xiàn)，人們設(shè)想各種形式的波紋板片，以達到板片高的傳熱效率高，低流體阻力，高壓力容量。板片有各種各樣的板型，根據(jù)波紋板的幾何形狀區(qū)分，有水平直線波紋，人字形波紋，斜道波紋和其它波紋板。通過板間流體流動的形式區(qū)分，有管狀流，帶裝流動，網(wǎng)線流動板片。先介紹幾個典型的板片情況6。人字形板，它的斷面形狀通常是三角形，有單人字形和雙人字形，人字形間通常是120。板式換熱器組裝時，每相鄰兩板片是相互倒置的，從而形成網(wǎng)狀觸點，并使通道中流體形成網(wǎng)狀流。裝配后相鄰兩板片間能形成數(shù)以千計的觸點，所以人字形板片能在較高壓力下工作。流體從板片一端上的一個角孔流入，如果從另一端同一側(cè)上的角孔流

29、出，稱為單邊流動，如果從另一端另一側(cè)的角孔流出，稱為對角流動。人字板的剛性好，傳熱性能良好，缺點是流阻大，不適合含有顆粒或纖維的流體。水平平直波紋板，斷面形狀是等腰三角形。它有良好的傳熱和流體力學(xué)性能，傳熱系數(shù)高達5800W /（m2K）（水-水，不考慮污垢熱阻）。其他斷面形狀有有褶三角式波紋、階梯形波紋。鋸齒形板，其特點是組裝后流道橫截面積不變，因而阻力小，可以高速下運行，剛度大，支撐觸點多。它的缺點是板片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要兩套模具。比較常見的板片部分特點：（1）具有凸狀的波紋，促進傳熱效果。（2）有流體進出孔，稱為“角孔”，一般為圓形。大板以減少流動阻力往往做成三角形。（3）板片四周和角孔處的

30、密封槽，放置密封墊圈。（4）懸掛裝置，在板片上端直接沖梯形缺口掛于異形橫梁上。 圖2.5 兩種常用板片示圖（a）人字波紋板；（b）水平平直波紋板板的材料有碳鋼、不銹鋼、鋁及其合金、黃銅、鎳、鉬、鈦等。目前使用最廣泛的是不銹鋼。因為鈦的耐腐蝕性能好，特別是在含氯介質(zhì)中，近年來研制了鈦板熱交換器。板片的厚度通常為0.5 1.5mm。制造板式換熱器的關(guān)鍵板片的成形，目前幾乎是沖壓型板。普通板片，如表2.1所示：表2.1板片材料9不銹鋼SUS304/316/316L/310S/904凈水、河川水、食用油、礦物質(zhì)SM0254稀硫酸、無機水溶液鈦及鈦鈀合金TAi/TAi-Pd海水、鹽水、鹽化鎳Ni200高

31、溫、高濃度苛性鈉哈氏合金C276/D205/B2G濃硫酸、鹽酸、磷酸鉬Mo254稀硫酸、無機水溶液石墨鹽酸、中濃度硫酸、磷酸、氟酸2.6密封墊片板式換熱器墊片（如圖2.6所示）是一個關(guān)鍵的部分。板式換熱器運行的溫度基本上取決于墊片可以承受的溫度；板式換熱器的操作壓力在相當程度上受到墊片限制。從板熱交換器結(jié)構(gòu)分析，密封周邊的長度（m）是傳熱面積（m2）68倍以上，高于其他類型的熱交換器。密封墊片防范流體的外露和兩流體間內(nèi)漏，它安裝在密封槽中，在運行中承受高壓和高溫，還有流體的腐蝕，此外在經(jīng)過反復(fù)拆裝后還要求具有良好的彈性。對墊片的要求除了耐腐蝕、耐高溫外，還需要其它物理性能滿足下列要求：根據(jù)使用

32、壓力的不同，硬度一般應(yīng)在6590邵氏硬度，壓縮永久變形量不大于10，拉伸強度 80 bar ，伸長率200。板式換熱器發(fā)生的故障，很少是板或其它部件的損壞，主要是墊片的問題，如脫墊、伸長、老化、斷裂。所以對于板式換熱器的墊片具有特別的要求。聚四氟乙烯或其它塑料、金屬墊片都不合適，廣泛使用的是天然橡膠、丁基橡膠、三元乙丙橡、氨丁橡膠、硅橡膠等，它們的使用溫度都在80150 以下。近年來，開發(fā)了壓縮石棉墊和石棉橡膠墊，工作溫度可達260300 。隨著工藝對工作壓力和溫度更高的要求，板式換熱器的密封結(jié)構(gòu)的改進已成為一個新的研究方向。密封墊片之所以顯得這么突出，是因為它的密封周邊很長。如果一臺配有20

33、0塊板片，每片面積0.5m2的板式換熱器，其密封墊片的總長度達到約900m。考慮到其頻繁的拆卸和清洗，保證不泄露并不容易。為了更好的防止泄漏，在密封墊上采用雙重密封。為了能夠檢測泄漏，許多制造商在墊片上開槽（通常被稱為“信號孔” ），一旦流體泄漏，流體首先由此泄出。圖2.6 密封墊片大多數(shù)墊片是從非金屬板裁剪下來的，或由專業(yè)工廠按規(guī)定尺寸制作，常用墊片的使用最高溫度及使用流體為如表2.2所示。表2.2墊片材質(zhì)10材質(zhì)適用流體適用最高溫度丁腈橡膠(NBR)水、海水、礦物質(zhì)、鹽水110-140丁苯橡膠(SBR)一般非油介質(zhì)180丁基橡膠(RCB)有機酸、無機酸、濃堿液140乙丙橡膠(EPDM)酸、

34、堿、酮溶液、醇類150三元乙丙膠熱水、蒸汽、酸、堿150-170氟橡膠高溫水、酸、堿、有機溶劑180氯丁橡膠酸、堿、礦物質(zhì)、潤滑油130硅橡膠食品、油、脂肪、酒精180-220石棉常見流體250-2602.7 壓緊裝置包括活動壓緊板、固定壓緊板、夾緊螺桿。用于壓緊墊圈，密封性好，在工作時不泄露，通過旋緊螺栓產(chǎn)生壓緊力。在制造成本中，壓緊裝置占了相當大的比例。應(yīng)注意板片尺寸和符合的關(guān)系，采用數(shù)量多的面積小的板片，可使壓緊裝置費用降低?，F(xiàn)在有電動和液壓的壓緊裝置，使板片的拆卸和壓縮自動進行。3.板式換熱器的優(yōu)缺點及應(yīng)用3.1板式換熱器的優(yōu)缺點板式換熱器是以波紋板作為傳熱面，在流道中布滿網(wǎng)狀觸點，流

35、體沿著板間狹窄彎曲、猶如迷宮式的通道流動，其速度大小和方向不斷改變，形成強烈的湍流，從而破壞邊界層，減少界面液膜熱阻，并使固體顆粒懸浮，不易沉積，有效地強化了傳熱，因此，它比管殼式等其它類型換熱器具有很多獨特的優(yōu)點。3.1.1板式換熱器的優(yōu)點 （1）傳熱系數(shù)高，需少量的冷卻水。管殼式流體通過殼體擋板-管，管束-外殼之間的形成旁路，熱量交換不充分。板式換熱器不存在旁路，板片相互顛倒，這種特殊的結(jié)構(gòu)和裝配方法，流體在流經(jīng)相鄰兩板間的通道時形成復(fù)雜三維旋轉(zhuǎn)流動，流動方向和流速大小是變化的，能使流體以較低的雷諾數(shù)在板片中形成急劇湍流，熱傳導(dǎo)快，傳熱系數(shù)高，促進傳熱。板式換熱器的總傳熱系數(shù)K一般為233

36、05810 W /（m2K），可高達69808150 W /（m2K），而管殼式換熱器K = 1400 2790 W /（m2 K），是管殼式換熱器的23倍以上。在相同的壓力損失下，板式換熱器是殼管式換熱器67倍11。 （2）對數(shù)平均溫差大，末端溫差小。管殼式換熱器的流體分別在管中（多流）和殼中（混合流動）流動 ，整體上是錯流流動。這導(dǎo)致了需要對數(shù)平均溫差修正系數(shù)（較?。?，而板式換熱器是逆流或并流的流動方式，并且具有更高的傳熱系數(shù)，強烈湍流，修正系數(shù)大。此外，板式換熱器的冷、熱流體流動平行于表面，沒有旁路，冷、熱流體之間的溫度非常接近的，溫差極小，溫差接近13 ，因此它可以當作低溫換熱器的回收

37、器。 （3）結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。板式換熱器每單位體積換熱面積為管殼式換熱器的25倍，也不像管殼式需要騰出檢修場所，板片拆卸簡單，出現(xiàn)問題可以本地解決，方便快捷。實現(xiàn)相同的傳熱量，板式熱交換器面積是管殼式換熱器的1/5到1/10。 （4）容易改變換熱面積和流程，適應(yīng)性強。根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求而方便地增加或減少幾板，就可以實現(xiàn)增大或減小傳熱面積的目的；改變或替換一些板片的布置，可以變化流程組合，適合于新的換熱條件，而管殼式換熱器增加傳熱面積幾乎是不可能的。 （5）結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。板式換熱器板片由薄金屬片壓制（僅0.40.8mm的厚度），波紋板大大增加了有效換熱面積，單位體積可以容納更多熱量。因此

38、，體積小，安裝空間小，板式換熱器本身的材料成本低。管殼式換熱器管的厚度為2.02.5毫米。 （6）投資小，價格低。在相同的材料，相同的換熱面積下，板式換熱器的價格的是管殼式40至60，維護費用也低。 （7）方便生產(chǎn)。板式換熱器的換熱板片是沖壓的，標準化程度高，批量化生產(chǎn)，管殼式換熱器常用手工制作。 （8）易清潔，易維護?？蚣馨迨綋Q熱器的板片懸置在橫梁上，壓緊板側(cè)有一個滾動裝置，只要螺栓松動，可以輕松地打開并取出板片，清洗或更換板片，需要經(jīng)常清洗設(shè)備的場合是非常方便的。 （9）熱損失小。由于板式換熱器只有板片外面和墊片暴露在大氣中，熱量損失小，通常在1左右，可以不采取保溫措施，管殼式換熱器熱損失

39、大，則需要保溫層12。 （10）不易結(jié)垢。由于內(nèi)部充分湍流，所以易于擴散，并且其結(jié)垢系數(shù)僅為管殼式熱交換器的1/3至1/10。 （11）安全系數(shù)高。如果發(fā)生泄漏時，流體可以通過板上的孔被排到外部。3.1.2板式換熱器的缺點 (1) 容量較小，是管殼式換熱器的10%20%。 (2) 單位長度的壓力損失大。由于傳熱面間的間隙較小，傳熱面上有凹凸狀波紋，因此比傳統(tǒng)的光滑管的壓力損失大。 (3) 工作壓力不宜過大，有可能泄露。板式換熱器是靠墊片進行密封的，密封的周邊很長，而且角孔的兩道密封處的支撐情況較差，墊片得不到足夠的壓緊力，所以目前板式換熱器的最高工作壓力僅為2.5MPa；單板面積在1m2以上時

40、，其工作壓力往往低于2.5MPa。(4) 工作溫度不宜過高。板式換熱器工作溫度決定于密封墊片能承受的溫度，溫度高，有可能泄露。橡膠墊片最高工作溫度在200以下；用壓縮石棉絨墊片(Caf)時，最高工作溫度為250260。 (5) 易堵塞。由于板片間通道很窄，一般只有25mm，不宜于進行易堵塞通道的介質(zhì)的換熱，當換熱介質(zhì)中含有較大的固體顆?；蚶w維物質(zhì)，就容易堵塞板間通道。對這種換熱場合，應(yīng)考慮在入口安裝過濾裝置，或采用再生冷卻系統(tǒng)。3.2板式換熱器的應(yīng)用早期的板式換熱器只適用于牛奶，果汁加工，釀酒等輕工業(yè)高溫消毒。由于發(fā)展的需要，要提高板片的耐蝕性和耐熱性，密封材料的耐腐蝕性，板片變得更大?，F(xiàn)代板

41、式換熱器廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)，應(yīng)用于液-液，氣-液，氣-液傳熱，蒸發(fā)，冷凝等工藝。如：化學(xué)工業(yè)，食品工業(yè)，冶金工業(yè)，石油工業(yè)，礦山，電廠，核電廠，海上石油平臺，機械工業(yè)，生活污水處理，醫(yī)藥，化工，造紙，紡織，船舶，供熱等領(lǐng)域，可加熱，冷卻，蒸發(fā)，濃縮，殺菌，熱回收等。板式換熱器的應(yīng)用場合：（1）冷卻：冷凝器，蒸發(fā)器。（2）空調(diào)：在熱交換器中的中間鍋爐和高層建筑。（3）化工行業(yè)：制造二氧化鈦，酒精發(fā)酵，氨，樹脂及橡膠，冷磷酸，燒堿行業(yè)。（4）冶金行業(yè)：鋁液加熱和冷卻，冷卻鋁酸鈉。（5）機械工業(yè)：淬火液的冷卻，冷卻機，潤滑油，燃料油等發(fā)動機。（6）電力工業(yè)：高壓變壓器油冷卻，發(fā)電機軸承油冷卻。（7）

42、造紙工業(yè)：鹽漂白，余熱回收玻璃紙，冷卻的氫氧化鈉水溶液，使廢氣中冷凝，預(yù)熱紙漿狀濃縮廢物。（8）紡織行業(yè)：冷卻磷酸鹽纖維，粘膠纖維的加熱和冷卻，冷卻醋酸。（9）食品工業(yè)：鹽，乳制品，醬油，醋，啤酒，糖，制造谷氨酸鈉。（10）油工藝：常壓干燥肥皂，合成洗滌劑，鯨油加熱，冷卻植物油，冷卻甘油。（11）中央供氣：火電廠的余熱用于區(qū)域供熱，生活熱水，集中供暖13。（12）太陽能產(chǎn)業(yè)：參與的傳熱介質(zhì)，如乙二醇防凍液的熱交換過程。（13）鋼鐵行業(yè)：冷卻淬火油，電鍍液，減速器潤滑油，拉絲機冷卻液。（14）造船：柴油發(fā)動機，活塞等冷卻器，預(yù)熱器，海水淡化。（15）水產(chǎn)養(yǎng)殖：加熱鍋爐，這樣可以節(jié)約使用煤炭，節(jié)能

43、和環(huán)保。 其他：石油，醫(yī)藥，海水淡化，地?zé)崂?，陶瓷，玻璃，水泥等? 板式換熱器熱力及相關(guān)計算4.1 板式換熱器的設(shè)計計算概述 板式熱交換器的計算主要為設(shè)計計算，在作設(shè)計計算前，應(yīng)具備以下資料：(1) 選擇一種板片型號，并確定板片的主要幾何參數(shù)，如板片外形尺寸、波紋形式、單板有效換熱面積、當量直徑或板間距、單通道橫截面積及通道長度等。(2) 適用介質(zhì)種類與適用溫度，壓力范圍。(3) 該板片的傳熱和阻力特性曲線，計算關(guān)聯(lián)準則式。設(shè)計計算時，換熱器的流程組合及結(jié)構(gòu)尺寸未定，冷、熱流體的流量、進出口溫度六個量需要給定五個。還要給定最大許用壓力損失，設(shè)計溫度。然后查平均工作溫度下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)，主要

44、包括：密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)及粘度。算出熱負荷，計算對數(shù)平均溫差，確定溫差修正系數(shù)，算出六個量中的未知量。然后假定冷、熱流體的流程數(shù)、流道數(shù)，假定冷、熱流體板間流速，算得該流速下的雷諾數(shù)，努塞爾數(shù)，兩側(cè)對流換熱系數(shù)，然后求出總的傳熱系數(shù)，由計算出的換熱系數(shù)確定出實際所需的換熱面積并校核，如果和要求面積相差很小，可以認為計算正確，這樣可以求出板片數(shù)。然后根據(jù)板間流速初值確定流體需要的總的流道截面積。由板片數(shù)，可算出所需的并聯(lián)通道數(shù)。流道數(shù)、板片應(yīng)湊成整數(shù)。如果面積相差很大，重新計算。接下來就可以用相應(yīng)的阻力系數(shù)和準則關(guān)系式計算出壓力損失并校核。如果壓力損失超過許用的數(shù)值，則將流速取低一些重新計算

45、。流速取低，將使傳熱系數(shù)降低，換熱面積增大，板片數(shù)增多。新的結(jié)果再與許用阻力相比，如不合適就再重新計算，一直到滿意為止。如果所得的阻力遠低于給定值，這意味著換熱器換熱效果差，這時應(yīng)增加板間流速，即換熱器設(shè)計也須重新計算14。4.2 傳熱過程 板式換熱器中冷、熱流體之間的換熱一般都是通過流體的對流換熱（或相變換熱）、垢層及板片的導(dǎo)熱來完成的，由于參與傳熱的流體通常都是液體而不是氣體，故不存在輻射換熱。4.2.1 對流換熱 對流和導(dǎo)熱都是傳熱的基本方式。對于工程上的傳熱過程，流體總是和固體壁面直接相接觸的。因此，熱量的傳遞一方面是依靠流體質(zhì)點的不斷運動的混合，即所謂的對流作用；另一方面依靠由于流體

46、和壁面以及流體各處存在溫差面造成的導(dǎo)熱作用。這種對流和導(dǎo)熱同時存在的過程，稱為對流換熱。 由于引起流體流動的原因不同而使對流換熱的情況有很大的差異，所以將對流換熱分為兩大類。一類是自然對流（或稱自由流動）換熱，即因流體各部分溫度不同引起的密度差異所產(chǎn)生的流動換熱，如：空氣沿散熱器表面的自然對流換熱；另一類是強制對流（或稱為強迫流動）換熱，即流體在泵或風(fēng)機等外力作用下流動時的換熱，如：熱水在泵的驅(qū)動下，在管內(nèi)流動時的換熱。一般情況下，強制流動時，流體的流速高于自由流動時，所以強制流動的對流換熱系數(shù)高。如：空氣的自由流動換熱系數(shù)約為525W /(m2K) ，而它的強制流動傳熱系數(shù)為10100W /

47、(m2K) 。影響對流換熱的因素很多，如流體的物性（比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、密度、粘度等），換熱器表面形狀、大小，流體的流動方式，都會影響對流換熱，而且情況很復(fù)雜。在傳熱計算上為了方便，建立了以下的對流換熱量的計算公式14（牛頓冷卻公式）： (4.1)式中：Q換熱量，W； 對流換熱系數(shù)，W /(m2K) ； tw、tf分別為壁面溫度與流體溫度，； F換熱面積，m2。 由該公式可見，影響對流換熱的因素都被歸結(jié)到對流換熱系數(shù)中，對流換熱系數(shù)數(shù)值上的大小反映了對流換熱的強弱。4.2.2 相變換熱 在對流換熱中發(fā)生著蒸汽的凝結(jié)或液體的沸騰（或蒸發(fā)）的換熱過程，統(tǒng)稱為相變換熱。由于在這類換熱過程中，同時發(fā)生著

48、物態(tài)的變化，情況要比單相流體中的對流換熱復(fù)雜得多，所以，相變換熱問題成為一個獨立的研究領(lǐng)域，而一般的對流換熱問題也就僅指單相流體而言。 （1）凝結(jié)換熱 蒸汽和低于相應(yīng)壓力下飽和溫度的壁面相接觸，在壁面上就會發(fā)生凝結(jié)。蒸汽釋放出汽化潛熱而凝結(jié)成液體，這種放熱現(xiàn)象稱為凝結(jié)換熱。 按照蒸汽在壁面上的凝結(jié)形式不同，可分為兩種凝結(jié)。一種為膜狀凝結(jié)，即凝結(jié)液能很好地潤濕壁面，凝結(jié)液以顆粒狀液珠的形式附著在壁面上，如水蒸汽在有油的壁面上凝結(jié)情況。膜狀凝結(jié)時所釋放出來的潛熱必須通過凝結(jié)膜才能供給較低溫度的壁面，顯然，這層液膜成為一項熱阻。而珠狀凝結(jié)時，換熱是在蒸汽與液珠表面和蒸汽與裸露的冷壁間進行的，所以膜狀

49、凝結(jié)傳熱系數(shù)要比珠狀凝結(jié)傳熱系數(shù)低，如：水蒸汽在大氣壓下，膜狀凝結(jié)傳熱系數(shù)約為W/(m2K)，但是在工業(yè)過程中，一般都是膜狀凝結(jié)，除非對壁面進行預(yù)處理或在蒸汽中加入促進劑。 （2）沸騰換熱 液體在受熱情況下產(chǎn)生的沸騰或蒸發(fā)吸熱過程，稱為沸騰換熱，這是一種流體由液相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀嗟膿Q熱過程。液體在受熱表面上的沸騰可分為大空間沸騰（池沸騰）和有限空間沸騰（強迫對流沸騰）。不論哪種沸騰，又都有過冷沸騰和飽和沸騰之分。過冷沸騰是在液體主流溫度低于相應(yīng)壓力下的飽和溫度而加熱壁面溫度已超過飽和溫度的條件下所發(fā)生的沸騰現(xiàn)象。飽和沸騰則是液體的主流溫度超過了飽和溫度，從加熱壁面產(chǎn)生的氣泡不再被液體重新凝結(jié)的沸騰。

50、4.2.3導(dǎo)熱 在板式換熱器中，板片及垢層的傳熱均屬于導(dǎo)熱。由于板片及垢層的厚度和板面尺寸相比很小，所以導(dǎo)熱過程可認為是沿厚度方向的一維導(dǎo)熱，其計算公式為14： （4.2） 式中：Q換熱量,W； 導(dǎo)熱系數(shù)，W /(mK) ； t導(dǎo)熱溫差，； F換熱面積，m2。4.3熱力計算 熱力計算的目的在于使所設(shè)計的換熱器在服從傳熱方程式的基礎(chǔ)上能夠滿足熱負荷所應(yīng)具有的換熱面積、傳熱系數(shù)、總傳熱系數(shù)、平均溫差等綜合方面的計算。4.3.1設(shè)計要求 （1）板間流速 板間流體的流速，影響傳熱性能和壓降，高的傳熱系數(shù)的同時也增加了流體的阻力；反之，相反。一般平均流速0.20.8m/s（主線上的流速比平均流速高45倍

51、）。當流速小于0.2m/ s，流體達到湍流狀態(tài)和形成較大的死角區(qū)，流速過高會導(dǎo)致壓力降急劇增加。具體設(shè)計時，可以先確定一個流速，計算其阻力降是否在給定的范圍內(nèi)；也可按給定的壓力降求出流速的初選值。在阻力降容許的情況下取大值，以提高對流傳熱系數(shù)，從而減小換熱面積，節(jié)省設(shè)備投資。 （2）流程組合板式換熱器一般是對稱的流道，兩流體體積流量大約一致，應(yīng)安排等流程；如果流的兩側(cè)之間的流量差異大，流量小的一側(cè)可以布局更多流程。一側(cè)是相變流體，板式熱交換器通常是單程的。多通道熱交換器中，除非特別需要，通常在每個流程中相同的流體應(yīng)該采取同樣的流道數(shù)。給定的總的允許壓力降，多程布置使得相應(yīng)的每個流程允許壓降變得

52、更小，從而迫使流速降低，對傳熱不利。此外，不等程安排是降低平均溫差的一個重要原因，應(yīng)盡可能避免。 一程中并聯(lián)流道數(shù)的數(shù)目由給定流量及選取的流速而定，流速決定于可受允許壓降，小于給定的流速時，流道的數(shù)目取決于流量大小。 由于單流程并聯(lián)式流程的結(jié)構(gòu)簡單，所以本設(shè)計選單流程并聯(lián)式流程組合方式進行設(shè)計計算。 （3）選擇板片 1）板片的波紋型式只有人字形波紋和水平平直波紋兩種。波紋板的型式，應(yīng)按工藝條件進行選擇。人字形板被廣泛使用，人字角大的板片(如：=120，稱為H板片)，適用于允許阻力損失較大，而傳熱效率要求高的場合；人字角小的板片(如=60，稱為L板片)，適用于阻力損失限制要求非常嚴格的場合。水平平直波紋板片則適用于傳熱效率高，阻力損失也適中的場合。人字形波紋板的承壓能力可高于1.0MPa，水平平直波紋板片的承壓能力一般都在1.0MPa左右；人字形波紋板片的傳熱系數(shù)和流體阻力都高于水平平直波紋板片。選擇板片的波紋型式，主要考慮板式換熱器的工作壓力、流體的壓力降和傳熱系數(shù)。如果工作壓力在1.6MPa以上，則別無選擇的要采用人字形波紋板片；如果工作壓力不高，又特別要