换热器设计-毕业设计（论文）.doc

I . .摘摘 要要 此设计是在以安全为前提，在尽可能保证其质量、经济合理性和实用性等 技术指标为前提下进行的设计。BR01 型板式换热器是一种高效紧凑的换热设备， 它被应用到食品工业、冶金工业、机电工业、造纸工业、石油工业等领域。而 且其类型、结构和使用范围还在不断发展。焊接型板式换热器的紧凑性好，重 量轻、传热性能好、初始成本低特点。 本文对板式换热器的发展及应用领域作了简要的介绍，通过应用板式换热 器的传热机理。对板式换热器进行了热力计算和阻力计算，在满足了校核条件 下，设计了板式换热器的基本结构如框架形式，板片结构及流程组合方式等结 构参数。确定了板片数为 149 的并联式流程组合的板式换热器，用 Auto CAD 绘 制零件图及总图。 关键字： 板式换热器；结构设计；热力计算；校核；经济性分析 II AbstractAbstract The design is premise of security, in an mush an possible to ensure its quality, economically rational and practical technical indicators, such an under the premise of the design. Plate heat exchangers a compact and efficient heat transfer equipment, it is applied to the food industry, metallurgical industry, electromechanical industry, paper industry, oil industry and other fields. And its type, structure and scope are still evolving, Welded plate heat exchanger compactness has the features such as light weight, good heat transfer performance and low initial cost. In this paper, by the using of plate heat exchanger heat transfer mechanism the development of plate heat exchanger and applications are briefly introduced.It carried out the plate heat exchanger thermal calculation and resistance calculations, and designed the basic structure of the plate heat exchanger such as the frameworks, structure and processes combinations to meet the verification condition.Finally it determined the parallel flow plate heat exchanger with 149 of the plates and combined with Auto CAD drawing parts diagram and assembly drawings. Keywords: Plate heat exchanger; Configuration design; Thermodynamic calculation; Check; III 目录 1. 绪 论.1 1.1 板式换热器的概述 1 1.2 我国设计制造应用情况 1 1.3 国外著名厂家及其产品 3 2. BR01 型板式换热器的基本构造 6 2.1 BR01 型板式换热器的基本构造 .6 2.2 流程组合 6 2.3 框架型式 8 2.4 板片.9 2.4.1 常用形式 9 2.4.2 混合人字板及性能.10 2.4.3 特种形式 .12 2.5 密封圈 .12 2.6 压紧装置 .13 3. 板式换热器的性能特点14 3.1 板式换热器的主要优点 .14 3.2 板式换热器的主要缺点 .16 3.3 板式换热器与管壳式换热器的比较 .16 4. BR01 型板式换热器的设计计算 .18 4.1 板式换热器的设计计算概述 .18 4.2 传热过程 .18 4.2.1 对流换热 .18 4.2.2 相变换热 .19 4.2.3 导热20 4.3 热力计算 .20 IV 4.3.1 一般设计要求 .20 4.3.2 设计计算公式和曲线 .23 4.3.3 确定总传热系数的途径 .29 4.4 换热器已知参数 .30 4.4.1 计算综述表 .36 5. 经济与技术分析41 5.1 技术经济分析的原则 .41 5.2 技术经济分析的标准 .41 结论.42 致谢.43 参考文献.44 附录 A.45 附录 B.46 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 1 1.1. 绪绪 论论 1.11.1 板式换热器的板式换热器的概况概况 目前板式换热器已经成为高效、紧凑的热交换设备，且大量地应用于工业 中,其发展已有一百多年的历史1。 1878 年德国人发明了第一个板片式换热器，现在通常都称作板式换热器， 经过了 50 多年的发展，到 20 世纪 30 年代，出现了由薄金属板压制的板片组装 而成的板热器，并将该换热器大量的应用于工业，显示出了优异的性能，从此 就迅速地得到了广泛的推广应用，成为紧凑、高效的换热设备。 早期的板式换热器大都用于食品工业，如牛奶、蛋液、啤酒等的加工过程 中。这是由于早期板片的单板面积较小，单台换热器的面积不大型化，所以只 能用于处理物料流量较小的场合，随着单板面积的增大，单台换热器的面积也 相应增大。现在各制造厂竞相增大单板面积和组成大型的板式换热器。 板式换热器发展趋势是：提高操作温度和操作压力，加大处理量，扩大使 用范围，研制采用新的结构材料的制造工业，而研制新的垫片材料易提高其使 用温度和使用压力，将是其中的重点。 虽然板式换热器有很多优点，而其现在发展很快，但它们在结构与制造上 尚存在问题。相信随着科学技术的飞速发展，板式换热器会不断完善，应用也 日趋广泛。 1.21.2 我国设计制造应用情况我国设计制造应用情况 我国板式换热器于六十年代开始研究制造。1965 年，兰州石油化工机器厂 根据一些资料设计、制造了单板换热器面积为 0.52的水平平直波纹板片的板 2 m 式换热器，这是我国首家生产出的板式换热器，供造纸厂、维尼纶厂等使用。 八十年代初期，该厂又引进了 W.Schmidt 公司的板式换热器制造技术，增加了 板式换热器的品种2。 1967 年，兰州石油机械研究所对板片的六种波纹型式作了对比试验，肯定 了人字形波纹的优点，并于 1971 年制造了我国第一台人字形波纹板片（单板换 宁康康：BR01 型板式换热器的设计 2 热面积为 0.3）的板式换热器，这对于我国板式换热器采用波纹型式的决策 2 m 起了重要的作用。1983 年，兰州石油机械研究所组织了板式换热器技术交流会， 对板片的制造材料、板片波纹型式、单片换热面积、板式换热器的应用等方面 进行了讨论，促进了我国板式换热器的发展。国家石油钻采炼化设备质量监测 中心还对板式换热器的性能进行了大量的测定。 清华大学于八十年代初期，对板热器的换热、流体阻力和优化等方面进行 了理论研究，认为板热器的换热，以板间横向绕流作为换热物理模型，该校还 对板式换热器热工性能评价指标及板式换热器计算机辅助设计进行了研究。近 几十年来，他们还作了大量的国产板片的性能测定。 河北工学院就板式换热器的流体阻力问题研究，认为只有当板片两侧的压 差相等或压差很小时，板片以自身的刚性使板间距保持在设计值上，否则板片 会发生变形，致使板间距发生变化，出现受压通道和扩张通道。其次，他们把 板式换热器的流体阻力分解为板间流道阻力和角孔道阻力（包括进、出口管） 进行整理，得到一种新的流体阻力计算公式。 天津大学对板换器的两相流换热及其流体主力计算做了大量研究，得出考 虑因素比较全面的换热计算公式。近年来，研制了非对称型的板式换热器，进 行了国产板式换热器的性能测定及优化设计等工作。 华南理工、大连理工等高等院校和科研单位，也对板式换热器的换热、流 体阻力理论或工程应用方面作了很多有益的工作。 进入二十一世纪以来，我过的板式换热器研究取得了较大的进步，在借鉴 国外先进经验的同时，也逐渐形成了自己的一套设计开发模式，与世界领先技 术的差距进一步缩小。我国板式换热器的制造厂家有四五十家、年产各种板式 换热器数千台计，但是我国的板式换热器的应用远不及国外，这与人们对板式 换热器的了解程度、使用习惯以及国内产品的水平有关。七十年代，板式换热 器主要应用于食品、轻工、机械等部门；八十年代也是仅仅应用于民用建筑的 集中供热；八十年代中期开始，在化工工艺流程中较苛刻的场合也出现了板式 换热器的身影。由于人们对板式换热器工作原理、热力计算、校验等不熟悉的 原因，使得板式换热器在开发到应用的时间跨度上，花费了较多的时间3。 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 3 1.31.3 国外著名厂家及其产品国外著名厂家及其产品 现在，世界上发达国家制造的板式换热器，产品销往世界各地。最著名的 厂家有英国 APV 公司、瑞典 ALFA-LAVAL 公司、德国 GEA 公司、美国 OMEXEL 公司、日本日阪制作所等。 （1）英国 APV 公司。APV 公司的 Richard Seligman 博士于 1923 年就成功 设计了第一台工业性的板式换热器。其在国外有 20 个联合公司，遍及美、德、 法、日、意、加等国。Seligman 设计的板式换热器板片为塞里格曼沟道板。三 十年代后期，英国人 Goodman 提出的阶梯形断面的平直波纹，性能并不十分优 越。目前 APV 公司生产的板式换热器波纹多属人字形波纹，最大单板换热面积 为 2.2，单台换热器最大流量为 2500。换热器最高使用温度为 2 m hm / 3 260、最大使用压力为 2.0MPa、最大的单台换热面积为 1600。APV 公司C 2 m 换热器产品情况如表 1-14： 表表 1-1 APV 公司生产的主要板式换热器公司生产的主要板式换热器 Tab.1-1 The main heat exchanger of APV company 板式换热器 型 号 最高工作 压 力 ( )MPa 单板换热 面、 积 ( ) 2 m 半片外型尺 寸 长 X 宽 (X )mmmm 单台最多 板 片 数 长管尺寸 （）mm SR103 . 1 0258 . 0 570X21015038 HMB0.6934 . 0 1114X31818751 SR351.550.341152X39241475 R4037 . 1 0.381150X445409102,127,152 R552.0652 . 0 1156X416362102 R5693 . 0 0.521156X416350102 R1060.69078 . 1 1984X712427300 R23583 . 0 2.22739X1107729400 （2）ALFA-LAVAL 公司。ALFA-LAVAL 公司制造的板式换热器，其销 售遍布 99 个国家，从该公司于 1930 年生产的第一台板式巴氏灭菌器开始， 宁康康：BR01 型板式换热器的设计 4 已有 60 多年的历史。1980 年对叶片的边缘做了改造，以增强抗压能力。该公 司的标准产品性能：最高工作压力 2.5MPa；最高工作温度；最大单台流C o 250 量 3600；总传热系数 3500-7500；每台换热面积 0.1-2200；hm / 32 /WmK 2 m 最大接管尺寸 450mm。 （3）GEA AHLBORN 公司。该公司现有 Free-Flow 和 Varitherm 两个系 列产品。前者抗压能力差，后者为人字形波纹片。GEA AHLBORN 的板式换 热器技术特性如表 1-24： 表表 1-2 GEAGEA AHLBORNAHLBORN 公司主要板式换热器技术特性公司主要板式换热器技术特性 Tab.1-2 GEA AHLBORN, the main technical characteristics of plate heat exchanger 板片 型号波纹型 式 外形尺寸 长 X 宽 (mm) 单板换 热面积 )( 2 m 最高工 作压 力( )MPa 最高工 作温 ()C 最大流 量 (hm / 3 ) 157一列弧形 670X250 0.0915 5 159二列弧形1065X330 0.292 15Free-Flow 161三列弧形 0.54 30 4P纵人字形 510X1280.00112 2.5 260 15 10纵人字形 781X213 0.115 1.6 250 35 20纵/横人字形 992X336 0.26 1.6 250 100 40纵/横人字形1392X424 0.46 1.6 250 220 402纵/横人字形 654X424 0.148 1.6 250 220 405纵/横人字形1091X424 0.80 1.6 250 220 80纵/横人字形1754X610 0.81 1.6 250 500 805纵/横人字形1194X610 0.40 1.6 250 500 130纵/横人字形2195X810 1.28 1.6 250 1500 1306纵/横人字形1635X810 0.81 1.6 250 1500 Varitherm 1309纵/横人字形2008X810 1.41 1.6 250 1500 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 5 （4）W.Schmidt 公司。公司早期生产截球形波纹片（sigma-20），因性能 欠佳已不再生产。该公司的 Sigma 板片，除小面积的为水平平直波纹外，都为 人字形波纹，而且同一单板面积和同一外形尺寸、垫片槽尺寸的板片有两种人 字角的人字形波纹，增加了组合形式，以适应各种工况的需要。W.Schmidt 公 司生产的板式换热器，一般工作压力为 1.6MPa，最小的单板换热面积为 0.035 、最大的单板换热面积为 5。 2 m 2 55 . 1 m （5）HISAKA(日阪制作所)公司。在 1954 年，公司研究成功 EX-2 型板片； 现在，该公司有水平平直波纹板和人字形波纹板两种。其板式换热器技术特性 见表 1-35： 表表 1-3 HISAKAHISAKA 公司板式换热器技术特性公司板式换热器技术特性 Tab.1-3 The technical characteristics of HISAKA heat exchanger 型号 单位换 热面 积() 2 m 处理量( )hm / 3 最高工作 压 力( )MPa 最高工作 温 度 )( C o 最大单 台换热 面积 () 2 m EX-10.157230.420015 EX-150.3141401.220060 EX-160.552401.2200150 EX-110.714601.2200150 水平平直 波纹板片 EX-120.88831.0200260 UX-010.087361.52.02005 UX-200.3751401.52.0200100 UX-40 0.76 540 1.51.8200250 UX-60 1.16 900 11.3200500 人字形波 纹板片 UX-80 1.70 1520 11.3200800 宁康康：BR01 型板式换热器的设计 6 2.2. BR01BR01 型板式换热器的基本构造型板式换热器的基本构造 2.12.1 基本构造基本构造 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、活动压紧板、密封垫片、固定压紧板、压紧螺柱和螺母、 上下导杆、前支柱等零部件所组成，板式换热器基本构造如图 2-1 所示1。 图图 2-1 BR01 型板式换热器的基本构造型板式换热器的基本构造 Fig.2-1 The basic structure of BR01 type plate heat exchanger 2.22.2 流程组合流程组合 流程组合是指为了使流体在板束之间按一定的要求流动，所有的板片四角 均按要求冲孔，垫片均按要求粘贴，然后按规律的排列起来，形成的流体的通 道。图 2-2 a、b、c是典型的排列方式。从图可见，垫片不仅起到密封作用， 还起到流体在板间流动的导向作用。板束中板片的数量和排列方式，由设计确 定。流程组合就是板片数量和排列方式的有机组合，并以数学形式表示为2： （2-1） 1122 1122 +M + ii ii MNMNN mnmnmn 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 7 式中：、 指从固定压紧板开始，甲流体侧流道数相等的流程数； 1 M 2 M i M 、 中的流道数； 1 N 2 N i N 1 M 2 M i M 、 、指从固定压紧板开始，乙流体侧流道数相等的流程数； 1 m 2 m i m 、 、 、 中的流道数。 1 n 2 n i n 1 m 2 m i m 图图 2-2 流程组合方式流程组合方式2 2 Fig.2-2 Process combination mode 宁康康：BR01 型板式换热器的设计 8 由于单流程并联式流程的结构简单，所以本设计初选单流程并联式流程组 合方式进行设计计算。 2.32.3 框架型式框架型式 板式换热器的框架多种多样，如图 2-3 所示，其中尤以（a）、（b）、更 为常用。应用于乳品等食品行业中的板式换热器，常有两种以上的介质换热， 所以要设置中间隔板，中间隔板的数量视换热介质的数量而定，另外由于工作 压力不高，又需经常拆卸清洗，所以常采用顶杆式1。 图图 2-32-3 框架主要形式及螺栓压紧式板式换热器结构框架主要形式及螺栓压紧式板式换热器结构 Fig.2-3 The main form of frame and bolt pressing type heat exchanger structure （a a）普通式；（）普通式；（b b）悬挂式；（）悬挂式；（c c）顶杆式；（）顶杆式；（d d）带中间隔板式；（）带中间隔板式；（e e）活动压紧板落地式；）活动压紧板落地式； 1-1-轴（上导梁）；轴（上导梁）；2-2-活动压紧板；活动压紧板；3-3-板片；板片；4-4-垫片；垫片；5-5-挂钩；挂钩；6-6-固定压紧板；固定压紧板；7-7-下导梁下导梁 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 9 2.42.4 板片板片 板片是板式换热器的核心元件。各传热板片按一定的顺序相叠即形成板片 间的流道，冷流体和热流体在板片的两侧各自的流道内流动，通过板片进行热 交换，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。 2.4.1 常用形式常用形式 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；按流体在板之间的流动形式区分，有管状流动、带状流动、网状流动 的波纹板片。 常用板片如 2-4 所示： 图图 2-42-4 两种常用板片示图两种常用板片示图 Fig.2-4 Two kinds of commonly used plate diagrams （a a）人字波纹板；（）人字波纹板；（b b）水平平直波纹板）水平平直波纹板 宁康康：BR01 型板式换热器的设计 10 对于人字形波纹板片，人字角的大小对传热和流体阻力影响甚大。人字 角大的板片传热系数高、流体阻力亦大;反之人字角小的板片传热系数和流 体阻力都低些，图 2-5 是人字角对传热影响的曲线示图。 图图 2-5 人字角人字角对传热的影响对传热的影响 Fig.2-5 Effect of herringbone angle on heat transfer 2.4.22.4.2 混合混合 人字板及性能人字板及性能 利用人字角对传热的影响，很多制造厂将同一规格的板片做成大人字角 和小人字角两种，如图 2-6 所示。国外把大人字角的板片称为 H 板片(硬板 Hard plate)，小人字角的板片称为 L 板片(软板 Soft plate)一台板式换热器可全部 用 H 板片组装或全部用 L 板片组装，也有有将 H 板片和 L 板片相间组装、分 段组装，这样组装的板式换热器性能介于前两者之间，在某种意义上来说，相 当于第三种性能的板片，称之为 M 板片，(混合板片其实是图 2-6 和图 2-7 表 示了组装情况及其相应的性能。在充分利用允许压降的情况下，这种称之为换 热混合设计，其换热面积是可以减少 2530 %。 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 11 图图 2-6 大人字角板片（大人字角板片（H 板）和小人字角板片（板）和小人字角板片（L 板）板） 以及三种组合的以及三种组合的 H、M、L 流道示图流道示图 Fig.2-6 Adult word corner plate (H plate) and small word angle plate (L plate) As well as three kinds of H, M, L flow chart of the channel 图图 2-7 H、M、L 流道性能示图流道性能示图1 1 Fig.2-7 H, M, L flow channel performance chart 宁康康：BR01 型板式换热器的设计 12 为了提高板式换热器工作压力和工作温度，全焊式和半焊式板式换热器得 到了发展，前者钎焊而成，是不可拆卸的一类板式换热器，虽然提高了工作压 力和工作温度，但丧失了板式换热器的一些优点；后者则每两张板片焊接在一 起成为焊接单元，然后组装起来，焊接单元之间用垫片密封，这样焊接单元中 的流道可承受较高的温度和压力，但不能拆卸，焊接单元之间的流道，能承受 的压力、温度仍和一般的板式换热一样。 2.4.3 特种形式特种形式 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6。 (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)石墨材料板片 (7)宽窄通道的板片 2.52.5 密封密封圈圈 密封圈起着板与板之间流体流道密封的作用，是板式换热器的重要部件。 其中，板式换热器的最高使用温度，取决于密封圈的耐热性能；板式换热器的 最大使用压力也相当程度上受密封圈的材质和断面形状（目前，密封圈使用的 断面形状右半圆形、矩形及五面体等）制约。从板式换热器结构分析，密封周 边的长度()将是换热面积()的 68 倍，超过了任何其它类型的换热器。密m 2 m 封圈是板式换热器的重要构件，对它的基本要求是耐热、耐压、耐介质腐蚀。 密封圈嵌入板片上密封槽及角孔的四周。板式换热器是通过压板压紧垫片， 达到密封。为确保可靠的密封，必须在操作条件下密封面上保持足够的压紧力。 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 13 板式换热器是根据热交换介质的种类和使用温度来选择密封圈的材质。常 用密封圈的材质及允许使用的最高温度列于表 2-1 中。 表表 2-1 密封圈的材质及允许的最高温度密封圈的材质及允许的最高温度 Tab.2-1 Seal material and maximum allowable temperature 2.6 压紧装置压紧装置 常用的压紧装置有夹板推杆式，螺母压紧式和顶杆螺旋压紧式。压紧装置 的夹板（即盖板）由普通碳钢制成，螺栓由高强度碳钢制成。它们用于将密封 圈压紧，产生足够的密封力，使得换热器在工作时不发生泄漏，通过旋紧螺栓 来穿绳压紧力7。 一般的板式换热器可承受 0.7的压力差，此设计的 BR01 型板式换热器 a MP 的压力差仅为 0.1。 a MP 丁晴橡胶三元乙丙橡胶氟丁橡胶硅橡胶石棉纤维板 垫片材料及代号 NEFQA 最高温度15017085160250 宁康康：BR01 型板式换热器的设计 14 3.3. 板式换热器的性能特点板式换热器的性能特点 由于板式换热器是由若干传热板片叠装而成的，半片很薄又具有波纹形表 面，所以带来了一系列优缺点。虽然人们进行多方研究，以求提高工作压力和 工作温度，但没有获得突破；而只是在产品大型化、使用工况多样化方面取得 了一定进展，这就是现已可以制造的大型板式换热器和采用各种耐腐蚀材料制 造的板式换热器。表 3-1 列出了当前国内外板式换热器的一些技术参数8。 表表 3-1 板式换热器的技术参数板式换热器的技术参数 Tab.3-1 The technical parameters of plate heat exchanger 3.13.1 板式换热器的主要优点板式换热器的主要优点 （1）总传热系数高 板式换热器的板间流道，是一个截面多变、曲折的流道（见图 3-1），它 能很有效的使流体产生湍流，因此降低了也液膜的热阻；板片又是用及薄的薄 板制造，降低了壁面的热阻10。 项目国外国内 最大单板面积， 2 m4.752 最大单台面积， 2 m22001000 最高工作压力，MPa2.52.5 最高工作温度C 橡胶垫片200200 石棉垫片250250 单台流量3600 总体热系数35007500 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 15 图图 3-1 人字形板片流道截面的变化示图人字形板片流道截面的变化示图 Fig.3-1 The change chart of the section of the runner of the chevron plate （2）末端温差小 末端温差指的是一流体的入口温度与另一流体的出口温度之差。因为板式 换热器流道是互相平行的，流体在流道内的运动不会出现有任何影响末端温差 的现象。以水-水换热来说，板式换热器末端温差仅低至。C O 21 （3）对数平均温差大 冷、热流体在板间是平行的流动，且一般可以设计成逆流的形式，所以温 差修正系数高于壳管式换热器以错流为主的流动方式温差的修正系数，导致对 数平均温差大于壳管式的。 （4）占地面积小 板式换热器总传热系数高，减小了换热面积，同时板式换热器本身紧凑， 所以同一工况下的占地面积约为壳管式换热器的五分之一。 （5）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。 （6）不易结垢 宁康康：BR01 型板式换热器的设计 16 由于内部充分湍动，所以不易结垢，其结垢系数仅为管壳式换热器的 1/31/10。 （7）使用方便 只要拆下压紧螺栓，就可以取出板片或移开板束，所以其清理、维修、增 减板片，更改流程组合都十分简便。 3.23.2 板式换热器的主要缺点板式换热器的主要缺点 （1）工作压力 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。 板式换热器的每张板片上都有一个有弹性的 密封垫圈，密封周边很长，密封系统刚性差，结构特殊，离压紧螺栓较远，没 有足够的压紧力，所以承受不了较高的工作压力10。 （2）工作温度 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；用压缩石棉绒垫片时，最高工作温度为C 250260。C （3）含固体介质 板式换热器的板间流道平均间隙为 35mm，当换热介质中含有较大的固 体颗粒或纤维物质，就容易堵塞板间流道。对这种换热场合，应考虑在入口安 装过滤装置，或者选择特殊的大间隙板式换热器。 3.33.3 板式换热器与管壳式换热器的比较板式换热器与管壳式换热器的比较 各种换热器都有其优缺点，迄今为止，管壳式换热器仍是用途最广的换热 器，但在某些场合，采用板式换热器更为优越；各类板式换热器也各有其优缺 点，表 3-2 为板式换热器和管壳式换热器各种性能的比较12。 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 17 表表 3-2 板式换热器和管壳式换热器的比较板式换热器和管壳式换热器的比较 Tab.3-2 Comparison of plate heat exchanger and tube heat exchanger 项目板式换热器 管壳式换热器 温度交叉能不能 末端温差约15 多种介质操作能不能 管线连接可集中在一个方位要几个方位设在 总传热系数比531 设备重量比1103 滞液体积小大 占地面积152 变更程数可以改变流程组合不能 最高工作压力，MPa5 . 2决定于设计 对含颗粒较差固体较差可以 宁康康：BR01 型板式换热器的设计 18 4.4. BR01BR01 型板式换热器的设计计算型板式换热器的设计计算 4.14.1 板式换热器的设计计算概述板式换热器的设计计算概述 板式换热器设计计算的目的是：在给定的工况下，求取换热器的换热面积 和其流程组合，或是已知换热器，校核该换热器能否满足给定的使用工况。这 两者仅仅是计算的步骤不同，但涉及的计算公式是相同的。 BR01 型板式换热器的设计计算是在已知换热器的情况下，校核是否满足给 定的使用工况。 4.24.2 传热过程传热过程 板式换热器中冷流体与热流体之间的换热一般都是通过流体之间的对流换 热（或相变换热）、垢层及板片的导热来完成的，且参与换热的流体通常都是 液体非气体，故不存在辐射换热2。 4.2.1 对流换热对流换热 对流和导热都是传热的基本方式。对于工程上的传热过程，流体总是和固 体壁面直接相接触的。因此，热量的传递一方面是依靠流体质点的不断运动的 混合，即所谓的对流作用；另一方面依靠由于流体和壁面以及流体各处存在温 差面造成的导热作用。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很多，流体的物性（比热容、导热系数、密度、粘度 等），换热器表面形状、大小，流体的流动状态，都会影响对流换热，而且情 况很复杂。在传热计算上为了方便，建立了以下的对流换热量的计算公式（牛 顿冷却公式）： (4-1)() wf Qh ttA 式中： Q-换热量，；hkJ / -对流换热系数，W /(m) ；hC -分别为壁面温度与流体温度,。 wf tt 、C A-换热面积，。 2 m 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 19 由公式可见，影响对流换热的因素都被归结到对流换热系数中，对流换热 系数数值上的大小反映了对流换热的强弱。 4.2.2 相变换热相变换热 在对流换热中发生着蒸汽的凝结或液体的沸腾（或蒸发）的换热过程，都 称为相变换热。由于在这类换热过程中，同时发生着物态的变化，情况要比单 相流体中的对流换热复杂得多，所以，相变换热问题成为一个独立的研究领域， 而一般的对流换热问题也就仅指单相流体而言。 （1）凝结换热 蒸汽和低于相应压力下饱和温度的壁面接触，会发生凝结。蒸汽释放出汽 化潜热而凝结成液体，这种放热现象称为凝结换热。 按照蒸汽在壁面上的凝结形式不同，可分为两种凝结。一种为膜状凝结， 即凝结液能很好地润湿壁面，凝结液在壁面上铺展成膜，如水蒸汽在有油的壁 面上凝结情况。凝结放出的潜热必须穿过凝结膜才能供给较低温度的壁面，所 以这层液膜成为一项主要的热阻。而珠状凝结是凝结液体不能很好的润湿壁面， 在壁面上形成一个个小液珠，换热是在蒸汽与液珠表面和蒸汽与裸露的冷壁间 进行的，所以膜状凝结传热系数要比珠状凝结传热系数低，如：水蒸汽在大气 压下，膜状凝结传热系数约为W/()。 4 6000 10 2 m C （2）沸腾换热 液体在受热情况下产生的沸腾或蒸发吸热过程，称为沸腾换热，这是一种 流体由液相转变为气相的换热过程。 液体在受热表面上的沸腾可分为大空间沸腾（池沸腾）和有限空间沸腾 （强迫对流沸腾）。不论哪种沸腾，又都有过冷沸腾和饱和沸腾之分。过冷沸 腾是在液体主流温度低于相应压力下的饱和温度而加热壁面温度已超过饱和温 度的条件下所发生的沸腾现象。饱和沸腾则是液体的主流温度超过了饱和温度， 从加热壁面产生的气泡不再被液体重新凝结的沸腾。 宁康康：BR01 型板式换热器的设计 20 4.2.3 导热导热 在板式换热器中，板片与垢层的传热均属于导热。由于板片与垢层的厚度 和板面尺寸相比很小，所以导热过程可认为是沿厚度方向的一维导热，计算公 式为： （4-2） QA t 式中： Q-换热量，；hkJ / -导热系数，W /(m) ；C -导热温差，；tC A-换热面积，m2。 4.34.3 热力计算热力计算 BR01 型板式换热器热力计算的目的是校核该换热器是否满足给定的设计工 况。 4.3.1 一般设计要求一般设计要求 （1）板间流速 流体在板间流动，其流速是不均匀的，在主流线上的流速，约为平均流速 的 45 倍，在一个流程内的每个流道的流速也不均匀（见图 4-1）。为使流体 在板间流动时，处于充分的湍流状态，宜取板间的平均流速 0.30.8。在sm/ 阻力降容许的情况下取大值，以提高对流传热膜系数，从而减小换热面积，节 省设备投资。 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 21 图图 4-1 并联并联 U U 型和型和 Z Z 型流程板间流道的流体流速变化图型流程板间流道的流体流速变化图1 1 Fig.4-1 Flow velocity variation diagram of the flow between the parallel U and the Z flow channel （2）流程组合 一般来说，程数宜少，冷、热介质等程，逆向流动布置，这样的流程组合， 温差修正系数较大。（见图 4-1）并联 U 型的流程组合也常常被采用，因为这 种流程组合，可把冷、热流体的进、出口接管，都集中到固定压紧板上，拆卸 清洗时，可不拆卸外部接管。对用于冷凝和蒸发的工况，只能采用单程，且被 冷凝的流体应从上而下，便于排出冷凝液；对于蒸发的工况，则相反，蒸发的 介质采用单程，由下而上，使蒸汽从上端排出。 （3）板片选择 恰当的单板面积，可以获得较好的流程组合，使得程数少，流体阻力小。 角孔尺寸和单板面积也有一定内在联系，为了使流体通过角孔流道不致损失过 多压力，一般取流体在角孔中的流速为 46，表 4-1 列出了单板面积和处sm/ 理量的关系，表中流体通过角孔以 6计算的。sm/ 宁康康：BR01 型板式换热器的设计 22 表表 4-1 单板面积与处理量的关系单板面积与处理量的关系 Tab.4-1 Relationship between area of single plate and processing quantity （4）材料选择 板片的原材料厚度为 0.60.8，压制成波纹板后允许有 25%的减薄量.mm 于是最薄处的厚度为 0.450.6，对板片采用表面防腐措施是难以奏效的，mm 因此一定要选用耐腐蚀的材料进行制造。 垫片材料既要耐温又要耐腐蚀。各种垫片材料容许的适用温度。 波纹板的型式，应按工艺条件进行选择，人字形波纹板片是广为采用的板 片，人字角大的板片(称为 H 板片)，适用于允许阻力损失较大，而要求传热效 率高的场合;人字角小的板片(称为 L 板片)，适用于对阻力损失限制极严的场合。 水平平直波纹板片则适用于对传热效率、阻力损失都适中的场合。对于两种换 热流体，其流量差别甚大，则应考虑选用非对称流道(或称宽窄间隙流道)的板 片来组装板式换热器。对于两换热流体的对数温度很大，流量差亦很大的换热 工况，选用长宽比较小的波纹板较为理想9。 （5）流体的选取 单相换热时，逆流具有最大的平均传热温差。在一般换热器的工程设计中 都尽量把流体布置为逆流。对板式换热器来说，要做到这一点，两侧必须为等 程。若安排为不等程，则顺逆流需交替出现，此时的平均传热温差将明显小于 纯逆流时。在相变换热时顺流布置与逆流布置平均温差的区别比单相换热时小， 但由于这时牙尖大小与流向有密切关系，所以相对流向的选择将主要考虑压降 单板面积， 2 m 0.10.20.30.50.8 角孔直径， mm 6040659010080125170200175 单台最大理 量， 3 /mh 274271137170108265380520680 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 23 因素，其次才是平均温差。其中要特别注意的是，有相变的流体除不宜采用多 程外，还要求要从板片的上部进，下部出，以便排除冷凝液体。 （6）并联流道数的选取 一程中并联流道数的数目视给定流量及选取的流速而定，流速的高低受制 于允许压降，在可能的最大流速以内，并联流道数目取决于流量的大小。 （7）单板面积的选择 单板面积过小，则板式换热器的板片数多，也使得占地面积增大，程数增 多，导致阻力降增大；反之，虽然占地面积和阻力降减小了，却难以保证板间 通道必要的流速。单板面积可按流体流过角孔的速度为 6m/s 左右考虑。 4.3.2 设计计算的公式和曲线设计计算的公式和曲线1 （1）传热基本方程式 （4-3） m QKA t 式中：Q-传热量，；/kJ h A-换热面积，； 2 m K 总-传热系数，； 2 /()WmK -传热平均温差，系对数平均温差乘以板片组合校正系数，。 m tC （2）换热量计算式 （4-4） () mp Qq Ctt 式中：-流体质量流量，； m q/kg h -流体比热容，； p C)/(KkgkJ 、-分别表示某流体进出口温度，。 t tC （3）加热水流通段面积计算式 宁康康：BR01 型板式换热器的设计 24 （4-5） 3600 d G f vM 式中：-流通段面积，； d f 2 m G-传热量，；/kJ h 板-内取定流速,； vsm/ -水的密度，； 3 /kg m -流程数。M （4）流道数的计算 （4-6） = d d f n f 式中： n-流道数； -流通段面积，； d f 2 m -单通道流通截面积，。 d f 2 m （5）流道内实际流速的计算 （4-7）v = 3600 d G nfM 式中：v-流道内实际流速，；sm/ G-传热量，。/kJ h （6）换热面积计算式 （4-8） 1122 (1) d FFMnMn （7）雷诺数计算式 （4-9） v Re = e d 式中： -当量直径，； e dm -运动粘度，。 2 /ms 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 25 （8）对流传热准则数关系式 （4-10） (0.3) Re Pr n NuC 或0. 4 式中： C-系数，由实验求得； N-指数，由实验求得； -雷诺准则数，无因次；Re -普朗特准数，无因次。Pr 这一关联式有很多，各个厂家生产的板片不同，所得到的关联式也不尽相 同。 参考公式如下： （4-11） 0.70.33 0.35RePrNu 典型的数据为： 系数为 0.150.40； 指数为 0.650.85；Re 指数为 0.300.45(通常为 0.33)。Pr （9）换热面积计算式 （4-12） 00 (2) e AN ANA 式中：-换热器换热面积，；A 2 m -单板换热面积，； 0 A 2 m -有效传热板片数； e N -总的板片数。N (10)对流传热系数计算式 （4-13） e = Nu d 式中：-对流换热系数，；)/( 2 KmW (11)总传热系数计算式 宁康康：BR01 型板式换热器的设计 26 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，污垢层热阻，板片热阻，板片冷 1 1 1 R p 侧流体传热热阻，污垢层热阻。它们之和即为总热阻，总热阻的倒数也就是 2 R 总传热系数，其计算式为： K= (4-14) 1 12 12 11 () p RR 式中: 和-分别为板片两侧的传热膜系数，； 1 2 )/( 2 KmW 和-板片两侧污垢系数，； 1 R 2 R)/( 2 KmW -板片厚度，m； -板片导热系数，W /(m K) 。 p （12）传热温差计算式 m t （4-15） mlm tt （4-16） maxmin max min ln lm tt t t t 式中：-逆流换热时冷热两流体端部温差的最大值和最小值， maxmin tt和 ；C -对数平均温差，； lm tC 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 27 -随不同的流程组合，导致冷热流体流动方向差修正系数，可从 图查取。 图图 4-24-2 并联流程（框式）组合对数平均温差修正系数并联流程（框式）组合对数平均温差修正系数 Fig.4-2 The combined logarithmic mean temperature difference correction factor for the parallel flow process (frame type) 图图 4-3 串联流程组合对数平均温差修正系数串联流程组合对数平均温差修正系数 Fig.4-3 The coefficient of logarithmic mean temperature difference for series process combination 宁康康：BR01 型板式换热器的设计 28 图图 4-44-4 多程流程组合的对数平均温差修正系数多程流程组合的对数平均温差修正系数 Fig.4-4 The logarithmic mean temperature difference correction factor for multiple