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1、武汉理工大学工程热力学与传热学课程设计说明书船舶柴油机高温淡水冷却器设计摘要：本文简要介绍了板式换热器的结构、优缺点、设计原理与设计依据，运用对数平均温差法（LMTD）设计了一款船舶柴油机高温淡水板式换热器，并对其进行热力和阻力校核。关键词：板式换热器 对数平均温差 板片 流程 污垢系数目录第1章 板式换热器基本构造31.1 整体结构31.2 流程组合方式41.3 半片形式及其性能51.3.1 常用形式51.3.2 特种形式51.4 密封垫片5第2章 板式换热器的优缺点及应用62.1 优点62.2 缺点72.3 应用7第3章 板式换热器热力及相关计算83.1 确定总传热系数的途径83.2 总传
2、热系数的计算83.3 传热系数的计算113.4垢阻的确定.11第4章 计算类型及工程设计一般原则124.1 计算的类型124.2工程设计、计算的一般原则13第5章 板式换热器热力计算实际应用15第1章 板式换热器基本构造1.1整体结构板式换热器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比较简单，它是由板片、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、前支柱等零部件所组成，如图1-1所示：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（如图1-1所示，冷暖板片交叉放置）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
3、、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。图1-1所示板式换热器为可拆式板式换热器，其原理就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，可以通过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
4、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。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。1.2流程组合方式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1-2a、b、c是典型的排列方式）流程组合的表示方式为：式中：M1，M2，Mi ：从固定压紧板开始，甲流体侧流道数相等的流程数； N1，N2，Ni ：M1，M2，Mi中的流道数； m1，m2，mi ：从固定压紧板开始，乙流体侧流道数相等的流程数； n1，n2，ni :：m1，m2，mi中的流道数。图1-2 典型
5、的流程组合1.3板片形式及其性能板片是板式换热器的核心元件，冷、热流体的换热发生在板片上，所以它是传热元件，此外它又承受两侧的压力差。从板式换热器出现以来，人们构思出各种形式的波纹板片，以求得换热效率高、流体阻力低、承压能力大的波纹板片。1.3.1常用形式板片按波纹的几何形状区分，有水平平直波纹、人字形波纹、斜波纹等波纹板片；按流体在板间的流动形式区分，有管状流动、带状流动、网状流动的波纹板片。1.3.2特种形式为了适应各种工程的需要，在传统板式换热器的基础上相继发展了一些特殊的板片及特殊的板式换热器。1：便于装卸垫片的板片2：用于冷凝器的板片3：用于蒸发器的板片4：板管式板片5：双层板片6：
6、石墨材料板片7：宽窄通道的板片1.4密封垫片板式换热器的密封垫片是一个关键的零件。板式换热器的工作温度实质上就是垫片能承受的温度；板式换热器的工作压力也相当程度上受垫片制约。从板式换热器结构分析，密封周边的长度(m)将是换热面积(m2)的68倍，超过了任何其它类型的换热器。第2章 板式换热器的优缺点及应用2.1 优点1：传热系数高管壳式换热器的结构，从强度方面看是很好的，但从换热角度看并不理想，因为流体在壳程中流动时存在着折流板壳体、折流板换热管、管束壳体之间的旁路。通过这些旁路的流体，并没有充分地参与换热。而板式换热器，不存在旁路，而板片的波纹能使流体在较小的流速下产生湍流。所以板式换热器有
7、较高的传热系数，一般情况下是管壳式换热器的35倍。2：对数平均温差大在管壳式换热器中，两种流体分别在壳程和管程内流动，总体上是错流的流动方式。如果进一步分析，壳程为混合流动，管程是多股流动，所以对数平均温差都应采用修正系数。修正系数通常较小。流体在板式换热器内的流动，总体上是并流或逆流的流动方式，其温差修正系数一般大于0.8，通常为0.95。3：占地面积小板式换热器结构紧凑，单位体积内的换热面积为管壳式换热器的25倍，也不像管壳式换热器那样需要预留抽出管束的检修场地，因此实现同样的换热任务时，板式换热器的占地面积约为管壳式换热器的1/51/10。4：重量轻板式换热器的板片厚度仅为0.60.8m
8、m，管壳式换热器的换热管厚度为2.02.5mm；管壳式换热器的壳体比板式换热器的框架重得多。在完成同样的换热任务的情况下，板式换热器所需要的换热面积比管壳式换热器的小。5：价格低在使用材料相同的前提下，因为框架所需要的材料较少，所以生产成本必然要比管壳式换热器低。6：末端温差小管壳式换热器，在壳程中流动的流体和换热面交错并绕流，还存在旁流，而板式换热器的冷、热流体在板式换热器内的流动平行于换热面，且无旁流，这样使得板式换热器的末端温差很小，对于水水换热可以低于1，而管壳式换热器大约为5，这对于回收低温位的热能是很有利的。7：污垢系数低板式换热器的污垢系数比管壳式换热器的污垢系数小得多，其原因是
9、流体的剧烈湍流，杂质不宜沉积；板间通道的流通死区小；不锈钢制造的换热面光滑、且腐蚀附着物少，以及清洗容易。8：多种介质换热如果板式换热器安装有中间隔板，则一台设备可以进行三种或三种以上介质的换热。9：清洗方便板式换热器的压紧板卸掉后，即可松开板束，卸下板片，进行机械清洗。10：容易改变换热面积或流程组合只需要增加（或减少）板片，即可达到需要增加（或减少）的换热面积。2.2 缺点1：工作压力在2.5MPa以下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，所以目前板式换热器的最高工作压力仅为2.5MPa；单板面积在1m2以上时，其工作压力
10、往往低于2.5MPa。2：工作温度在250以下板式换热器的工作温度决定于密封垫片能承受的温度。用橡胶类弹性垫片时，最高工作温度在200以下；用压缩石棉绒垫片(Caf)时，最高工作温度为250260。3：不宜于进行易堵塞通道的介质的换热板式换热器的板间通道很窄，一般为35mm，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。2.3应用板式换热器早期只应用于牛奶高温灭菌、果汁加工、啤酒酿造等轻工业部门。随着制造技术的提高，出现了耐腐蚀的板片材料和耐温、耐腐蚀的垫片材料，板片也逐渐大型化。现代的板式换热器广泛地应用于各种工业
11、中，进行液液、气液、汽液，换热和蒸发、冷凝等工艺过程。诸如：化学工业、食品工业、冶金工业、石油工业、电站、核电站、海洋石油平台、机械工业、污水处理、民用建筑工业等。第3章 板式换热器热力及相关计算热力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撒谎能够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。3.1 确定总传热系数的途径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书籍、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依据。表3-1列出了一般情况下板式换热
12、器的总传热系数值。表3-1 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K(W/m2.)280046508709304005801753502858（二）计算确定在设计计算中，常常需要知道比较准确的总传热系数值，这可以通过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实际情况也会有出入。3.2 总传热系数的计算（一）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1/1，污垢层热阻Rs1，板片热阻/，板片冷侧流体传热热阻1/2，污垢层热阻Rs2。它们之和
13、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：（二）由传热方程求解传热的基本方程式为Q=KAtm由此可求得总传热系数K=Q/(Atm)。1：换热量Q的计算换热量Q的计算可根据具体情况，分别在下列各式中选用：单相流体的吸、放热Q=qmcp(t-t)或 Q=qm(i-i)2：平均温差tm的求解平均温差tm的求解通常采用修正逆流情况下对数平均温差tm的办法，即先按逆流考虑再进行修正：tm=t1m按逆流考虑时的对数平均温差为式中、分别为逆流时端部温差中的最大值和最小值。修正系数随冷、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2-4、图2-5来确定：（也可以采用由Mar
14、riott实验求得的修正系数，见图2-6）图2-4 串联时，板式换热器的温差修正系数图2-5 并联时，板式换热器的温差修正系数图2-6 NTU法 板式换热器的温差修正系数如果流体的温度沿传热面的变化不太大，例如当/2时，可采用算术平均温差代替对数平均温差，即： =(-)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%范围之内，这在工程计算上是允许的。3：流体比热容或传热系数变化时的平均温差当流体的比热容不随温度变化时，流体温度的变化与吸收或放出的热量成正比，即成线性关系。当流体的比热容变化不大时，可取某一温度时的比热容作为平均比热容。如果在设计的温度范围内，比热容随温度
15、的变化显著（大于23倍），则用对数平均温差的误差很大，应改用积分平均温差。4：换热面积A的计算在板式换热器的计算中，换热面积A应采用有效换热面积(Ao为单板的有效换热面积，Ae为总的有效换热面积，Ne为总的有效传热板片数)Ae=NeAo3.3 传热系数的计算对流传热系数流体在板式换热器的通道中流动时，在湍流条件下，通常用下面的关联式计算流体沿整个流程的平均对流传热系数uf在计算Re数值时，所采用的当量直径de应该按下式计算式中As通道截面积(m2)；S参与传热的周边长(m)。在一般情况下，常用下式计算当量直径式中板间的通道宽度(m)；板间距(m)。对于某些特殊结构的板式换热器，板片两侧的通道截面积并不相同(称
