煤油冷却器——板式换热器的设计

设计任务书一 、 设 计 题 目 ： 煤 油 冷 却 器 设 计（ 1） 设 计 课 题 工 程 背 景 ： 在 石 油 化 工 生 产 过 程 中 ， 常 常 需 要 将 各 种 石 油 产品 如 汽 油 、 煤 油 、 柴 油 等 ） 进 行 冷 却 ， 本 设 计 以 某 炼 油 厂 冷 却 煤 油 产 品 为 例 ，让 学 生 熟 悉 列 管 式 换 热 器 的 设 计 过 程 。（ 2） 设 计 的 目 的 ： 通 过 对 煤 油 产 品 冷 却 的 列 管 式 换 热 器 设 计 ， 达 到 让 学 生了 解 该 换 热 器 的 结 构 特 点 ， 并 能 根 据 工 艺 要 求 选 择 适 当 的 类 型 ， 同 时 还 能 根 据传 热 的 基 本 原 理 ， 选 择 流 程 ， 确 定 换 热 器 的 基 本 尺 寸 ， 计 算 传 热 面 积 以 及 计 算流 体 阻 力 。二、设 计 任 务 及 操 作 条 件（ 1） 处 理 能 力 8 万 吨 煤 油 /年（ 2） 设 备 型 式 板 式 换 热 器（ 3） 操 作 条 件煤 油 ： 入 口 温 度 140， 出 口 温 度 45冷 却 介 质 ： 自 来 水 ， 入 口 温 度 30， 出 口 温 度 50允 许 压 强 降 ： 不 大 于 1.2105Pa每 年 按 300 天 计 ， 每 天 24 小 时 连 续 运 行（ 4） 设 计 项 目设 计 方 案 简 介 ： 对 确 定 的 工 艺 流 程 及 换 热 器 型 式 进 行 简 要 论 述 。换 热 器 的 工 艺 计 算 ： 确 定 换 热 器 的 传 热 面 积 。换 热 器 的 主 要 结 构 尺 寸 设 计 。主 要 辅 助 设 备 选 型 。绘 制 换 热 器 总 装 配 图 。煤油冷却器板式换热器的设计1目录设 计 任 务 书 .1目 录 .2前 言 .4第 一 章 、 板 式 换 热 器 的 结 构 特 点 和 分析 .51、 板式换热器的结构分析 .5 1.1 板式换热器与管壳式换热器的比较 .51.2 板式换热器的结构技术特点.62、板式换热器流程工作原理8第 二 章 、 板 式 换 热 器 的 优 缺 点 及 实 际 应用 .91、 板式换热器的优缺点.91.1 板式换热器的特点.91.2 板式换热器的缺点.102、板式换热器的实际应用.102.1 板式换热器在制冷中的应用.102.2 板式换热器的应用场合.12第 三 章 、 板 式 换 热 器 的 基 本 数据 .131、 换热器的类型选择.132、 目前换热通用型板式换热器类煤油冷却器板式换热器的设计2型.143、 板 式 换 热 器 选 型 时 应 注 意 的 问题 174、 板 式 换 热 器 的 优 化 设 计 方向 .174.1 板式换热器的优化方法.174.2 降 低 换 热 器 阻 力 的 方 法 .194.3 橡 胶 密 封 垫 材 质 及 安 装 方 式 .214.4 合 理 选 用 板 片 材 质 21第 四 章 、 板式换热器过程的设计计算221、设计条件.222、确定设计方案223、 确 定 物 性 数据 224、 板 式 换 热 器 的 设 计 计 算 过程 .234.1 热 流 量 .234.2 平 均 传 热 温 差 .234.3 冷 却 水 用 量 .234.4 初 估 总 传 热 系 数 K.234.5 核 算 总 传 热 系 数 K.274.6 计 算 传 热 面 积 .284.7 压 降 计 算 .28第 五 章 、 主 体 设 备 设 计 原 则 及 分析 .30煤油冷却器板式换热器的设计31、 设计的一般原则.302、 板式换热器的选型计算方法.30参 考 文 献 .31装 配 图 .32前 言板式换热器是一种高效紧凑的换热设备，它的应用几乎涉及到所有的工业领域，而且其类型、结构和使用范围还在不断发展。近年来，焊接型板式换热器的紧凑性、重量轻、制冷性能好、运行成本低等优越性已越来越被人们所认识。随着我国经济的发展，制冷技术的发展前途远大，特别是各种大型的工业制冷装置和空调用制冷装置发展迅速，这为各种制冷用板式换热器的应用提供了广阔的市场。换热器是石油、化工、制药等工业部门中应用相当广泛的单元设备之一。换热器的性能对产品质量、能量利用率以及系统的经济性和可靠性起着重要的煤油冷却器板式换热器的设计4作用。面对型号众多的换热器, 如何根据工艺要求选出最佳的换热器, 是设计者经常遇到的问题。随着计算机技术的迅速发展, 开发用于换热器选型计算机辅助设计系统, 对于在计算机上实现换热器的优化选型, 深人节能、节资、以及提高设计水平和设计效率具有非常重大的意义。我国板式换热器的研究、生产、制造, 开始于60 年代。板式换热器的广泛应用, 加速了我国板式换热器行业的迅速发展, 但我国板式换热器设计与发达国家之间仍存在着不小的差距。鉴于对板式换热器结构特点的了解, 本文研究了板式换热器的设计方法, 分析了在一定情况下炼 油 厂 冷 却 煤 油 产 品 的 设 计 过程 。第一章 板式换热器的结构特点和分析1、板式换热器的结构分析板式换热器主要由框架和板片两大部分组成。板片由各种材料的制成的薄板用各种不同形式的磨具压成形状各异的波纹，并在板片的四个角上开有角孔，用于介质的流道。板片的周边及角孔处用橡胶垫片加以密封。框架由固定压紧板、活动压紧板、上下导杆和夹紧螺栓等构成。板式换热器是将板片以叠加的形式装在固定压紧板、活动压紧板中间，然煤油冷却器板式换热器的设计5后用夹紧螺栓夹紧而成。1.1 板式换热器与管壳式换热器的比较（1）传热系数高由于不同的波纹板相互倒置，构成复杂的流道，使流体在波纹板间流道内呈旋转三维流动，能在较低的雷诺数（一般 Re=50200）下产生紊流，所以传热系数高，一般认为是管壳式的 35 倍。（2）对数平均温差大，末端温差小在管壳式换热器中，两种流体分别在管程和壳程内流动，总体上是错流流动，对数平均温差修正系数小，而板式换热器多是并流或逆流流动方式，其修正系数也通常在 0.95 左右，此外，冷、热流体在板式换热器内的流动平行于换热面、无旁流，因此使得板式换热器的末端温差小，对水换热可低于 1，而管壳式换热器一般为 5.（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的 25 倍，也不像管壳式那样要预留抽出管束的检修场所，因此实现同样的换热量，板式换热器占地面积约为管壳式换热器的 1/51/10。（4）容易改变换热面积或流程组合，只要增加或减少几张板，即可达到增加或减少换热面积的目的；改变板片排列或更换几张板片，即可达到所要求的流程组合，适应新的换热工况，而管壳式换热器的传热面积几乎不可能增加。（5）重量轻板式换热器的板片厚度仅为 0.40.8mm，而管壳式换热器的换热管的厚度为 2.02.5mm，管壳式的壳体比板式换热器的框架重得多，板式换热器一般只有管壳式重量的 1/5 左右。（6） 价格低采用相同材料，在相同换热面积下，板式换热器价格比管壳式约低40%60%。（7） 制作方便板式换热器的传热板是采用冲压加工，标准化程度高，并可大批生产，管壳式换热器一般采用手工制作。煤油冷却器板式换热器的设计6（8） 容易清洗框架式板式换热器只要松动压紧螺栓，即可松开板束，卸下板片进行机械清洗，这对需要经常清洗设备的换热过程十分方便。（9） 热损失小板式换热器只有传热板的外壳板暴露在大气中，因此散热损失可以忽略不计，也不需要保温措施。而管壳式换热器热损失大，需要隔热层。（10）容量较小是管壳式换热器的 10%20%。（11）单位长度的压力损失大由于传热面之间的间隙较小，传热面上有凹凸，因此比传统的光滑管的压力损失大。1.2 板式换热器的结构技术特点板式换热器是由传热板片、密封垫片、压紧板、上下导杆、支柱、夹紧螺栓等主要零件组成。传热板片四个角开有角孔并镶贴密封垫片，设备夹紧时，密封垫片按流程组合形式将各传热板片密封连接，角孔处互相连通，形成迷宫式的介质通道，使换热介质在相邻的通道内逆向流动，经强化热辐射、热对流、热传导进行充分的热交换。由于传热片特殊的结构，装配后在较低的流速下（Re=200）就能激起强烈的湍流，因而加快了流体边界层的破坏，强化了传热过程。板式换热器工作压力一般为 0.3MPa1.6 Mpa，工作温度一般低于 160。用于水蒸汽加热或冷凝时，一般在板式换热器上附加减温管式换热器，来降温保护板式换热器的垫片，并增加蒸汽处理量。传热板片和密封垫片的材质一般可根据下表进行选取，也可根据用户的不同需要选择其它材料。主要技术特点如下：（1）传热效率高 传热板片波纹结构设计合理，有利于强化传热，可以使介质在较低流速下形成激烈的湍流状态，结垢可能性降低，传热效率高。每平方米换热器面积可实现供需暖建筑面积 5001000 平方米。（2）占地面积小 煤油冷却器板式换热器的设计7由于传热效率高，设备结构紧凑，使得板式换热器占地面积为同等能力的管壳式换热器的 40%。（3）使用寿命长传热板片采用免粘挂垫结构，避免了粘结剂对传热板片的腐蚀；传热板片拉伸成型时，采用非同时合模新工艺，保证了板片均匀拉伸，波纹尺寸精确，使得传热板片各部分耐腐蚀能力及机械强度均匀。从而延长了板式换热器的使用寿命。（4）耐压能力高 传热板片流道四周采用加强结构；相邻板片波纹波峰相互支撑，形成大量触点，接触点分布均匀提高了板片的刚性。耐压能力提高，最高可达 2.0 MPa。（5）压力阻力损失小 传热板片角孔处波纹方向科学，采用流线型设计，避免流动死区，流道当量直径大，减小了压力损失。（6）拆卸方便、快捷由于胶垫为免粘挂垫，板片为悬挂在上导梁，夹紧螺柱为快装式结构，在清洗设备板片时可快速拆下螺柱、移动板片来清洗板片、更换胶垫。（7）运行安全可靠 板式换热器密封垫片利用双道密封结构，在板片夹紧状态下变形小，回弹性好，组装及维修重新组装后垫片密封可靠，换热器无内泄现象，如有外泄现象可及时发现处理。密封垫片老化速度慢。板式换热器是液液、液汽进行热交换的理想设备。它具有换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占地面积小、安装清洗方便、应用范围广泛、使用寿命长等特点。在相同压力损失情况下，板式换热器传热系数比管式换热器高 35 倍，占地面积为管式换热器的 1/3，热回收率高达 90%以上。2、板式换热器流程工作原理板式换热器由于板片波纹表面的特殊作用，使流体沿着狭窄弯曲的通道流动其速度的大小方向不断的改变，致使流体在不大的流速下（ Rc=200 时） ，激煤油冷却器板式换热器的设计8起了强烈端动，因而加快了流体边界层的破坏，强化了传热过程，有效地提高了传热能力。 并使其具有结构紧凑、金属耗量低、操作灵活性大、热损失小、安装、检查拆洗方便、耐腐性强、使用寿命长等突出优点。换热器的流程是由许多板片按一定工艺及需方技术工作要求组装而成的。 组装时 A 板和 B 板交替排列，板片间形成网状通道四个角孔形成分配管和汇合管，密封垫把冷热介质密封在换热器里，同时又合理的将冷热介质分开而不致混合。在通道里面冷热流体间隔流动，可以逆流也可以顺流，在流动过程中冷热流体通过板壁进行热交换。板式换热器的流程组合形式很多，都是采用不同的换向板片和不同组装来实现的，流程组合形式可分为单流程，多流程和汽液交换流程，混合流程形式。要根据工艺条件来选择换热器的流程组合。第二章 板式换热器的优缺点及实际应用1、板式换热器的优缺点1.1 板式换热器的特点（ 1） 总 传 热 系 数 高 ， 因 板 式 换 热 器 中 ， 板 面 被 压 制 成 波 纹 或 沟 槽 ， 在 低流 速 下 （ 如 Re=200 左 右 ） 即 可 达 到 湍 流 ， 故 总 传 热 系 数 高 ， 而 液 体 阻 力 却 增加 不 大 ， 污 垢 热 阻 亦 较 小 ， 对 低 粘 度 液 体 的 传 热 ， K 值 可 高 达煤油冷却器板式换热器的设计97000W/（ m2K） 。（ 2） 结 构 紧 凑 ， 单 位 体 积 设 备 提 供 的 传 热 面 积 大 。 板 式 换 热 器 属 于 高 效换 热 设 备 。 在 实 际 应 用 中 有 两 种 ， 一 种 是 旋 压 法 制 造 的 伞 板 式 换 热 器 ， 另 一种 是 冲 压 法 制 造 的 平 板 换 热 器 ， 其 结 构 特 点 如 下 ： 板 式 换 热 器 体 积 小 、 占 地 面 积 少 。板 式 换 热 器 占 地 面 积 为 同 样 换 热 能 力 的 列 管 换 热 器 的 30%左 右 ， 若 与 淋洒 式 的 排 管 冷 却 器 相 比 就 更 优 越 。 板 式 换 热 器 传 热 效 率 高 。板 式 换 热 器 能 使 两 种 热 交 换 流 体 处 于 较 低 的 流 速 下 ， 增 强 扰 动 ， 激 起 湍流 ， 从 而 强 化 传 热 ， 传 热 系 数 值 K 可 达 16720J/（ m2h ） （ 水 对 水 ） ， 较 之列 管 换 热 器 高 24 倍 。 板 式 换 热 器 组 装 灵 活 。当 生 产 上 要 求 改 变 工 艺 条 件 和 产 量 时 ， 板 式 换 热 器 只 要 增 减 板 片 数 量 或改 变 板 片 组 装 流 程 通 道 形 式 ， 即 可 满 足 要 求 。 板 式 换 热 器 金 属 消 耗 量 低 。板 式 换 热 器 主 要 由 不 锈 钢 或 钛 合 金 压 制 的 传 热 片 、 密 封 胶 垫 、 夹 紧 螺 栓和 压 紧 板 整 机 框 架 等 零 部 件 组 成 。 板 式 换 热 器 的 板 片 每 平 方 米 消 耗 金 属 为8kg 左 右 ， 而 同 样 参 数 的 螺 旋 板 式 换 热 器 则 需 要 20kg 左 右 ， 其 他 管 壳 式 换 热器 就 更 多 了 。 板 式 换 热 器 热 损 失 小 。板 式 换 热 器 由 于 仅 是 板 片 周 围 边 暴 露 在 大 气 中 ， 所 以 热 损 失 仅 1%左 右 ，不 需 要 采 用 保 温 层 。 板 式 换 热 器 拆 卸 、 清 洗 、 检 修 方 便 。松 开 压 紧 螺 母 即 可 进 行 清 洗 维 护 ,更 换 胶 垫 或 板 片 。 对 于 容 易 结 垢 的 介 质 ，一 方 面 由 于 板 式 换 热 器 中 的 介 质 有 激 烈 的 湍 流 ， 其 湍 流 临 界 雷 诺 数 比 一 般 列 管式 换 热 器 低 10 倍 左 右 ， 因 而 不 易 结 垢 。（ 3） 操 作 灵 活 性 大 ， 可 以 根 据 需 要 调 节 板 片 数 目 以 增 减 传 热 面 积 ， 或 以调 节 流 道 的 方 法 ， 适 应 冷 、 热 流 体 流 量 和 温 度 变 化 的 要 求 。（ 4） 加 工 制 造 容 易 ， 检 修 清 洗 方 便 ， 热 损 失 小煤油冷却器板式换热器的设计101.2 板式换热器的缺点（1）允许操作压力较低，最高不超过 1961kPa，否则容易渗漏。（2）操作温度不能太高，因为垫片耐热性能的限制，如对合成橡胶垫圈不高于 130，对压缩石棉垫圈也应低于 250。（3）处理量不大，因板间距小，流道截面较小，流速亦不能过大。板 式换 热 器 缺 点 是 密 封 周 边 较 长 ， 容 易 泄 漏 ， 使 用 温 度 只 能 低 于 150， 承 受 压差 较 小 ， 处 理 量 较 小 ， 一 旦 发 现 板 片 结 垢 必 须 拆 开 清 洗 。2、板式换热器的实际应用2.1 板式换热器在制冷中的应用在 制 冷 技 术 中 ， 换 热 器 是 不 可 缺 少 的 制 冷 设 备 ， 冷 凝 器 、 蒸 发 器 、 回 热器 以 及 中 间 冷 却 器 等 换 热 设 备 ， 不 仅 在 重 量 、 体 积 和 金 属 耗 量 上 占 整 个 制 冷 装置 的 50%以 上 ， 而 且 对 制 冷 性 能 也 会 产 生 重 大 影 响 。 因 此 强 化 制 冷 换 热 器 的传 热 ， 减 少 重 量 和 体 积 ， 降 低 金 属 消 耗 量 一 直 是 制 冷 技 术 中 的 发 展 方 向 ， 现 已出 现 了 一 种 新 型 的 、 全 焊 接 式 的 板 式 换 热 器 在 制 冷 技 术 中 的 应 用 ， 并 且 表 现 出强 劲 的 发 展 潜 力 。与 制 冷 用 壳 程 管 式 换 热 器 相 比 ， 除 了 具 有 板 式 换 热 器 的 一 般 特 点 ， 制 冷 用板 式 换 热 器 还 具 有 如 下 特 点 。（ 1） 制 冷 剂 充 灌 量 小 ， 有 利 于 环 境 保 护 和 降 低 运 行 成 本 。壳 管 式 换 热 器 的 壳 侧 和 管 侧 的 容 积 都 很 大 ， 要 使 制 冷 系 统 正 常 工 作 ， 必 须充 灌 大 量 的 制 冷 剂 ， 而 且 还 可 能 造 成 环 境 污 染 。 而 板 式 换 热 器 一 方 面 体 积 小 ，另 一 方 面 间 距 尺 寸 也 小 。（ 2） 冻 结 倾 向 少 ， 抗 冻 性 能 高 。由 于 水 在 低 流 速 时 ， 就 能 在 板 式 换 热 器 中 形 成 高 度 紊 流 ， 温 度 分 布 非 常 均匀 ， 从 而 减 少 了 冷 冻 水 的 冻 结 倾 向 。 即 使 发 生 了 冻 结 ， 也 更 能 承 受 冻 结 所 产 生的 压 力 ， 而 不 像 壳 管 式 换 热 器 那 样 容 易 使 热 管 胀 裂 ， 并 且 可 以 在 结 冻 后 继 续 使用 。（ 3） 蒸 发 彻 底 ， 经 济 性 高 。制 冷 剂 在 制 冷 板 式 换 热 器 中 蒸 发 时 ， 很 容 易 实 现 完 全 蒸 发 达 到 无 液 态 程 度 ，因 此 在 大 多 数 情 况 下 ， 制 冷 系 统 无 须 设 置 气 液 分 离 器 。 并 且 极 易 实 现 单 元 化 ，煤油冷却器板式换热器的设计11安 装 简 单 方 便 ， 维 护 和 运 输 都 可 以 节 约 费 用 ， 降 低 成 本 。由 于 与 传 统 的 壳 管 式 换 热 器 相 比 ， 制 冷 用 板 式 换 热 器 具 有 十 分 明 显 的 发 展优 势 ， 自 上 世 纪 70 年 代 开 始 在 制 冷 装 置 中 得 到 应 用 以 来 ， 已 经 日 益 受 到 人 们的 重 视 ， 特 别 是 许 多 发 达 国 家 ， 如 欧 洲 、 美 国 、 日 本 、 澳 大 利 亚 等 都 非 常 重 视制 冷 用 板 式 换 热 器 的 研 究 和 应 用 。 日 本 在 上 世 纪 80 年 代 开 始 研 究 制 冷 用 板 式换 热 器 ， 并 在 制 冷 装 置 中 使 用 ， 收 到 了 良 好 的 经 济 效 益 ， 世 界 上 一 些 著 名 的 制冷 公 司 如 约 克 、 开 利 、 日 立 等 也 相 继 在 制 冷 装 置 中 采 用 板 式 换 热 器 。 进 入 20世 纪 90 年 代 后 ， 制 冷 用 板 式 换 热 器 又 得 到 进 一 步 发 展 ， 一 种 能 够 应 用 于 氨 制冷 系 统 的 板 式 换 热 器 在 瑞 典 斯 特 尔 公 司 研 制 成 功 。 这 种 新 型 的 组 合 式 板 式 换 热器 结 合 了 板 框 式 和 钎 焊 式 的 特 点 。 与 氟 利 昂 制 冷 系 统 相 比 ， 采 用 这 种 板 式 换热 器 的 氨 制 冷 系 统 不 仅 在 机 组 材 料 、 体 积 重 量 上 有 明 显 的 优 势 ， 而 且 性 能 系 数也 要 高 10%20%。 目 前 ， 这 种 系 统 已 经 形 成 了 8 个 产 品 ， 冷 量 从10kw1000kw。 氨 用 板 式 换 热 器 的 开 发 成 功 ， 不 仅 拓 宽 了 板 式 换 热 器 在 制 冷技 术 中 的 应 用 范 围 ， 而 且 对 保 护 大 气 臭 氧 、 保 护 环 境 都 有 重 要 意 义 ， 同 时 也 必将 促 进 制 冷 技 术 的 进 一 步 发 展 。我 国 自 上 世 纪 60 年 代 初 开 始 生 产 板 式 换 热 器 ， 到 1994 年 ， 以 节 能 型 产品 定 点 的 板 式 换 热 器 生 产 厂 家 即 达 15 家 ， 并 且 一 些 厂 家 还 进 行 板 式 蒸 发 器 及其 传 热 特 性 的 研 究 工 作 ， 然 而 这 些 厂 家 也 仅 限 于 生 产 板 框 式 换 热 器 （ DHE） 。在 我 国 ， 制 冷 用 板 式 换 热 器 的 应 用 尚 处 于 起 步 阶 段 ， 日 前 许 多 制 冷 厂 家 都 在 自己 的 产 品 中 采 用 了 制 冷 用 板 式 换 热 器 ， 而 且 其 产 品 广 泛 的 受 到 用 户 青 睐 。 可 以预 计 ， 随 着 对 制 冷 用 板 式 换 热 器 的 了 解 和 认 识 ， 板 式 换 热 器 以 其 高 效 传 热 ， 结构 紧 凑 ， 节 能 节 材 并 具 环 保 功 能 等 特 点 ， 必 将 越 来 越 广 泛 地 应 用 于 制 冷 装 置 。第 三 章 板 式 换 热 器 的 基 本 数 据1、换热器的类型选择换 热 器 的 类 型 很 多 ， 每 种 型 式 都 有 特 定 的 应 用 范 围 。 在 某 一 种 场 合 下 性能 很 好 的 换 热 器 ， 如 果 换 到 另 一 种 场 合 可 能 传 热 效 果 和 性 能 会 有 很 大 的 改变 。煤油冷却器板式换热器的设计12因 此 ， 针 对 具 体 情 况 正 确 地 选 择 换 热 器 的 类 型 ， 是 很 重 要 的 。 换 热 器 选 型时 需 要 考 虑 的 因 素 是 多 方 面 的 ， 主 要 有 ：（ 1） 热 负 荷 及 流 量 大 小（ 2） 流 体 的 性 质（ 3） 温 度 、 压 力 及 允 许 压 降 的 范 围（ 4） 对 清 洗 、 维 修 的 要 求（ 5） 设 备 结 构 、 材 料 、 尺 寸 、 重 量（ 6） 价 格 、 使 用 安 全 性 和 寿 命在 换 热 器 选 型 中 ， 除 考 虑 上 述 因 素 外 ， 还 应 对 结 构 强 度 、 材 料 来 源 、 加 工 条件 、 密 封 性 、 安 全 性 等 方 面 加 以 考 虑 。 所 有 这 些 又 常 常 是 相 互 制 约 、 相 互 影 响 的 ，通 过 设 计 的 优 化 加 以 解 决 。 针 对 不 同 的 工 艺 条 件 及 操 作 工 况 ， 我 们 有 时 使 用 特 殊型 式 的 换 热 器 或 特 殊 的 换 热 管 ， 以 实 现 降 低 成 本 的 目 的 。 因 此 ， 应 综 合 考 虑 工艺 条 件 和 机 械 设 计 的 要 求 ， 正 确 选 择 合 适 的 换 热 器 型 式 来 有 效 地 减 少 工 艺 过 程 的能 量 消 耗 。 对 工 程 技 术 人 员 而 言 ， 在 设 计 换 热 器 时 ， 对 于 型 式 的 合 理 选 择 、 经 济运 行 和 降 低 成 本 等 方 面 应 有 足 够 的 重 视 ， 必 要 时 ， 还 得 通 过 计 算 来 进 行 技 术 经 济指 标 分 析 、 投 资 和 操 作 费 用 对 比 ， 从 而 使 设 计 达 到 该 具 体 条 件 下 的 最 佳 设 计 。板式换热器的换热面积不超过 2000 m2，适应性很强，其允许压力最大值为 25 kgf/cm2，温度可以从-40C 到 200C 之间，材料主要是钛、不锈钢等。其主要特点为结构紧凑，易维修。 在液液换热设备中传热系数较高，实际应用范围广泛。也可于气体冷却、冷凝或沸腾传热。此外，它还具有容量大、结构简单、造价低廉、清洗方便等优点，因此它在换热器中是最主要的型式。板式换热器作为冷凝器主要有：冷冻剂冷凝器、蒸汽冷凝器和烃类冷凝器。2、目前换热通用型板式换热器类型基本条件：用于液体之间热交换，平均温度差大于 2C 的工况。主要型号：BR10、BR20、BR30、BR31、BR35、BR50、BR64、BR80、BR100、BR140 等。煤油冷却器板式换热器的设计13空调系统专用型板式换热器主要型号：BR70C、BR170C 等。颗 粒 纤 维 介 质 专 用 型 板 式 换 热 器在 酒 精 酿 造 ， 造 纸 ， 纺 织 ， 及 其 他 含 颗 粒 或 纤 维 介 质 的 热 交 换 中 必 须 采 用专 用 大 间 隙 无 阻 碍 的 板 式 换 热 器 。主要型号：BPF40、BPF100、BPF170 等。低阻降冷凝专用型板式换热器煤油冷却器板式换热器的设计14适 用 于 各 种 工 业 气 体 的 冷 凝 工 艺 需 要 ， 冷 凝 阻 力 非 常 小 ， 又 要 有 很 高 的 传热 系 数 ， 一 般 的 板 式 换 热 器 不 能 实 现 。专 用 冷 凝 换 热 器 有 ： BL80、 BZL140。各国替代板片及垫片太 平 洋 公 司 按 照 用 户 的 要 求 开 发 了 各 国 板 片 及 垫 片 。 可 以 满 足 各 种 规 格 进口 板 式 换 热 器 ， 板 片 及垫片的替代要求。实 验 室 适 用 型 板 式 换 热 器BR3、 BR6 等 型 号 小 型 板 式 换 热 器 适 用 于 小 流 量 的 场 合 使 用 。 例 如 ： 实 验室 ， 药 品 生 产 ， 机 器 润 滑 配 套 冷 却 等 。煤油冷却器板式换热器的设计15箱行半焊板式换热器系列适 用 于 高 温 ， 高 压 ， 真 空 及 要 求 无 泄 漏 的 场 合 。 主 要 有 冷 凝 型 、 自 由 流 型 、普 通 换 热 型 。3、 板 式 换 热 器 选 型 时 应 注 意 的 问 题（ 1） 板 型 选 择板 片 型 式 或 波 纹 式 应 根 据 换 热 场 合 的 实 际 需 要 而 定 。 对 流 量 大 允 许 压 降 小 的 情况 ， 应 选 用 阻 力 小 的 板 型 ， 反 之 选 用 阻 力 大 的 板 型 。 根 据 流 体 压 力 和 温 度 的 情况 ， 确 定 选 择 可 拆 卸 式 ， 还 是 钎 焊 式 。 确 定 板 型 时 不 宜 选 择 单 板 面 积 太 小 的 板片 ， 以 免 板 片 数 量 过 多 ， 板 间 流 速 偏 小 ， 传 热 系 数 过 低 ， 对 较 大 的 换 热 器 更 应注 意 这 个 问 题 。（ 2） 流 程 和 流 道 的 选 择煤油冷却器板式换热器的设计16流 程 指 板 式 换 热 器 内 一 种 介 质 同 一 流 动 方 向 的 一 组 并 联 流 道 ， 而 流 道 指 板 式 换热 器 内 ， 相 邻 两 板 片 组 成 的 介 质 流 动 通 道 。 一 般 情 况 下 ， 将 若 干 个 流 道 按 并 联或 串 联 的 费 那 个 是 连 接 起 来 ， 以 形 成 冷 、 热 介 质 通 道 的 不 同 组 合 。流 程 组 合 形 式 应 根 据 换 热 和 流 体 阻 力 计 算 ， 在 满 足 工 艺 条 件 要 求 下 确 定 。 尽 量使 冷 、 热 水 流 道 内 的 对 流 换 热 系 数 相 等 或 接 近 ， 从 而 得 到 最 佳 的 传 热 效 果 。 因为 在 传 热 表 面 两 侧 对 流 换 热 系 数 相 等 或 接 近 时 传 热 系 数 获 得 较 大 值 。 虽 然 板 式换 热 器 各 板 间 流 速 不 等 ， 但 在 换 热 和 流 体 阻 力 计 算 时 ， 仍 以 平 均 流 速 进 行 计 算 。由 于 “U”形 单 流 程 的 接 管 都 固 定 在 压 紧 板 上 ， 拆 装 方 便 。4、 板 式 换 热 器 的 优 化 设 计 方 向近 年 来 ， 板 式 换 热 器 技 术 日 益 成 熟 ， 其 传 热 效 率 高 ， 体 积 小 ， 重 量 轻 ，污 垢 系 数 低 ， 拆 卸 方 便 ， 板 片 品 种 多 ， 适 用 范 围 广 ， 在 供 热 行 业 得 到 了 广 泛 应用 。 板 式 换 热 器 按 组 装 方 式 分 为 可 拆 式 、 焊 接 式 、 钎 焊 式 、 板 壳 式 等 。 由 于 可拆 式 板 式 换 热 器 便 于 拆 卸 清 洗 ， 增 减 换 热 器 面 积 灵 活 ， 在 供 热 工 程 中 使 用 较 多 。可 拆 式 板 式 换 热 器 受 橡 胶 密 封 垫 耐 热 温 度 的 限 制 ， 适 用 于 水 一 水 传 热 。 本 文对 提 高 可 拆 式 板 式 换 热 器 效 能 的 优 化 设 计 进 行 研 究 。提 高 板 式 换 热 器 的 效 能 是 一 个 综 合 经 济 效 益 问 题 ， 应 通 过 技 术 经 济 比 较 后确 定 。 提 高 换 热 器 的 传 热 效 率 和 降 低 换 热 器 的 阻 力 应 同 时 考 虑 ， 而 且 应 合 理 选用 板 片 材 质 和 橡 胶 密 封 垫 材 质 及 安 装 方 法 ， 保 证 设 备 安 全 运 行 ， 延 长 设 备 使 用寿 命 。4.1 板式换热器的优化方法（1）提高传热效率板 式 换 热 器 是 问 壁 传 热 式 换 热 器 ， 冷 热 流 体 通 过 换 热 器 板 片 传 热 ， 流 体 与板 片 直 接 接 触 ， 传 热 方 式 为 热 传 导 和 对 流 传 热 。 提 高 板 式 换 热 器 传 热 效 率 的关 键 是 提 高 传 热 系 数 和 对 数 平 均 温 差 。提 高 换 热 器 传 热 系 数 只 有 同 时 提 高 板 片 冷 热 两 侧 的 表 面 传 热 系 数 ， 减 小 污垢 层 热 阻 ， 选 用 热 导 率 高 的 板 片 ， 减 小 板 片 的 厚 度 ， 才 能 有 效 提 高 换 热 器 的传 热 系 数 。提高板 片 的 表 面 传 热 系 数由 于 板 式 换 热 器 的 波 纹 能 使 流 体 在 较 小 的 流 速 下 产 生 湍 流 (雷 诺 数 一 150煤油冷却器板式换热器的设计17时 )， 因 此 能 获 得 较 高 的 表 面 传 热 系 数 ， 表 面 传 热 系 数 与 板 片 波 纹 的 几 何 结 构以 及 介 质 的 流 动 状 态 有 关 。 板 片 的 波 形 包 括 人 字 形 、 平 直 形 、 球 形 等 。 经 过 多年 的 研 究 和 实 验 发 现 ， 波 纹 断 面 形 状 为 三 角 形 (正 弦 形 表 面 传 热 系 数 最 大 ， 压力 降 较 小 ， 受 压 时 应 力 分 布 均 匀 ， 但 加 工 困 难 )的 人 字 形 板 片 具 有 较 高 的 表面 传 热 系 数 ， 且 波 纹 的 夹 角 越 大 ， 板 间 流 道 内 介 质 流 速 越 高 ， 表 面 传 热 系 数越 大 。 减 小 污 垢 层 热 阻减 小 换 热 器 的 污 垢 层 热 阻 的 关 键 是 防 止 板 片 结 垢 。 板 片 结 垢 厚 度 为 1 mm时 ， 传 热 系 数 降 低 约 10%。 因 此 ， 必 须 注 意 监 测 换 热 器 冷 热 两 侧 的 水 质 ， 防止 板 片 结 垢 ， 并 防 止 水 中 杂 物 附 着 在 板 片 上 。 有 些 供 热 单 位 为 防 止 盗 水 及 钢 件腐 蚀 ， 在 供 热 介 质 中 添 加 药 剂 ， 因 此 必 须 注 意 水 质 和 黏 性 药 剂 引 起 杂 物 沾 污 换热 器 板 片 。 如 果 水 中 有 黏 性 杂 物 ， 应 采 用 专 用 过 滤 器 进 行 处 理 。 选 用 药 剂 时 ，宜 选 择 无 黏 性 的 药 剂 。 选 用 热 导 率 高 的 板 片板 片 材 质 可 选 择 奥 氏 体 不 锈 钢 、 钛 合 金 、 铜 合 金 等 。 不 锈 钢 的 导 热 性 能 好 ，热 导 率 约 14 4 W/(mK) ， 强 度 高 ， 冲 压 性 能 好 ， 不 易 被 氧 化 ， 价 格 合 金 和铜 合 金 低 ， 供 热 工 程 中 使 用 最 多 ， 但 其 耐 氯 离 子 腐 蚀 的 能 力 差 比 钛 。减小板片厚度板 片 的 设 计 厚 度 与 其 耐 腐 蚀 性 能 无 关 ， 与 换 热 器 的 承 压 能 力 有 关 。 板 片 加厚 ， 能 提 高 换 热 器 的 承 压 能 力 。 采 用 人 字 形 板 片 组 合 时 ， 相 邻 板 片 互 相 倒 置 ，波 纹 相 互 接 触 ， 形 成 了 密 度 大 、 分 布 均 匀 的 支 点 ， 板 片 角 孑 L 及 边 缘 密 封 结构 已 逐 步 完 善 ， 使 换 热 器 具 有 很 好 的 承 压 能 力 。 国 产 可 拆 式 板 式 换 热 器 最 大 承压 能 力 已 达 到 了 2.5 MPa。 板 片 厚 度 对 传 热 系 数 影 响 很 大 ， 厚 度 减 小0.1mm， 对 称 型 板 式 换 热 器 的 总 传 热 系 数 约 增 加 600W/(m K)， 非 对 称 型 约 增加 500 W/(m K) 。 在 满 足 换 热 器 承 压 能 力 的 前 提 下 ， 应 尽 量 选 用 较 小 的 板 片厚 度 。（ 2） 提 高 对 数 平 均 温 差板 式 换 热 器 流 型 有 逆 流 、 顺 流 和 混 合 流 型 (既 有 逆 流 又 有 顺 流 )。 在 相 同工 况 下 ， 逆 流 时 对 数 平 均 温 差 最 大 ， 顺 流 时 最 小 ， 混 合 流 型 介 于 二 者 之 问 。 提煤油冷却器板式换热器的设计18高 换 热 器 对 数 平 均 温 差 的 方 法 为 尽 可 能 采 用 逆 流 或 接 近 逆 流 的 混 合 流 型 ， 尽 可能 提 高 热 侧 流 体 的 温 度 ， 降 低 冷 侧 流 体 的 温 度 。（3）进出口管 位 置 的 确 定对 于 单 流 程 布 置 的 板 式 换 热 器 ， 为 检 修 方 便 ， 流 体 进 出 口 管 应 尽 可 能 布 置在 换 热 器 固 定 端 板 一 侧 。 介 质 的 温 差 越 大 ， 流 体 的 自 然 对 流 越 强 ， 形 成 的 滞 留带 的 影 响 越 明 显 ， 因 此 介 质 进 出 口 位 置 应 按 热 流 体 上 进 下 出 ， 冷 流 体 下 进 上 出布 置 ， 以 减 小 滞 留 带 的 影 响 ， 提 高 传 热 效 率 。4.2 降 低 换 热 器 阻 力 的 方 法提 高 板 问 流 道 内 介 质 的 平 均 流 速 ， 可 提 高 传 热 系 数 ， 减 小 换 热 器 面 积 。 但提 高 流 速 ， 将 加 大 换 热 器 的 阻 力 ， 提 高 循 环 泵 的 耗 电 量 和 设 备 造 价 。 循 环 泵 的功 耗 与 介 质 流 速 的 3 次 方 成 正 比 ， 通 过 提 高 流 速 获 得 稍 高 的 传 热 系 数 不 经 济 。当 冷 热 介 质 流 量 比 较 大 时 ， 可 采 用 以 下 方 法 降 低 换 热 器 的 阻 力 ， 并 保 证 有 较 高的 传 热 系 数 。（ 1） 采 用 热 混 合 板热 混 合 板 的 板 片 两 面 波 纹 几 何 结 构 相 同 ， 板 片 按 人 字 形 波 纹 的 夹 角 分 为 硬板 (H)和 软 板 (L)， 夹 角 (一 般 为 120。 左 右 )大 于 90。 为 硬 板 ， 夹 角 (一 般 为70。 左 右 )小 于 90。 为 软 板 。 热 混 合 板 硬 板 的 表 面 传 热 系 数 高 ， 流 体 阻 力 大 ，软 板 则 相 反 。 硬 板 和 软 板 进 行 组 合 ， 可 组 成 高 (HH)、 中 (HL)、 低 (LL)3 种 特性 的 流 道 ， 满 足 不 同 工 况 的 需 求 。冷 热 介 质 流 量 比 较 大 时 ， 采 用 热 混 合 板 比 采 用 对 称 型 单 流 程 的 换 热 器 可 减少 板 片 面 积 。 热 混 合 板 冷 热 两 侧 的 角 孔 直 径 通 常 相 等 ， 冷 热 介 质 流 量 比 过 大 时 ，冷 介 质 一 侧 的 角 孑 L 压 力 损 失 很 大 。 另 外 ， 热 混 合 板 设 计 技 术 难 以 实 现 精 确匹 配 ， 往 往 导 致 节 省 板 片 面 积 有 限 。 因 此 ， 冷 热 介 质 流 量 比 过 大 时 不 宜 采 用 热混 合 板 。（ 2） 采 用 非 对 称 型 板 式 换 热 器对 称 型 板 式 换 热 器 由 板 片 两 面 波 纹 几 何 结 构 相 同 的 板 片 组 成 ， 形 成 冷 热 流 道流 通 截 面 积 相 等 的 板 式 换 热 器 。 非 对 称 型 (不 等 截 面 积 型 )板 式 换 热 器 根 据 冷热 流 体 的 传 热 特 性 和 压 力 降 要 求 ， 改 变 板 片 两 面 波 形 几 何 结 构 ， 形 成 冷 热 流 道流 通 截 面 积 不 等 的 板 式 换 热 器 ， 宽 流 道 一 侧 的 角 孑 L 直 径 较 大 。 非 对 称 型 板煤油冷却器板式换热器的设计19式 换 热 器 的 传 热 系 数 下 降 微 小 ， 且 压 力 降 大 幅 减 小 。 冷 热 介 质 流 量 比 较 大 时 ，采 用 非 对 称 型 单 流 程 比 采 用 对 称 型 单 流 程 的 换 热 器 可 减 少 板 片 面 积 15%一30%。（ 3） 采 用 多 流 程 组 合当 冷 热 介 质 流 量 较 大 时 ， 可 以 采 用 多 流 程 组 合 布 置 ， 小 流 量 一 侧 采 用 较 多 的 流程 ， 以 提 高 流 速 ， 获 得 较 高 的 传 热 系 数 。 大 流 量 一 侧 采 用 较 少 的 流 程 ， 以 降 低换 热 器 阻 力 。 多 流 程 组 合 出 现 混 合 流 型 ， 平 均 传 热 温 差 稍 低 。 采 用 多 流 程 组 合的 板 式 换 热 器 的 固 定 端 板 和 活 动 端 板 均 有 接 管 ， 检 修 时 工 作 量 大 。（ 4） 设 换 热 器 旁 通 管当 冷 热 介 质 流 量 比 较 大 时 ， 可 在 大 流 量 一 侧 换 热 器 进 出 口 之 问 设 旁 通 管 ， 减 少进 入 换 热 器 流 量 ， 降 低 阻 力 。 为 便 于 调 节 ， 在 旁 通 管 上 应 安 装 调 节 阀 。 该 方 式应 采 用 逆 流 布 置 ， 使 冷 介 质 出 换 热 器 的 温 度 较 高 ， 保 证 换 热 器 出 口 合 流 后 的 冷介 质 温 度 能 达 到 设 计 要 求 。 设 换 热 器 旁 通 管 可 保 证 换 热 器 有 较 高 的 传 热 系 数 ，降 低 换 热 器 阻 力 ， 但 调 节 略 繁 。（5）板式换热器形式的选择换 热 器 板 间 流 道 内 介 质 平 均 流 速 以 0 3 0 6m s 为 宜 ， 阻 力 以 不 大 于 100 kPa 为 宜 。 根 据 不 同 冷 热 介 质 流 量 比 ， 可 参 照 表 1 选 用 不 同 形 式 的 板 式 换 热器 ， 表 中 非 对 称 型 板 式 换 热 器 流 道 截 面 积 比 为 2。 采 用 对 称 型 或 非 对 称 型 、单 流 程 或 多 流 程 板 式 换 热 器 ， 均 可 设 置 换 热 器 旁 通 管 ， 但 应 经 详 细 的 热 力 计 算 。4.3 橡 胶 密 封 垫 材 质 及 安 装 方 式（1）材质的选择水 一 水 换 热 器 中 ， 冷 热 介 质 对 橡 胶 密 封 垫 均 无 腐 蚀 性 。 选 用 橡 胶 密 封 垫 材煤油冷却器板式换热器的设计20质 的 关 键 是 耐 温 和 密 封 性 能 ， 橡 胶 密 封 垫 材 质 可 按 文 献 选 用 。（ 2） 安 装 方 式 的 选 择橡 胶 密 封 垫 常 用 安 装 方 式 为 粘 接 式 、 卡 扣 式 。 粘 接 式 是 在 换 热 器 组 装 时 ，将 橡 胶 密 封 垫 用 胶 水 粘 接 在 板 片 密 封 槽 内 。 卡 扣 式 是 在 换