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1、板式换热器设计Plate Heat Exchanger我心飞翔 QQ43878125 一、绪论 二、板式换热器的基本构造 三、流动与传热机理 四、板式换热器的传热计算与压降计算 五、板式换热器的热力计算本章主要内容本章的学习目的（1）了解板式换热器的基本结构（2）应用传热基本公式对板式换热器进行设计计算v板式换热器是一种新型、高效、紧凑的热交换器。v具有传热系数高。对数平均温差大、占地面积小、 质量轻、价格低、清洗方便、很容易改变换热面积或 流程组合等优点。v板式换热器的发展比较快，其性能也越来越高，目 前板式换热器的最高压力达28MPa，最高操作温度达 360。在压力和温度不太高的换热场合，
2、板式换热 器已逐步代替管壳式换热器。v广泛应用于食品、化工、机械、能源等行业。 2-1 绪论1 概述2 优缺点（1）优点传热系数高对数平均温差大占地面积小重量轻价格低末端温差小污垢系数低多种介质换热清洗方便容易改变换热面积或流程组合（2） 缺点工作压力不高工作温度不高不宜于进行易堵塞通 道的介质的换热主要特点： 板片波纹的设计以高度的薄膜导热系数为目标，板 片波纹所形成的特殊流道(见图)使流体在极低的流速 下即可发生强烈的扰动流(湍流),扰动流又有自净效应 以防止污垢生成，因而传热效率很高。一般地说,板式换热 器的传热系数K值在 30006000W/m2 范 围内。这就表明，板式 换热器只需要
3、管壳式换 热器面积的1/21/4 即可达到同样的换热效 果。 图2-1 流道图 3 工业应用化学工业 制造氧化钛中冷却和蒸发，酒精发 酵，冷却甲醛、磷酸，合成氨，电解制碱等。建筑工业 集中供热的热交换，空调系统的冷却 交换，加热生活用水，地热利用热交换等。冶金、钢铁工业 冷却淬火油，减速机润滑油， 轧机和拉丝机油、铝酸盐母液冷却。机械、汽车工业 各种淬火液冷却，冷却机械润 滑液，加热或冷却镀铬液。食品工业 制造谷氨酸钠，制盐和乳制品，酱、 醋减菌和冷却，啤酒生产中麦芽液加热，灭菌、 冷却等。纺织、印染工业 水洗、染色、洗毛机等废热利 用，冷却碱液、醋液和醋酸酐等。造纸工业 冷却黑水、苛性碱水溶
4、液、纸浆排液，漂 白液加热和冷却，各种废液余热回收等。人造纤维工业 冷却加热粘胶液氨水及各种溶剂，加 热内酰胺水溶液、氨水等，各种余热回收等。医药工业 冷却酵母、丁醇、丁二醇、醋酸丁酯，抗 生素生产中加热、灭菌、冷却，各种余热回收等。油脂工业 冷却甘油、乳化油、植物油，加热、冷却 合成洗涤剂，加热鲸油等。电力工业 发电机轴泵油、变压器油冷却。船舶 冷却活塞水、缸套水、润滑油等，海水淡化系 统等。金属电镀工业 加热电镀液，冷却电解液，氧化铝过 程冷却酸溶液等。 2-2 板式换热器的基本构造 板式换热器的结构比较简单 组成部分为：板片、密封垫片、 固定压紧板、活动压紧板、压紧螺 柱和螺母、上下导杆
5、、前支柱等零 部件。 如图1所示。1 整体结构图2-2 板式换热器结构图 板片为传热元件，垫片为密封元件，垫片粘贴在板片 的垫片槽内。粘贴好垫片的板片，按一定的顺序置于固定压紧板和 活动压紧板之间，用压紧螺柱将固定压紧板、板片、 活动压紧板夹紧。压紧板、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，相邻的触点相互接触，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地流体通道，进行换热。图2-3 板式换热器实物图v板式换热器有不同的框架形式A 框架夹板加紧式 最普通，拆卸和清洗都很方
6、便。 B 简单夹紧式 结构轻便，清洗、检查不方便。C 顶压夹紧式 拆卸方便，工作压力不高。v对于要进行两种及两种以上介质的换热，可在 板片中间可设置隔板。v双框架结构可以节约占地面积A 左右各设置一个固定压紧板，中间设置两个活动压紧板 ；B 左右各设置一个活动压紧板，中间共用一个活动压紧板 ；2 流程组合 根据工艺需要，可将板式换热器若干流道并联成一组 ，又将并联的组串联在一起，形成冷热介质的通道， 这叫做板式换热器的流程组合。 流程数为1的流程组合称之为单流程；程数为2以上的 流程组合，称之为多流程。 最简单的流程组合是“Z”形和“U”形。 在多数场合，采用混合的流程组合型式。（1）流程组合
7、的表达方式：从固定压紧板开始顺序为 热侧及冷侧流道数相同的流程数；：相应于 一个流程内的流道数。 示例：2315111 即是一个多流程组合 表示：甲：三个流道有二程，五个流道有一程乙： 十一个流道有一程 冷热流体在通道 中交错流动，流动 形式近似于全逆流 。 流动的形式可以根 据不同的工艺要求进 行组合。单程、双程 、多程均可，使之达 到最佳换热效果。图2-4(a) 单程流动 图2-4(b) 多程流动（2）组合形式分类（a）串联流程（b）并联流程（c）混联流程（3）流体在板片间的流动分类（如图2所示）（a）单边流（b）对角流并联流程混联流程图2-5(a) 并联流程图2-5(b)混联流程图2-6
8、(a) 单边流图2-6(b) 对角流板式换热器有各种各样的流程组合，根据实际操作的 需要设计和选用，而流程的选用和设计是根据板式换 热器的传热方程和流体阻力进行计算的。A) 流体的流动可以是串联，并联和混联。B) 流程可以是单流程或多流程，两流体的流程数可以 相等或不相等。C) 两流体的流程中通道数不一定要相等 （4）流程组合的选择3 板片型式（1）板片的分类板片是板式换热器的核心元件，常用型式有：A 按波纹的几何形状分水平平直波纹人字形波纹斜波纹B 按流体在板间的流动形貌分管状流动的波纹板片带状流动的波纹板片网状流动的波纹板片图2-7 板片及密封垫片的放大图（2）各种特殊形式的板片便于装卸垫
9、片的板片 用楔入法把垫片装在板片上用于冷凝器的板片 板片通气体的角孔特别大，波纹节 距也较大用于蒸发器的板片 与普通板片的构造完全不同，每四 片为一组，靠不同形状的垫片引 导介质的流向板管式板片 流道呈蜂窝状，一个通道较大另一个较小双层板片 由两层板压合在一起，用于两种换热介质绝 对不能混合的场合石磨材料板片 可用于强腐蚀介质的换热宽窄通道的板片 “孪生”板片，相邻板间通道一宽一窄图2-8(a)半焊接式板片图2-8(b)双层板片图2-8(c)石磨材料板片图2-8(d)大间隙板片 衡量波纹板片性能优劣的主要参数：传热效率、流 体阻力和承压能力。 人字形波纹板片的性能优于水平平直波纹板片。 研究发
10、现人字型波纹板片上的人字角对换热效率、 流体阻力都有明显的影响。 人字角大，换热效率高、流体阻力大，称为硬板片 （H板片）；反之，称为软板片（L板片）。 同一外形尺寸、同一垫片尺寸，仅人字角的板片称 为“孪生”板片 采用混合通道（HH和HL、或HL和LL等）更能使板式 换热器的设计达到优化。（3）板片材料板片材料的选择，除了考虑成形时所必须的材料 韧性外，更重要的是考虑材料抗介质腐蚀的能力。材料名称耐酸耐热 不锈钢工业纯钛纯镍哈氏合金高镍铬合 金材料牌号SUS304 SUS316LTA-1ANbHastellogB HastellogCRS-2用 途中性介质 及弱酸弱 碱溶液适应腐蚀 较强的场
11、 合适应于强 酸强碱和 有氯离子 腐蚀场合强酸 强碱硫酸换热板片主要材料（4）密封垫片 密封垫片是板式换热器的一个关键零件。 垫片能承受的温度即板式换热器的工作温度；工作压 力也受垫片的制约。材 料使用温度 适用介质三元乙丙胶-50150水、水蒸汽、弱酸、碱、醇类丁晴胶-20110水、水蒸汽、植物油、润滑油、 矿物油食品胶同其它胶种水、水蒸汽、奶、饮料、啤酒、 食用油氟橡胶0180无机酸、矿物油、水、水蒸汽氯丁胶-40100氨、弱酸、弱碱密封垫片主要材料4 板式换热器系列型号表示方法1 流动状况及流态 板式换热器中的流道形状是复杂的，沿流体流动方向的 断面形状不断地呈周期性变化。 在很低的雷诺
12、数下形成湍流。 不同板型将使板片间通道中流体的流动产生显著的差别 。人字形板片：网状三维流动水平平直波纹板片：二维流动 同种板型，波纹结构参数不同会使流动情况不同。 流体进出板片角孔的位置及板片尺寸的长宽比、流程组 合都会影响板间流体的流动。 2-3 流动与传热机理2 传热过程板式换热器中冷热流体之间的换热一般通过以下过程来完成 。（1）流体对流换热 热量的传递一方面靠流体质点的不断运动的混合，即 对流作用；另一方面依靠由于流体和壁以及流体各处存 在温差而造成的导热左右，这种对流和导热同时存在的 过程称为对流换热。 影响对流换热的因素有很多，如流体的物性，换热器 表面形状、大小，流体的流动方式
13、等。 对流换热量的计算公式或（2）相变换热A）凝结换热 蒸汽和低于相应压力下饱和温度的壁面相接触，蒸 汽就会释放出气化潜热而在壁面上凝结成液体，这种 现象称为凝结换热。 蒸汽的流速，流动方向，压力对凝结换热都有影响 。 在板式换热器中，蒸汽的流动方向宜于自上而下， 并且应单程布置，以便减小压降和有利于凝液的排除 。 板式换热器中冷却介质与蒸汽相对流动方向的不同 影响到凝结过程的不同：逆流时，蒸汽凝结大部分发生在下部。顺流时，蒸汽凝结大部分发生在上部。优先考虑 顺流布置 凝结换热量的计算公式：B）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 腾传热。 在板式换热器中内所发生的沸腾过
14、程与流体在垂直管内 流动时的沸腾状况基本相同。 饱和沸腾换热量的计算公式：C）板片及垢层的导热 由于板片及垢层的厚度与板面尺寸相比很小，导热过 程可认为是沿厚度方向的一维导热。导热量的计算公式如下：，及1 传热计算 2-4 板式换热器的传热计算与压降计算 传热计算的目的在于使所设计的换热器在服从 传热方程式的基础上满足热负荷所应具有的换热 面积。 传热计算包括传热系数、总传热系数、平均温 差及换热面积等的计算。（1）换热量Q的计算传热的基本方程式：单相流 变相流或或热平衡方程式（2）平均温差的计算 平均温差 的通常采用修正逆流情况下对数平 均温差 的办法来求解。 修正系数 随冷热流体的相对流动
15、方向的不同组 合而取不同的值。当流体的温度沿传热面变化不大时，（3）传热系数的计算 根据 ， ， ，只要求出Nu即可得到传热系数的值。 （一）对流传热系数 流体在板式换热器的通道中，湍流条件下，通常用如下关联式： 考虑粘度的影响时，关联式： 层流时，关联式： 式中系数和各指数的范围为：（二）凝结传热系数 板式冷凝器复杂的通道结构，使其中的蒸汽流动凝 结换热过程很复杂，影响因素有很多，其凝结换热计 算式还有待于进一步探讨。 天津大学提出的计算式考虑因素比较全面： 上海交通大学考虑了板片两侧的温度差，又对 做了修 正。（三）沸腾传热系数 尾花英朗所推荐的Chen J.C求解沸腾传热系数的计算 式为：式中：S核沸腾影响系数；泡状流区时S=1；块状及气塞状区流时0S1 ；环状流区时S=0;池沸腾传热系数；两相流强制对流传热系数；式中： 表面张力； R换算系数，等于9.8 ；对应于 的蒸汽压差 对于泡状流、块状流、气塞状流及环状流区：式中： 修正系数，可查图确定； 对于雾状流区时；其实，在板式换热器内的整个沸腾传热中，难以确定其 中每个两相流区域段的长度和相应参数，因而实
