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1、华东理工大学化工机械研究所Plate Heat Exchanger板式换热器工程设计技术王学生教授21. 板式换热器设计方法2. 板式换热器压降分析3. 确定换热器有效度的求解方法4. 板式换热器及其组件的选择5. HTRI计算主要内容31.板式换热器设计方法板式换热器工程设计技术4 板式热交换器是近几十年来得到发展和广泛应用的 一种新型高效、紧凑的热交换器。它由一系列互相 平行、具有波纹表面的薄金属板相叠而成，比螺旋 板式热交换器更为紧凑，传热性能更好。 应用面很广，适宜用于医药、食品、制酒、饮料合 成纤维、造船、化工等工业，并且随着板型、结构 上的改进，正在进一步扩大它的应用领域。 国外著
2、名的生产厂家有瑞典AFLA-LAVAI公司、 英国APV 公司、日本日阪制作所等。我国在板式 热交换器的设计与制造上也已达到较高的水平。1. 板式换热器设计方法5板式热交换器按构造 分为可拆卸（密封垫 式）、焊接式和板壳 式三类，以密封垫式 的应用为最广。它们 的工作原理基本相同 。 可拆卸板式热交换器 由三个主要部件：传 热板片、密封垫片、 压紧装置及其他一些 部件等组成。1. 板式换热器设计方法1.1 构造和工作原理61. 板式换热器设计方法1.1 构造和工作原理 在固定压紧板上，交 替地安放一张板片和一个 垫圈，然后安放活动压紧 板，旋紧压紧螺栓即构成 一台板式热交换器。 各传热板片按一
3、定的 顺序相叠即形成板片间的 流道，冷、热流体在板片 两侧各自的流道内流动， 通过传热板片进行热交换71. 板式换热器设计方法传热板片为满足不同传热场合的需要，人们已研发出多 种多样的波纹板片，以人字形波纹板和水平平直波 纹板为最广。传热板片是板式热交换器的关键 件。它的设计主要考虑两方面因素: (1) 使流体在低速下发生强烈湍流，以 强化传热； (2) 提高板片刚度，能耐较高的压力。81. 板式换热器设计方法传热板片91. 板式换热器设计方法密封垫片安装于密封槽中，防止流体 的外漏和两流体之间内漏，运行 中承受压力和温度，而且受着工 作流体的侵蚀，在多次拆装后还 应具有良好的弹性。双道密封能
4、更好地防止内漏， 为了能及时发现内漏，在密封垫 圈上开有凹槽（信号孔），出现 泄漏，流体将首先由此泄出。101. 板式换热器设计方法压紧装置它包括固定与活动的压紧板、压紧螺栓。 它用于将垫片压紧，产生足够密封力，使得热 交换器在工作时不发生泄漏，通过旋紧螺栓来 产生压紧力。板式热交换器有多种框架形式：双支撑框 架式、悬臂式、带中间隔板双支撑框架式等。111. 板式换热器设计方法1.2 流程组合为了满足传热和压力降的要求，对于板式 热交换器可进行多种方式的流程和通道数的配 置。流程：某一种介质在换热器中流动方向的数量 ，流动方向每改变一次就增加一个流程。通道：每个流程中某一介质按同方向流动的通
5、道数量。121. 板式换热器设计方法1.2 流程组合 流体的流动可以是串联、并联（这时形 成纯逆流）和混联（一种流体为并联，而 另一种流体为串联）。 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。 两流体的流程中通道数一定要相等。131. 板式换热器设计方法1.2 流程组合141. 板式换热器设计方法1.2 流程组合板式换热器内流程与通道的配置方式常以 下列数学形式表示：式中：M1，M2，Mi ：从固定压紧板开始，甲流体侧流道数相 同的流程数；N1，N2，Ni ：对应于M1，M2，Mi中的流道数；m1，m2，mi ：从固定压紧板开始，乙流体侧流道数相 同的流程数；n1，n2，ni
6、 ：对应于m1，m2，mi中的流道数。151. 板式换热器设计方法1.2 流程组合下图表示了 流程组合的实例，其中横线上方（14 ）表示甲流体为单流程、四通道，横线下方（22）表 示乙流体为两流程、两通道。161. 板式换热器设计方法1.3 传热计算传热计算的基本方程式，需要注意，由于板片的角孔及 密封垫片等处并不参与传热，板片又是波纹形的，其传 热面积应该是扣除不参与部分后板片的展开面积，即有 效传热面积。平均温差tm的计算是按纯逆流情况下对数平均温差值 t1m再乘以修正系数，即，t1 thi tco t2 tho tci温度相同时，逆流布置获得的对数平均温差最大tml t1 t2 ln(t
7、1 / t2 )1. 板式换热器设计方法1.3 传热计算修正系数可由图查取：温差修正系数(LMTD法时)温差修正系数(NTU法时)17181. 板式换热器设计方法1.3 传热计算传热系数K 的计算，在已知两侧对流换热系数及垢阻 条件下，仍用以往常用的公式，即式中，与分别为板片厚及其导热系数；r1、r2为板 片两侧的污垢热阻； 1、2 为板片两侧传热系数。191. 板式换热器设计方法1.3 传热计算介质在板式换热器中一般呈湍流状态流动，通常用以 下准则方程式来计算对流给热系数1、2式中C、m、n 值随板片、流体和流动的类型不同而不同。C、n 通常有一定的范围，C 在0.150.4；n在0.650
8、.85；m 在0.30.45 （一般流体被加热时，m=0.4；被冷却时， m=0.3） 2b201. 板式换热器设计方法1.3 传热计算雷诺数Re可按下计算: de Re 式中：de 板片的当量直径，m； 介质的运动粘度，m2/s； 介质的流速，m/s 。4 A U4Lb 2Lde 当量直径de为:式中：L 板有效宽，m； b 板间距，m；相比板片宽 度而言，板 间距可忽略 不计211. 板式换热器设计方法1.3 传热计算普朗特数Pr可按下计算:式中：Cp 介质的比热，J/(kg K)； 介质的动力粘度，Pa s； 介质的热导率， W/(m K) 。努塞尔数Nu为:式中： 对流传热系数，W/(
9、m2 K) 。C p Pr de Nu Rel n l) Pr ( ) p1. 板式换热器设计方法1.3 传热计算有相变时 ，板式热交换器内流体的相变换热系数计算 很复杂，目前还没有公认的计算方式。冷凝过程 较为复杂，影响冷凝的因素较多，天津大学 王中铮提出了一种计算方法:式中：Rel 冷凝液雷诺数，与气相和液相的流量有关； H 受凝液膜厚度影响的无因次参数； l /v 两相中液体和气体的密度比。220.33 H vNu C (231. 板式换热器设计方法1.3 传热计算沸腾换热 的准则方程，可参考Chen J C 的给热系数计 算式:式中：S 核沸腾影响系数，在泡状流区S = 1，在块状 流
10、区S = 01，在环状流区S= 0； 池沸腾给热系数； 两相强制对流给热系数。 S 242.板式换热器压降分析板式换热器工程设计技术252. 板式换热器压降分析2.1 压力降的影响因素介质在进出口处的压降主要来自于介质流动所遇到的阻 力。阻力主要来自三个方面： 介质本身的特性，与粘度有关，当介质的粘度越大，阻力越大； 板片的特性，与板型或结构参数有关，表面粗糙度越大，板片较长、波纹深度较浅、节距较小都会使介质遇 到的阻力加大； 介质流动的特性，与流速有关、流速越高，遇到的阻力越大。262. 板式换热器压降分析2.2 压力降的准则方程对于板式热交换器用于无相变换热 时的压力降计算通常 是以欧拉数
11、Eu与雷诺数Re之间准则关系式给出的：式中，系数b 和指数d 随板式换热器的具体结构而定， 指数d 应为负值。2. 板式换热器压降分析2.2 压力降的准则方程乘以流程数m，即：式中：P 介质的压降，Pa； 介质的密度，kg/m3； 介质在流道中的流速，m/s 。27由于，可求得多程时压降需282. 板式换热器压降分析2.2 压力降的准则方程式中：L 板有效宽，m； b 板间距，m；若板片两侧的流通截面不等，则应按其实际的流通 截面A及湿周边U 来分别计算两侧流道的当量直径。在计算板式热交换器压降时的 Re 值时，当量直径de 应按下式计算：2. 板式换热器压降分析2.2 压力降的准则方程 压降
12、准则关系式中系数b 及指数d 随板型不同 其差异很大。 实际运行中由于板片两侧流道的压力相差较大 时可能引起板片的较大变形。 不同的流程、角孔组成的通道内的阻力不同。29因此该计算 式只能适用 于较理想的 情况。303.板式换热器热力计算方法板式换热器工程设计技术对数平均温差法温度效率-传热单元数法需要知道介质进出口温度参数， 若有未知项，需要进行估算只需要知道介质进口温度即可有介质物性参数以及板式换热器 的准则方程即可计算除知道物性参数及准则方程外， 还需查阅相关图表获得相应参数 值313.板式换热器热力计算方法3.1 计算方法简介板式换热器的选型热力计算目前有两种方法：对数平均温差法（LM
13、TD）温度效率-传热单元数法（-NUT）两种计算方法的对比323.板式换热器热力计算方法3.1 计算方法简介在具体的计算中，无论是对数平均温差法还是温度效 率-传热单元数法都有两种方式：设计计算校核计算目前使用最多的还是以对数平均温差为基础的设计计 算方法，对此作主要介绍。33t3.板式换热器热力计算方法3.2 对数平均温差法设计计算 采用准则方程进行设计计算的主要方法如下：由工况条件计算温度、流量、传热量选定板型几何参数初选流程、流道布置计算平均温差tm重新设定通道数( 或同时重设 通道和流程数)重新设定流程数否否求解传热系数K计算传热面积F=Q/KtmN F / Fp 2由传热面积求板片数
14、Nt m1n1 m2 n2 1由通道与流程数求板片数Nt (1.0 1.1) N 是求压降PP P允是 结束3.板式换热器热力计算方法3.2 对数平均温差法设计计算（1）掌握工况条件，冷热介质的流量、进出口温度。（2）求换热量QQ Vh h C ph (thi tho ) Vc c C pc (tco tci )Q Gh C ph (thi tho ) Gc C pc (tco tci )式中：V 体积流量，m3/s； G 质量流量，kg/s； 下标 h、c 热、冷介质 下标 i、o 进、出口位置34（4）选择板式换热器型号（主要是单片面积及形式）（5）假设该型号换热器的流程组合35tml t
15、1 t2 ln(t1 / t2 )t1 thi tco t2 tho tci3.板式换热器热力计算方法3.2 对数平均温差法设计计算（3）计算对数平均温差tm ，修正系数 取值36Vn1 f 式中：n1 单程中并联通道数； f 板片通道截面积，m2；（7）计算冷热介质的Re、Pr 和 Nu（8）计算冷、热介质的给热系数Nude 3.板式换热器热力计算方法3.2 对数平均温差法设计计算（6）计算冷、热介质的板间流速 r1 2 1 2（10）计算换热面积 A1A1 Q K tm1 1 1K r将理论值A1，与预计值Ao相比较，通常认为两者 误差值在5%以内时，计算结果正确373.板式换热器热力计算方法3.2 对数平均温差法设计计算（9）计算总换热系数 K383.板式换热器热力计算方法（11）计算冷、热介质的欧拉数Eu（12）计算压降P计算出的压降值应比允许压降小10%20%，这 主要考
