板式換熱器設(shè)計

第1章概論通過廣泛的應(yīng)用與實(shí)踐，人們加深了對板式換熱器優(yōu)越性的認(rèn)識，隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大和制造技術(shù)的進(jìn)步，使板式換熱器的發(fā)展加快，目前已成為很重要的換熱設(shè)備。1.1板式換熱器發(fā)展簡史目前板式換熱器已成為高效、緊湊的熱交換設(shè)備，大量地應(yīng)用于工業(yè)中。它的發(fā)展已有一百多年的歷史。德國在1878年發(fā)明了板式換熱器，并獲得專利，到1886年，由法國M.Malvazin首次設(shè)計出溝道板板式換熱器，并在葡萄酒生產(chǎn)中用于滅菌。APV公司的R.Seligman在1923年成功地設(shè)計了可以成批生產(chǎn)的板式換熱器，開始時是運(yùn)用很多鑄造青銅板片組合在一起，很像板框式壓濾機(jī)。1930年以后，才有不銹鋼或銅薄板壓制的波紋板片板式換熱器，板片四周用墊片密封，從此板式換熱器的板片，由溝道板的形式跨入了現(xiàn)代用薄板壓制的波紋板形式，為板式換熱器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。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(xiàn)，也是板式換熱器設(shè)計開發(fā)最重要的技術(shù)理論依據(jù)。如：19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，雷諾用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了層流和紊流的客觀存在，提出了雷諾數(shù)一一為流動阻力和損失奠定了基礎(chǔ)。此外，在流體、傳熱方面有杰出貢獻(xiàn)的學(xué)者還有瑞利、普朗特、庫塔、儒可夫斯基、錢學(xué)森、周培源、吳仲華等。近幾十年來，板式換熱器的技術(shù)發(fā)展，可以歸納為以下幾個方面：（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、人字形波紋等形式繁多的波紋片。同一種形式的波紋，又對其波紋的斷面尺寸一一波紋的高度、節(jié)距、圓角等進(jìn)行大量的研究，同時也發(fā)展了一些特殊用途的板片。（2）研究適用于腐蝕介質(zhì)的板片、墊片材料及涂（鍍）層。（3）研究提高使用壓力和使用溫度。（4）發(fā)展大型板式換熱器。（5）研究板式換熱器的傳熱和流體阻力。（6）研究板式換熱器提高換熱綜合效率的可能途徑。1.2我國板式換熱器設(shè)計制造應(yīng)用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(jī)器廠根據(jù)一些資料設(shè)計、制造了單板換熱器面積為0.52m2的水平平直波紋板片的板式換熱器，這是我國首家生產(chǎn)的板式換熱器，供造紙廠、維尼綸廠等使用。八十年代初期，該廠又引進(jìn)了W.Schmidt公司的板式換熱器制造技術(shù)，增加了板式換熱器的品種。1967年，蘭州石油機(jī)械研究所對板片的六種波紋型式作了對比試驗(yàn)，肯定了人字形波紋的優(yōu)點(diǎn)，并于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決策起了重要的作用。1983年，蘭州石油機(jī)械研究所組織了板式換熱器技術(shù)交流會，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(jìn)行了討論，促進(jìn)了我國板式換熱器的發(fā)展。國家石油鉆采煉化設(shè)備質(zhì)量監(jiān)測中心還對板式換熱器的性能進(jìn)行了大量的測定。清華大學(xué)于八十年代初期，對板式換熱器的換熱、流體阻力和優(yōu)化等方面進(jìn)行了理論研究，認(rèn)為板式換熱器的換熱，以板間橫向繞流作為換熱物理模型，該校還對板式換熱器的熱工性能評價指標(biāo)及板式換熱器的計算機(jī)輔助設(shè)計進(jìn)行了研究。近幾十年來，他們還作了大量的國產(chǎn)板片的性能測定。河北工學(xué)院就板式換熱器的流體阻力問題進(jìn)行了研究，認(rèn)為只有當(dāng)板片兩側(cè)的壓差相等或壓差很小時，板片以自身的剛性使板間距保持在設(shè)計值上，否則板片會發(fā)生變形，致使板間距發(fā)生變化，出現(xiàn)受壓通道和擴(kuò)張通道。其次，他們把板式換熱器的流體阻力分解為板間流道阻力和角孔道阻力（包括進(jìn)、出口管）進(jìn)行整理，得到一種新的流體阻力計算公式。天津大學(xué)對板式換熱器的兩相流換熱及其流體主力計算進(jìn)行了大量的研究，得出考慮因素比較全面的換熱計算公式。近年來，研制了非對稱型的板式換熱器，進(jìn)行了國產(chǎn)板式換熱器的性能測定及優(yōu)化設(shè)計等工作。華南理工大學(xué)、大連理工大學(xué)等高等院校和科研單位，也對板式換熱器的換熱、流體阻力理論或工程應(yīng)用方面作了很多有益的工作。進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，我過的板式換熱器研究取得了長足的進(jìn)步，在借鑒國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的同時，也逐漸形成了自己的一套設(shè)計開發(fā)模式，與世界領(lǐng)先技術(shù)的差距進(jìn)一步縮小。我國板式換熱器的制造廠家有四五十家、年產(chǎn)各種板式換熱器數(shù)千臺計，但是我國的板式換熱器的應(yīng)用遠(yuǎn)不及國外，這與人們對板式換熱器的了解程度、使用習(xí)慣以及國內(nèi)產(chǎn)品的水平有關(guān)。七十年代，板式換熱器主要應(yīng)用于食品、輕工、機(jī)械等部門；八十年代也僅僅是應(yīng)用到民用建筑的集中供熱；八十年代中期開始，在化工工藝流程中較苛刻的場合也出現(xiàn)了板式換熱器的身影。由于人們對板式換熱器工作原理、熱力計算、校驗(yàn)等不熟悉的原因，使得板式換熱器在開發(fā)到應(yīng)用的時間跨度上，花費(fèi)了較多的時間。第2章板式換熱器基本構(gòu)造板式換熱器是用薄金屬板壓制成具有一定波紋形狀的換熱板片，然后疊裝，用夾板、螺栓緊固而成的一種換熱器。工作流體在兩塊板片間形成的窄小而曲折的通道中流過。冷熱流體依次通過流道，中間有一隔層板片將流體分開，并通過此板片進(jìn)行換熱。板式換熱器的結(jié)構(gòu)及換熱原理決定了其具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、傳熱效率高、操作靈活性大、應(yīng)用范圍廣、熱損失小、安裝和清洗方便等特點(diǎn)。2.1整體結(jié)構(gòu)板式換熱器的結(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，它是由板片、密封墊片、固定壓緊板、活動壓緊板、壓緊螺柱和螺母、上下導(dǎo)桿、前支柱等零部件所組成，如圖2-1所示：Roller圖2-1板式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2流程組合方式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2-2［a］、［b］、［c］是典型的排列方式）流程組合的表示方式為：MxN+MxN+…+MxNmxn+mxn+...+mxn1122ii式中：M，M，???M:從固定壓緊板開始，甲流體側(cè)流道數(shù)相等的流程數(shù);12N1，“，???N:M，M，???M中的流道數(shù)；i12im「m2，??『j:從固定壓緊板開始，乙流體側(cè)流道數(shù)相等的流程數(shù);n「氣，???n::m，m，??『中的流道數(shù)。i12i［b］并聯(lián)圖2-2典型的流程組合第3章板式換熱器的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用人們通過科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐，對板式換熱器的特點(diǎn)有了深刻的了解，并總結(jié)出一系列優(yōu)缺點(diǎn)。3.1板式換熱器優(yōu)缺3.1.1板式換熱器優(yōu)點(diǎn)傳熱系數(shù)高管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)，從強(qiáng)度方面看是很好的，但從換熱角度看并不理想，因?yàn)榱黧w在殼程中流動時存在著折流板一殼體、折流板一換熱管、管束一殼體之間的旁路。通過這些旁路的流體，并沒有充分地參與換熱。而板式換熱器，不存在旁路，而板片的波紋能使流體在較小的流速下產(chǎn)生湍流。所以板式換熱器有較高的傳熱系數(shù)，一般情況下是管殼式換熱器的3?5倍。對數(shù)平均溫差大在管殼式換熱器中，兩種流體分別在殼程和管程內(nèi)流動，總體上是錯流的流動方式。如果進(jìn)一步分析，殼程為混合流動，管程是多股流動，所以對數(shù)平均溫差都應(yīng)采用修正系數(shù)。修正系數(shù)通常較小。流體在板式換熱器內(nèi)的流動，總體上是并流或逆流的流動方式，其溫差修正系數(shù)一般大于0.8,通常為0.95。占地面積小板式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積內(nèi)的換熱面積為管殼式換熱器的25倍，也不像管殼式換熱器那樣需要預(yù)留抽出管束的檢修場地，因此實(shí)現(xiàn)同樣的換熱任務(wù)時，板式換熱器的占地面積約為管殼式換熱器的1/5?1/10。重量輕板式換熱器的板片厚度僅為0.6?0.8mm，管殼式換熱器的換熱管厚度為2.0?2.5mm；管殼式換熱器的殼體比板式換熱器的框架重得多。在完成同樣的換熱任務(wù)的情況下，板式換熱器所需要的換熱面積比管殼式換熱器的小。價格低在使用材料相同的前提下，因?yàn)榭蚣芩枰牟牧陷^少，所以生產(chǎn)成本必然要比管殼式換熱器低。末端溫差小管殼式換熱器，在殼程中流動的流體和換熱面交錯并繞流，還存在旁流，而板式換熱器的冷、熱流體在板式換熱器內(nèi)的流動平行于換熱面，且無旁流，這樣使得板式換熱器的末端溫差很小，對于水一水換熱可以低于1°C,而管殼式換熱器大約為5C，這對于回收低溫位的熱能是很有利的。污垢系數(shù)低板式換熱器的污垢系數(shù)比管殼式換熱器的污垢系數(shù)小得多，其原因是流體的劇烈湍流，雜質(zhì)不宜沉積；板間通道的流通死區(qū)小；不銹鋼制造的換熱面光滑、且腐蝕附著物少，以及清洗容易。多種介質(zhì)換熱如果板式換熱器安裝有中間隔板，則一臺設(shè)備可以進(jìn)行三種或三種以上介質(zhì)的換熱。清洗方便板式換熱器的壓緊板卸掉后，即可松開板束，卸下板片，進(jìn)行機(jī)械清洗。容易改變換熱面積或流程組合只需要增加(或減少)板片，即可達(dá)到需要增加(或減少)的換熱面積。3.1.2板式換熱器缺點(diǎn)工作壓力在2.5MPa以下板式換熱器是靠墊片進(jìn)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，其工作壓力往往低于2.5MPa。工作溫度在250C以下板式換熱器的工作溫度決定于密封墊片能承受的溫度。用橡膠類彈性墊片時，最高工作溫度在200C以下；用壓縮石棉絨墊片(Caf)時，最高工作溫度為250?260C。不宜于進(jìn)行易堵塞通道的介質(zhì)的換熱板式換熱器的板間通道很窄，一般為3?5mm,當(dāng)換熱介質(zhì)中含有較大的固體顆粒或纖維物質(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板式換熱器應(yīng)用板式換熱器早期只應(yīng)用于牛奶高溫滅菌、果汁加工、啤酒釀造等輕工業(yè)部門。隨著制造技術(shù)的提高，出現(xiàn)了耐腐蝕的板片材料和耐溫、耐腐蝕的墊片材料，板片也逐漸大型化。現(xiàn)代的板式換熱器廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)中，進(jìn)行液一液、氣一液、汽一液，換熱和蒸發(fā)、冷凝等工藝過程。諸如：化學(xué)工業(yè)、食品工業(yè)、冶金工業(yè)、石油工業(yè)、電站、核電站、海洋石油平臺、機(jī)械工業(yè)、污水處理、民用建筑工業(yè)等。第4章板式換熱器熱力及相關(guān)計算板式換熱器中冷、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。4.1傳熱過程4.1.1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(diǎn)的不斷運(yùn)動的混合，即所謂的對流作用；另一方面依靠由于流體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(qiáng)制對流（或稱為強(qiáng)迫流動）換熱，即流體在泵或風(fēng)機(jī)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(qiáng)制流動時，流體的流速高于自由流動時，所以強(qiáng)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5?25W/（m2.°C），而它的強(qiáng)制流動傳熱系數(shù)為10?100W（m2.C）。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（牛頓冷卻公式）：Q=a（5A或q=a（tw-tf）有該公式可見，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(qiáng)弱。4.1.2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(dú)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。4.2總傳熱系數(shù)的計算4.2.1由熱阻關(guān)系求解熱阻板片熱側(cè)流體傳熱熱阻■!，污垢層熱阻Rs1，板片熱阻|，板片冷側(cè)流1體傳熱熱阻上，污垢層熱阻Rs2。它們之和即為總熱阻，總熱阻的倒數(shù)也就是總2傳熱系數(shù)，故其計算式為：K=(—+R+-+—+R)-1

asi人as2為了解決腐蝕問題，有的換熱器的板片表層涂有防腐蝕涂層，因而存在涂層熱阻R?、孔，總傳熱系數(shù)的計算式則為：K=(—+R+-+-1+R+R+R)-1

asi人aS2coico2涂層的厚度雖然一般僅為幾十微米，但涂層的導(dǎo)熱系數(shù)很小，一般為0.3?0.6W/(m?°C)，所以涂層熱阻相當(dāng)大，絕對不能忽略。4.2.2由傳熱方程求解傳熱的基本方程式為Q=KAAy由此可求得總傳熱系數(shù)K=Q/(AAtm)換熱量Q的計算換熱量Q的計算可根據(jù)具體情況，分別在下列各式中選用:單相流體的吸、放熱Q=qmcp（t't''）如果在板式冷凝器中產(chǎn)生過冷或板式蒸發(fā)器中發(fā)生過熱，則總熱量為凝結(jié)段放熱量與過冷段放熱量之和，或?yàn)檎舭l(fā)段吸熱量與過熱段吸熱量之和。（2）流體比熱容或傳熱系數(shù)變化時的平均溫差當(dāng)流體的比熱容不隨溫度變化時，流體溫度的變化與吸收或放出的熱量成正比，即成線性關(guān)系。當(dāng)流體的比熱容變化不大時，可取某一溫度時的比熱容作為平均比熱容。如果在設(shè)計的溫度范圍內(nèi)，比熱容隨溫度的變化顯著（大于2?3倍），則用對數(shù)平均溫差的誤差很大，應(yīng)改用積分平均溫差。（3）換熱面積A的計算在板式換熱器的計算中，換熱面積A應(yīng)采用有效換熱面積（A為單板的有效換o熱面積，％為總的有效換熱面積，*為總的有效傳熱板片數(shù)）Ae=NeAo4.2.3計算確定在設(shè)計計算中，常常需要知道比較準(zhǔn)確的總傳熱系數(shù)值，這可以通過總傳熱系數(shù)的計算確定。但由于計算傳熱系數(shù)的公式有一定誤差及污垢熱阻也不容易準(zhǔn)確估計等原因，計算得到的總傳熱系數(shù)值與實(shí)際情況也會有出入。4.3垢阻的確定投入運(yùn)行的板式換熱器都將因與流體的接觸而在板片上結(jié)垢。由于垢層的導(dǎo)熱都比較差，所以污垢的形成即使其厚度很薄，也對傳熱會有較大的削弱，特別是在結(jié)垢嚴(yán)重，導(dǎo)致通道部分被堵塞的情況下將會使傳熱大大的惡化。為了衡量污垢對傳熱的影響，常用污垢熱阻Rs或其倒數(shù)一污垢系數(shù)as來度量，即

圖4-1污垢熱阻與時間的關(guān)系污垢熱阻的大小和流體種類、流體流速、運(yùn)行溫度、流道結(jié)構(gòu)、傳熱表面狀況、傳熱面材料等多種因素有關(guān)。污垢在傳熱面上沉積速率一般都是先積垢較快，而后較慢，最后趨向于某一穩(wěn)定數(shù)。如圖4-1所示。由于板式換熱器中的高端流度、一方面可使污垢的聚集量減小，同時還起到?jīng)_刷清洗作用，所以板式換熱器中垢層一般都比較薄。美國傳熱研究公司對水冷卻塔所用的板式和管殼式換熱器結(jié)垢的實(shí)驗(yàn)研究表明，板式換熱器的污垢熱阻不到管殼式的一半。在設(shè)計選取板式換熱器的污垢熱阻值時，其數(shù)值應(yīng)不大于客觀是的公開發(fā)表的污垢熱阻值的1/5。J.Marriott提供了板式換熱器中的具體污垢熱阻值，詳見表4-1所示表4-1板式換熱器中的污垢熱阻值液體名稱污垢熱阻(m2.OC/W)液體名稱污垢熱阻(m2.C/W)軟水或蒸餾水0.000009機(jī)器夾套水0.000052城市用軟水0.000017潤滑油水0.000009~0.000043城市用硬水(加熱時)0.000043植物油0.000007~0.000052處理過的冷卻水0.000034有機(jī)溶劑0.000009~0.000026沿海海水或港灣水0.000043水蒸氣0.000009大洋的海水0.000026工藝流體、一般流體0.000009~0.000052第5章板式換熱器相關(guān)熱力計算方法及設(shè)計、綜合分析設(shè)計計算是板式換熱器工程設(shè)計的核心，其中熱力計算是其中非常重要的一部分，同時還有壓降計算等相關(guān)分析計算。5.1計算類型、方法及工程設(shè)計一般原則在進(jìn)行板式換熱器熱力計算的時候，不僅要滿足設(shè)計所需的要求，而且不同于傳統(tǒng)的管殼式換熱器，它不需要作任何元件或結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計，所需的只是恰當(dāng)?shù)亟M合板片并進(jìn)行傳熱計算和壓降計算，得出所需的總換熱面積與板片數(shù)。由于板片的傳熱與壓降性能緊密相關(guān)，因此，在接下來的熱力計算過程中，將會涉及一部分壓降計算相互交替進(jìn)行。5.2計算的類型及方法5.2.1計算的類型與其它換熱器一樣，板式換熱器的熱力計算也分為設(shè)計計算與校核計算兩種。（1）設(shè)計計算通常，兩側(cè)流體的流量及四個進(jìn)、出口溫度中的任意三個已給定，要求計算出在滿足一定壓力限制條件下的有效傳熱面積與流程、通道排列組合方式。（2）校核計算與設(shè)計計算相反，換熱面積以及流道布置都已經(jīng)已知的，而且冷、熱流體的流量以及進(jìn)出口溫度也為已知值，要求核算在該通道布置方案下，流體出口溫度能否達(dá)到預(yù)定目標(biāo)及壓力降是否滿足要求值。對于上述的兩種不同類型的計算所依據(jù)的基本原理是完全一致的，但是他們在計算方法或步驟上存在著很大的差別。事實(shí)上，在作某一換熱場合的工程設(shè)計的時候，往往需要兩種類型的計算均要用到。即先用設(shè)計計算算法求出換熱面積與通道布置，再利用校核計算程序核定這個面積與布置是否完成預(yù)定的換熱任務(wù)。5.2.2必備的資料（計算準(zhǔn)備）（1）選用范圍以內(nèi)的各種板片的主要幾何參數(shù)，如：單板有效換熱面積、當(dāng)量直徑或板間距、通道橫截面及通道長度等。（2）適用介質(zhì)種類與適用溫度，壓力范圍。（3）傳熱及壓降關(guān)聯(lián)式或以圖線形式提供的板片性能資料。（4）所用流體在平均工作溫度下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)，主要包括：密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)及粘度。5.2.3計算的基本關(guān)聯(lián)式（1）熱力計算熱力計算所依據(jù)的基本關(guān)聯(lián)式主要有傳熱方程式：Q=a（t_t）A或q=a（t-tf）熱平衡方程式Q=KAAtm5.2.4計算的基本方法板式換熱器的熱力計算，無論設(shè)計型或是校核型，均可采用下述兩種方法中的任意一種。即：平均溫差法（簡稱LMTD方法）；溫度效率一傳熱單元數(shù)法（即NTU法）。這里對兩種類型的計算法做一個簡單的對比見表5-1、表5-2。表5-1設(shè)計型計算的步驟平均溫差法NTU法（e—NTU）1：求溫度及總換熱量1：同左2：造型及布置通道，求出對數(shù)平均溫差2：造型及布置通道并求出溫度效率e3：求兩側(cè)對流傳熱系數(shù)及總傳熱系數(shù)3：同左4：得出換熱面積4：由e—NTU關(guān)系式或圖線得出NTU值，從而求出所需的換熱面積5：檢驗(yàn)與原設(shè)計面積是否一致(如不一致，重新布置并重復(fù)1-5步計算，知道一致為止)5：同左表5-2校核型計算的步驟平均溫差法NTU法（e—NTU）1：假設(shè)一個出口溫度并得出換熱量Q‘1：同左2：由給定通道布置求出對流傳熱系數(shù)與總傳熱系數(shù)2：同左3：求平均傳熱溫差3：求NTU值4：得換熱量Q4：求得e與換熱量Q‘5：比較Q，與Q，如不一致，重復(fù)1-5步驟直至一致5：同左5.2.5板式換熱器的計算特點(diǎn)無論是哪種類型，也無論采用哪種計算方法，均需疊代計算，但不同方法所需疊代次數(shù)不一樣。在作設(shè)計計算時，平均溫差法與8-NTU方法繁簡程度類似。前者須求出溫差修正系數(shù)W,后者須求出與通道組合相應(yīng)的8-NTU關(guān)系式或利用線圖。作校核計算時，一般8-NTU方法疊代次數(shù)少，因此，在實(shí)用中我們經(jīng)常使用平均溫差法作設(shè)計，而用e-NTU方法來校驗(yàn)。以上所述的特點(diǎn)均是在正規(guī)工程設(shè)計中所體現(xiàn)出來的。有時在實(shí)際計算中，也可采用簡便的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)估計方法與線圖解法。由于計算機(jī)的應(yīng)用日益普及，給板式換熱器的工程設(shè)計計算帶來了極大的便利與效益，在后面涉及到的計算中將會詳細(xì)介紹。5.3工程設(shè)計、計算的一般原則在設(shè)計、計算一臺換熱器的時候，應(yīng)分析其設(shè)計壓力、涉及溫度、介質(zhì)特性、經(jīng)濟(jì)性等因素，并和其他換熱器設(shè)備進(jìn)行一定程度上的比較，如板式換熱器與管殼式換熱器的一般比較。5.3.1選擇板片的波紋型式板片的波紋型式只要有人字形波紋和水平平直波紋兩種。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，又特別要求阻力降低，則選用水平平直波紋板片較好一些；如果由于安裝位置所限，需要較高的換熱效率以減少換熱器占地面積，而阻力降可以不受限制，則應(yīng)選用人字形波紋板片。5.3.2單板面積的選擇單板面積過小，則板式換熱器的板片數(shù)多，也使得占地面積增大，程數(shù)增多，導(dǎo)致阻力降增大；反之，雖然占地面積和阻力降減小了，卻難以保證板間通道必要的流速。單板面積可按流體流過角孔的速度為6m/s左右考慮。按角孔中速度為6m/s時，則各種單板面積組成的板式換熱器處理量見表5-3。表5-3單臺最大處理量參考值單板面積(m2)0.10.20.30.50.81.02.0角孔直徑(mm)40?5065?8080?100125?150175?200200?250250?400單臺最大流通能力(m3/h)27?4271.4?137103?170264?381520?678678?1060678?25005.3.3流速的選取流體在板間的流速，影響換熱性能和流體的壓力降，流速高雖然換熱系數(shù)高，但是流體的阻力降也增大;反之的情況則相反。一般板間平均流速為0.2?0.8m/s(主流線上的流速要比平均值高4?5倍)。流速低于0.2m/s時流體就達(dá)不到湍流狀態(tài)且會形成較大的死角區(qū)，流速過高則會導(dǎo)致阻力降劇增。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。5.3.4流程的選取對于一般對稱型流道的板式換熱器，兩流體的體積流量大致相當(dāng)時，應(yīng)盡可能按等程布置；如果兩側(cè)流量相差懸殊時，則流量小的一側(cè)可采取多流程布置。相變板式換熱器的相變一側(cè)一般均為單程。多程換熱器，除非特殊的需要，一般對同一流體在各程中應(yīng)采取相同的流道數(shù)。在給定的總允許壓降下，多程布置使每一程對應(yīng)的允許壓降變小，迫使流速降低，對換熱不利。此外不等程的多程布置是平均傳熱溫差減小的重要原因之一，應(yīng)盡可能避免。近年來國產(chǎn)的板式換熱器出現(xiàn)了非對稱通道的板式換熱器，國外則采取“熱混合”的板片組合方式，即允許熱量一流量一壓降三者之間的不匹配的問題，同時節(jié)省換熱面積。5.3.5流體的選取單相換熱時，逆流具有最大的平均傳熱溫差。在一般換熱器的工程設(shè)計中都盡量把流體布置為逆流。對板式換熱器來說，要做到這一點(diǎn)，兩側(cè)必須為等程。若安排為不等程，則順逆流需交替出現(xiàn)，此時的平均傳熱溫差將明顯小于純逆流時。在相變換熱時順流布置與逆流布置平均溫差的區(qū)別比單相換熱時小，但由于這時牙尖大小與流向有密切關(guān)系，所以相對流向的選擇將主要考慮壓降因素，其次才是平均溫差。其中要特別注意的是，有相變的流體除不宜采用多程外，還要求要從板片的上部進(jìn)，下部出，以便排除冷凝液體。5.3.6板式換熱器設(shè)計其他注意事項(xiàng)（1）板式換熱器一般不適用于氣體的熱交換。（2）進(jìn)行易爆、易燃介質(zhì)換熱的板式換熱器的設(shè)計壓力，至少要比介質(zhì)的工作壓力高出一個公稱級別以上。而墊片的耐溫、耐腐蝕性能必須可靠。（3）進(jìn)行強(qiáng)腐蝕介質(zhì)（如：硫酸）換熱的板式換熱器，其板束周圍宜設(shè)置一個防護(hù)罩。對雜質(zhì)較多的介質(zhì)進(jìn)行換熱時，介質(zhì)的進(jìn)口管道上最好設(shè)置過濾器，單程排列。此外還應(yīng)盡可能選用通道間隙較大的板片。對工作壓力和工作溫度都較高的工況，可拆式板式換熱器無法適應(yīng)時，應(yīng)采用焊接式板式換熱器。第6章板式換熱器實(shí)例計算板式換熱器是一種新型的節(jié)能熱交換裝置，具有傳熱效果高、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、操作簡便，清洗、拆卸、維護(hù)方便，容易改變換熱面積或流程組合等優(yōu)點(diǎn)。該產(chǎn)品適用于化工、機(jī)械、食品、飲料、醫(yī)藥、住宅供暖、供熱水、空調(diào)等部門。板式換熱器，今欲將流量為qm=10000kg/h的熱油從120°C冷卻到50°C,冷水的入口溫度為40C，出口溫度為75C，壓降最大不超過60kPa。圖6-1可拆式板式換熱器實(shí)物圖計算換熱熱流量，并求出位置的質(zhì)量流量或未知的溫度換熱熱流量①=qc(t、一t”)=[10000x2.48x(120-50)]kJ/h=1736000kJ/hmlpl11所需冷水量q=一-一二1736000kg/h=11894kg/hm2c(t"-1')4.17(75-40)p22根據(jù)有關(guān)條件，數(shù)據(jù)及資料選擇傳熱版型號設(shè)選擇蘭州石油化工機(jī)械廠制造的BP型板片。從廠家產(chǎn)品規(guī)格查得，板間距s=4.8mm，流道寬b=430，板厚為1.2mm單片傳熱的投影面積為0.52，傳熱準(zhǔn)則關(guān)系為Nu=0.091Re0.73Pr〃，壓降的準(zhǔn)則關(guān)系視為Eu=42400Re-0.545，當(dāng)流程m,數(shù)m'<7是，應(yīng)乘以校正系數(shù)小，即Eu'=Eu^=Eu—。

設(shè)定流程組合假定流程數(shù)為m1、m2:熱油m1=4，冷水m2=3O假定通道數(shù)n、n:熱油n=3，冷水n=4。1212由通道數(shù)與流程板片數(shù)N為tN'-mn+mn+1=4x3+3x4+1=25計算平均溫差A(yù)tm按逆流計算時，At=120-75-(50-40)=23.3C1m,120-75In50-40P=EZ4O=0.44,R=冬0=2120-4075-40按3殼程，4管程的殼管式換熱器查的修正系數(shù)刈=0.88個，故At=vA\=0.88x23.3=20.5°C根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)關(guān)系式，計算兩側(cè)對流換熱系數(shù)氣和a2一t-+1-120+50一.、一對于熱油側(cè)，取t==^20^50=85為定型溫度，由《換熱器原理與設(shè)122計》查得油［動力］粘度氣=6.4x10-4kg/(m?s)，導(dǎo)熱系數(shù)人1=0.133W/(m-k),10000比定壓熱容c=2.48kJ/(kg.K)，密度P=715kg/m3，普朗特數(shù)Pr=11.93，則p111u=im1=m/s=0.63m/s10000g=m11sbnp.x36000.43x0.0048x3x715x3600P1u1=715x0.63kg(m2.s)=450.6kg(m2.s)g=m1d=2s=2x4.8=9.6mme1Re=%=9.6x10-3x成6=67591R6.4x10-41a=土x0.091Re0.73Pr0.3=0.133x0.091x(6759力73x11.930.3=8420W/1d11L9.6x10-3_e1(m2.K)

對于冷水側(cè)，取￡=(75+40)/2°C=57.5°C為定型溫度，由《換熱器原理與設(shè)2計》查得冷水的氣=509.65x10-6kg/(m.s),導(dǎo)熱系數(shù)氣=65.35x10-2W/(m-k),11894比定壓c=4.17kJ/(kg.K)，密度p=985.6kg/m3,Pr=3.27，則p222^=^2=m/s=0.41m/s118942sbn2p2x36000.43x0.0048x4x985.6x3600g2=pJ?=985.6x0.41=404kg(m2.s)Re=4=9.6x10-3x404=76102r509.65x10-62a=%x0.091Re0.73Pr0.4=(65.35x10-2x0.091x7610"x3.270.4)=6791W/2d229.6x10-3e2(m2.K)選定污垢熱阻，計算傳熱系數(shù)K由《換熱器原理與設(shè)計》查得水的污垢熱阻'廣七2=0.000017(m2.K)/W。今板片厚5=1.2mm，不銹鋼板材的導(dǎo)熱系數(shù)人=14.4W/(m?K)，故K=L1a+x+rd1+rd2+a~1211.2x10-3+842014.4+11.2x10-3+842014.4+0.000017+0.000017+16791=2598W/(m2.K)計算所需傳熱面積A和所需板片數(shù)Nt,中_1736000x103°1A==m2=9.1m2KAt2598x3600x20.5由傳熱面積求板片數(shù)NtA91N"=一+2二二+2=19.5a20tA,0.52N'>N故滿足傳熱要求。tt計算壓降A(chǔ)p熱油側(cè)Eu^=42400Re1-0.545=42400x6759-0.545=346流程數(shù)小于7，故m‘一4Eu'=Eum=244.2x—=198i1m7iPwi=198x715x0.632=56189Paw56kPa<Ap允冷水側(cè)Eu2=42400Re-20.545=42400x7610-0.545=325因流程數(shù)小于7,故m'3Eu2=Eu2—2=325x-=1282Ap=Eu'pu2=139x985.6x0.412=23029Paw23kPa<Ap2222允綜上所述，流道布置及傳熱面積和壓降均符合要求，熱力計算完成。該換熱器流道布置如下圖6-2所示。圖6-2板式換熱器流程圖第7章板式換熱器設(shè)計經(jīng)濟(jì)與技術(shù)分析技術(shù)經(jīng)濟(jì)的分析是在不同的技術(shù)方案上進(jìn)行的，因此，對于每個計劃要進(jìn)行的工程項(xiàng)目，都要根據(jù)可能的條件，擬定兩個或更多的技術(shù)方案，彼此間以可比條件進(jìn)行研究、分析與對比，從中優(yōu)選出較為理想的技術(shù)方案。7.1板式換熱器設(shè)計技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析的原則技術(shù)經(jīng)濟(jì)的分析是在不同的技術(shù)方案上進(jìn)行的，因此，對于每個計劃要進(jìn)行的工程項(xiàng)目，都要根據(jù)可能的條件，擬定兩個或更多的技術(shù)方案，彼此間以可比條件進(jìn)行研究、分析與對比，從中優(yōu)選出較為理想的技術(shù)方案。擬定的各技術(shù)方案之間的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)應(yīng)有可比性，諸如：傳熱面積、傳熱系數(shù)、介質(zhì)的應(yīng)用特性及技術(shù)參數(shù)、設(shè)備的安裝條件、動力消耗指標(biāo)等方面。經(jīng)濟(jì)效益的計算原則上也需要有可比性。任何一項(xiàng)項(xiàng)目的實(shí)施，都必然要消耗一定的人力、物力、財力。這些都可以用經(jīng)濟(jì)指標(biāo)作為同一的衡量尺度，以便于進(jìn)行計算比較。時間因素的可比性。各方案在其技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析的時候，應(yīng)該采用相同時間內(nèi)的經(jīng)濟(jì)影響因素，或拆算為相同周期作為對比條件，這樣，才便于比較與分析。7.2板式換熱器設(shè)計技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析的標(biāo)準(zhǔn)（1）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，換熱技術(shù)以及換熱設(shè)備也在不斷地發(fā)展與改進(jìn)，力求技術(shù)上先進(jìn)、可靠、安全與適用，這是我們在評價換熱技術(shù)水平好壞的首要條件。（2）經(jīng)濟(jì)指標(biāo)同其他任一工程項(xiàng)目一樣，應(yīng)對擬議的換熱項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)條件及經(jīng)濟(jì)效益加以研究與重視。必須力求投資少，建設(shè)快，一投入使用周期短、經(jīng)濟(jì)效益好作為衡量的條件。政策標(biāo)準(zhǔn)對于換熱項(xiàng)目的工藝來說，所謂政策標(biāo)準(zhǔn)，就是要符合我國已定的技術(shù)方針政策，例如我國現(xiàn)行的能源政策、環(huán)境保護(hù)與治理等相關(guān)政策。社會標(biāo)準(zhǔn)在討論技術(shù)方案的時候，應(yīng)該考慮工人的生產(chǎn)勞動條件的改善，生活條件的改善與提高。如在建設(shè)一座換熱站的時候應(yīng)該考慮其社會效益?？偨Y(jié)“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”這句話對我們制冷行業(yè)的學(xué)生來說尤為實(shí)用。通過三月艱辛的畢業(yè)設(shè)計，應(yīng)用所學(xué)基礎(chǔ)理論知識和專業(yè)知識，對板式換熱器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，機(jī)械設(shè)計計算，繪制CAD圖，使我們對繪圖軟件進(jìn)行輔助設(shè)計和造型有了新的認(rèn)識。利用圖書館及網(wǎng)上資源獲取設(shè)計所需的參考資料。通過本次換熱器設(shè)計，增強(qiáng)了我們對本專業(yè)的熱愛，培養(yǎng)了我們實(shí)事求是、一絲不茍的學(xué)風(fēng)；培養(yǎng)了我們腳踏實(shí)地、團(tuán)結(jié)協(xié)作的作風(fēng)和愛崗敬業(yè)的精神，激勵了我們創(chuàng)新意識和創(chuàng)新精神；是我們想著具有高層次社會道德、文化修養(yǎng)并掌握先進(jìn)技術(shù)理念與技能的工藝技術(shù)人員、助理工程人員進(jìn)了一步！換熱器課程設(shè)計同時也是喜獲豐收的過程！當(dāng)自己的設(shè)計成果得到老師肯定的那一刻，內(nèi)心是多么的興奮不已！正所謂苦盡甘來，因?yàn)樗俏覀兌昧恕俺种院?，水滴石穿”的道理。致謝首先，向尊敬的導(dǎo)師李老師致以深深的謝意，在大學(xué)三年畢業(yè)設(shè)計期間，李老師以其淵博的知識、開闊的思維使我在知識和能力上獲得極大的提高；更重要的是，李老師在工作方面嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)、積極進(jìn)取的態(tài)度對我產(chǎn)生了巨大的積極影響。這次畢業(yè)論文設(shè)計李老師給予我許多幫助，在設(shè)計的選題以及設(shè)計的方法上，提供了許多寶貴的建議。李老師在畢業(yè)設(shè)計期間，對我們要求嚴(yán)格，使我們能夠基本獨(dú)立完成設(shè)計任務(wù)，培養(yǎng)我們獨(dú)立解決問題的能力，還從自己的寶貴時間中抽時間為我們審閱設(shè)計內(nèi)容，并給予糾錯，幫助改正。這些幫助和教導(dǎo)將使我在今后的學(xué)習(xí)和工作中奮發(fā)向上、積極進(jìn)取，在學(xué)業(yè)和事業(yè)上取得更好的成績。而后更重