板式换热器设计课件

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1、板式换热器设计板式换热器设计 Plate Heat Exchanger我心飞翔QQ43878125 一、绪论一、绪论二、板式换热器的基本构造二、板式换热器的基本构造三、流动与传热机理三、流动与传热机理四、板式换热器的传热计算与压降计算四、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五、板式换热器的热力计算本章主要内容本章主要内容本章的学习目的本章的学习目的（1）了解板式换热器的基本结构）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）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

2、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，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 2-1 绪论绪论1 概述概述2 优缺点优缺点（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：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

3、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 工业应用工业应用化学工业化学工业 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、汽车工业机械、汽车

4、工业 各种淬火液冷却，冷却机械润滑液，加热或冷却镀铬液。食食品品工工业业 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。纺纺织织、印印染染工工业业 水洗、染色、洗毛机等废热利用，冷却碱液、醋液和醋酸酐等。造造纸纸工工业业 冷却黑水、苛性碱水溶液、纸浆排液，漂白液加热和冷却，各种废液余热回收等。人人造造纤纤维维工工业业 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。医医药药工工业业 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。油油脂脂工工业业 冷却甘油、乳化油、植物油，加热、冷却合成洗涤剂，加热鲸油

5、等。电力工业电力工业 发电机轴泵油、变压器油冷却。船船舶舶 冷却活塞水、缸套水、润滑油等，海水淡化系统等。金金属属电电镀镀工工业业 加热电镀液，冷却电解液，氧化铝过程冷却酸溶液等。 2-22-2 板式换热器的基本构造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、前支柱等零部件。如图1所示。1 整体结构整体结构 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

6、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

7、用一个活动压紧板；2 流程组合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）流程组合的表达方式）流程组合的表达方式：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

8、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）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）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(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

9、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）流程组合的选择3 板片型式板片型式（1）板片的分类）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）各种特殊形式的板片便于装卸垫片的板片 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

10、 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

11、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 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

12、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板式换热器系列型号表示方法1 流动状况及流态流动状况及流态 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

13、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。 2-32-3 流动与传热机理流动与传热机理2 传热过程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）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，流体的流动方式等。对流换热量的计算公式或（2）相变换热）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

14、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

15、维导热。导热量的计算公式如下：，及1 传热计算传热计算 2-42-4 板式换热器的传热计算与压降计算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）换热量Q的计的计算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）传热系数的计算 根

16、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;

17、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，因而实际应用这些计算式是困难的。v Y-Y.Yan和T-.Lin对竖直放置的板式换热器做了详尽的实验,并由此得出了雷诺数处于200010000范围内的换热系数计算关联式。 式中：v 本式在计算Nu的过程中用到了换热器的换热量 ，因此要先假设做试算。 （4）垢阻的确定）垢阻的确定 垢层的导热性能都比较差，为了衡量污垢对传

18、热的影响，常用污垢热阻 或其倒数污垢系数 来度量，即 垢阻热阻的大小和流体种类、流体流速、运行温度、流道结构、传热表面状况、传热面材料等多种因素有关。 研究表明板式换热器的污垢热阻不到管壳式的一半。J.Marriott提供了板式换热器中的具体污垢热阻值 ，可供参考。（5）壁温的确定）壁温的确定 在计算板式换热器的液体对流传热系数、凝结传热系数及沸腾传热系数时，为了确定液体的粘度或温差，都必须知道板片的表面温度。 壁温的计算需先假定一个壁温，试算后校核。 具体步骤如下：1)假定一侧壁温2)由准则关系式求该侧传热系数3)由式 计算该侧单位面积上的换热量4)根据壁的热阻RW用 计算另一侧的壁温5)由

19、准则关联式求得另一侧传热系数6)计算另一侧的单位面积换热量若 ，则假定壁温正确，反之，则应重新假定壁温再行计算，直到满足要求。 （6）总传热系数的计算）总传热系数的计算板式换热器中，热量从高温流体传向低温流体的过程中，通常存在着五项热阻：板片热侧流体传热热阻污垢层热阻板片热阻板片冷侧流体传热热阻污垢层热阻如板片表面涂有防腐涂层，还需考虑涂层热阻。（7）换热面积计算）换热面积计算1）平均温差法根据传热的基本方程式，可求得所需换热面积。2）传热单元数法 传热单元的NTU的定义式如下：或式中：C1、C2分别为热、冷流体的热容量； 传热单元数的大小和温度效率 及两换热流体的热容 量 之比有关。 温度效

20、率 是指参与换热的任一流体的温度变化与冷热流体的进出口温度差之比，即或 相应的热容比 为或 查与所选通道布置相对应的 线图或者计算式，得到NTU值，从而求得换热面积。无论应用平均温差法还是NTU法，计算换热面积都要先设定一个流程组合，若计算所得的换热面积和该流程的换热面积相等或稍小时即能满足工况要求，否则应重新设定一个新的流程组合重新计算，直到满足工况为止。2 流动阻力计算流动阻力计算（a）单相流 单相流体在板式换热器的压降主要来自摩擦阻力， 即流道压降，其次还有角孔压降等。 （b）两相流 汽液两相流体流动时，产生的阻力除摩擦阻力、 局部阻力外，还有加速阻力和重力阻力。（2）流阻的计算）流阻的

21、计算流体流过一台板式换热器的总阻力为经过进出口接管、进出口分配管、角孔、板间通道等处的各种流动阻力之和。（1）流阻的构成）流阻的构成常用的流阻计算式有准数关联式和含摩擦系数的计算式。1）欧拉关系式2）含摩擦系数的关系式（a）液液型板式换热器b系数m流程数d指数（负值）一台板式换热器的压降由角孔压降和流道压降组成。A）流道压降式中： f摩擦系数，可从图查取，也可用 计算； L流道长度 ，按平面长度乘以波纹展开系数计算； B）角孔压降式中：n 指一个程中的通道数；（b）汽液型板式换热器1）液侧压降2）汽侧压降 A）摩擦阻力式中： 摩阻分液相表观系数；可查图或用L-M关系式求解。式中： 指仅液相单独

22、流过同一管道时的摩擦阻力；式中：X马丁尼利参数；nn值由实验室指定；取平均值式中：液体和蒸汽沿程摩擦系数 、 可由摩擦系数f与Re关系式求取。系数b和指数d应针对具体板型通过实验确定。对于两相流动在光滑管中流动，可对 简化计算，假设其摩擦系数和单液相、单气相流过相同管径的摩擦系数相同，则式中：C值与流体有关，一般由试验确定；可以先计算Re值判断流态，然后查C值表求得。（B）总阻力在各项阻力中，主要是摩擦阻力，加速及重力阻力很小，局部阻力约为总阻力的1015，因此，4 4 板式换热器的热力计算板式换热器的热力计算v换热器热计算分两种情况：设计计算和校核计算(1)设计计算：设计一个新的换热器，以确

23、定所需的换热面积。(2)校核计算：对已有或已选定了换热面积的换热器，在非设计工况条件下，核算他能否胜任规定的新任务。v换热器的热计算有两种方法：平均温差法 效能-传热单元数(-NTU)法4.1 工程设计的一般原则工程设计的一般原则1.选择板片的波纹型式选择板片的波纹型式主要考虑板式换热器的工作压力、流体的压力降和传热系数。 如工作压力在1.6MPa以上，采用人字形波纹板片； 如工作压力不高又特别要求阻力降低，选用水平平直波纹板片。2.单板面积的选择单板面积的选择单板面积可按流体流过角孔的速度为6 m/s左右考虑。3.流速的选择流速的选择一般板间平均流速为0.20.8 m/s。设计时可以先确定一

24、个流速，计算其压力降看其是否在给定的范围内，如不是则重新给定。4.流程的选取流程的选取对于一般对成型流道的板式换热器： 两流体体积流量相当时，按等程布置； 两流体体积流量悬殊时，流量小的一侧按多程布置； 相变的一侧一般均为单程； 某一介质温升或温降幅度较大时，可采取多程布置。（5）流向的选取）流向的选取 单相换热时，逆流具有最大的平均传热温差，尽量选择逆流。 相变换热时，相对流向的选择主要考虑压降，其次才是平均传热温差。（6）选择板片和垫片的材料）选择板片和垫片的材料 根据介质的腐蚀性来选择板片的材料。 根据介质的腐蚀性和工作温度来选择垫片的材料。2 一般设计方法及步骤一般设计方法及步骤（1

25、1）设计型计算步骤）设计型计算步骤 平均温差法方法（1）求未知温度及总换热量（1） 同左（2）选型及布置通道，求出对数平均温差（2） 选型及布置通道，求出温度效率（3）求两侧对流传热系数及总传热系数（3） 同左（4）得出换热面积（4） 由关系式或图线得出NTU值，从中求得所需换热面积（5）检验与原设面积是否一致，如不一致，重新布置并重复（2）（5）步计算，直至一致为止（5） 同左（2）校核型计算步骤）校核型计算步骤平均温差法方法（1）假设一个出口温度并得出换热量（1） 同左（2）由给定通道布置求出对流传热系数与总传热系数（2） 同左（3）求平均传热温差（3）求NTU值（4）得出换热量（4）求得值与换热量（5）比较与是否一致，如不一致，重新布置并重复（2）（5）步计算，直至一致为止（5） 同左3 设计中要注意的问题设计中要注意的问题 v 非对称板型的设计计算与对称型相同，只是相邻通道有各自不同的对流传热特性和压降特性，计算时注意把各自的关联式对号输入。v 热混合的设计计算采用-NTU法获得并联通道数较为方便。v 有相变时的设计计算时： 一般不要在一台换热器中设计成冷凝段与 过冷段并存的局面，可以另设置一台换热器成为预热器，来较多地利用过冷段地热量。 冷水侧单程时，推荐用顺流布置； 冷水侧多程时，必须分程计算，等于设计多台板式换热器。