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BR 型板片式 换热器 设计

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青 岛 科 技 大 学本 科 毕 业 设 计 （论 文）BR板片式换热器题 目 _张道光指导教师_陈建国辅导教师_陈庆伟学生姓名_1005020419学生学号_10-4过程装备与控制机电工程学院_院（部）_专业_班2014616_年 _月 _日中文摘要BR板片式换热器摘 要板片式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。各种板片之间形成薄矩形通道，通过板片进行热量交换。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、使用寿命长等特点。 板片式换热器已广泛应用于冶金、矿山、石油、化工、电力、医药、食品、化纤、造纸、轻纺、船舶、供热等部门，可用于加热、冷却、蒸发、冷凝、杀菌消毒、余热回收等各种情况。本设计对板片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，流程组合方式等结构参数。确定了板片数为103片，混联式流程组合的板式换热器，用AutoCAD绘制零件图及总图。关键词：板片式换热器；结构设计；热力计算；阻力计算；IABSTRACTBR PLATE HEAT EXCHANGER ABSTRACTPlate heat exchanger is a new high efficiency heat exchanger consists of a series of corrugated sheet metal with a certain shape made of stacked. Forming a thin rectangular plate between the various channels through the heat exchange plates. It has a high heat transfer efficiency, low heat loss, compact and lightweight, small footprint, easy installation and cleaning, and long service life. Plate heat exchangers are widely used in metallurgy, mining, petroleum, chemical, power, pharmaceutical, food, chemical, paper, textile, shipbuilding, heating and other departments, can be used for heating, cooling, evaporation, condensation, sterilization, heat recycling and other various situations. This article is a conventional plate heat exchanger design plate heat exchanger made of thermodynamic calculations and resistance calculation, checking in to meet the conditions, the design of the basic structure of the plate heat exchanger, such as the framework in the form of structural parameters, process composition methods. To determine the number of plates 113 parallel process composition of plate heat exchanger, and the total figure drawing parts drawing with Auto CAD.KEY WORDS: plate heat exchanger; structural design; thermal calculation; resistance calculation; check;I目 录1 绪论11.1 板片式换热器的学术背景及意义11.2 我国设计制造应用情况21.3 国外著名厂家及其产品31.4 板片式换热器的国内研究进展51.5 产品质量及产生的问题62 板片式换热器的基本构造82.1 板片式换热器的基本构造82.2 流程组合82.3 框架型式92.4 板片102.4.1 常用形式102.4.2 特种形式112.5 密封垫片113 板片式换热器的性能特点133.1 板片式换热器的主要优点133.2 板片式换热器的主要缺点143.3 板片式换热器与管壳式换热器的比较154 板片式换热器热力及相关计算164.1 板片式换热器的设计计算概述164.2 传热过程164.2.1 对流换热164.2.2 相变换热174.2.3 导热184.3 热力计算184.4 一般设计要求184.5 设计计算公式和曲线194.6 设计工艺条件234.7 热力计算234.8 压降计算265 结构设计及强度校核295.1 相关公式295.1.1 导杆相关计算公式295.1.2 夹紧螺柱相关计算公式315.2 板片的结构设计335.3 垫片的结构设计345.4 导杆的尺寸设计与校核355.5 夹紧螺柱的尺寸设计与校核405.6 接管法兰的选用415.7 压紧板的结构设计426 板片式换热器的安装、使用与维护44结论45参考文献46致谢471 绪论1.1 板片式换热器的学术背景及意义目前板片式换热器已成为高效、紧凑的热交换设备，大量地应用于工业中,它的发展已有一百多年的历史。1878年德国人发明了板片式换热器，现在通常都称作板式换热器，它经过了50余年的发展，至20世纪30年代，由薄金属板压制的板片组装而成的板式换热器问世，并将该换热器应用于工业中，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、高效的换热设备之一。板片式换热器是以波纹板为传热元件的新型高效换热器。国外早在20世纪20年代就作为工艺设备引入食品工业，4050年代初开始用于化工领域。近十年来，板片式换热器发展很迅速，现已广泛用于食品、制药、合成纤维、石油化工、动力机械、船舶、动力、供热等各行业。目前我国的板式换热器工厂，可制造单板传热面积从0.042m2至1.32m2，波纹形式为水平平直波纹、人字形波纹、球形波纹、锯齿形波纹、竖直形波纹的板式换热器。由于板片式换热器在制造上和使用上都有一些独特之处，所以在工业上一经使用成功之后就发展很快。到本世纪四十年代，已经有几个国家好几个厂生产出许多种不同形状和不同尺寸的板片。至于现在，世界上能生产板式换热器的工厂已经很多了，主要的生产厂不下三、四十个。几个主要生产厂一般都有该厂独特的板片波形。一般一个厂只生产有限几种尺寸的板片。然后组装成换热面积大小不同的换热器。因为从设计到制造成功一定波形的板片需要有较大的投资和较长的时间，所以一般生产工厂不轻易改变板片的波形。早期的板片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。这是由于早期扳片的单板面积较小，不能组成单台面积较大的换热器，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，能组成的单台板式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。板片式换热器今后的发展趋势是：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。虽然板片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。随着科学技术的飞速发展，板式换热器正不断完善，应用也日趋广泛。21世纪我国的能源形势是紧张的，我国和世界的能源消耗随着人口的增长和工业化的进展将会快速增长；现在我们利用的主要一次能源（煤炭、石油、天然气和核能）之中，除煤炭之外，其余三项已逐渐枯竭，其价格不可避免将持续增长；目前尚没有发现能替代石油、天然气、核能的一次能源，作为有效替补的能源有太阳能和热核反应，但前者成本费高，后者尚有许多实质的问题没有解决，尚不能达到实用阶段；为了控制地球温室效应，化石燃料的使用受到了各国舆论的强烈反对。综上所述，在21世纪的上半个世纪之间，作为解决我国能源和环境问题的重要措施之一是如何有效地利用好一次能源，其中主要研究的内容是从一次能源转移至二次能源、三次能源的高效率化；各阶段利用技术的先进性和效率的提高；需求的平衡和能源的供给、消耗系统的改善等。上述所说内容的实质是热技术，当分析各项技术时，我们将发现，换热技术是关键工艺之一。近几十年来，板式换热器的技术发展，可以归纳为以下几个方面。（1）研究高效的波纹板片。初期的板片是铣制的沟道板，至三四十年代，才用薄金属板压制成波纹板，相继出现水平平直波纹、阶梯形波纹、人字形波纹等形式繁多的波纹片。同一种形式的波纹，又对其波纹的断面尺寸波纹的高度、节距、圆角等进行大量的研究，同时也发展了一些特殊用途的板片；（2）研究适用于腐蚀介质的板片、垫片材料及涂（镀）层；（3）研究提高使用压力和使用温度；（4）发展大型板式换热器；（5）研究板式换热器的传热和流体阻力；（6）研究板式换热器提高换热综合效率的可能途径。1.2 我国设计制造应用情况我国板片式换热器的研究、设计、制造，开始于六十年代。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0.522m的水平平直波纹板片的板片式换热器，这是我国首家生产的板片式换热器，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6的板片式换热器制造技术，增加了板片式换热器的品种。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（单板换热面积为0.32m）的板片式换热器，这对于我国板片式换热器采用波纹型式的决策起了重要的作用。1983年，兰州石油机械研究所组织了板片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、板片式换热器的应用等方面进行了讨论，促进了我国板片式换热器的发展。国家石油钻采炼化设备质量监测中心还对板片式换热器的性能进行了大量的测定。河北工学院就板片式换热器的流体阻力问题进行了研究，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，他们把板片式换热器的流体阻力分解为板间流道阻力和角孔流道阻力（包括进、出口管）进行整理，得到一种新的流体阻力计算公式。天津大学对板片式换热器的两相流换热及其流体主力计算进行了大量的研究，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片式换热器，进行了国产板式换热器的性能测定及优化设计等工作。华南理工大学、大连理工大学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长足的进步，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；八十年代也仅仅是应用到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。1.3 国外著名厂家及其产品现在，世界上各工业发达国家都制造板式换热器，其产品销往世界各地。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RichardSeligman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2.2m2，单台换热器最大流量为2500m3/h。换热器最高使用温度为260、最大使用压力为2.0MPa、最大的单台换热面积为1600m2。APV公司换热器产品情况3如表1-1：表1-1APV公司主要的板片式换热器Tab.1-1 The company APV plate heat exchanger板式换热器型号最高工作压力（MPa）单板传热面积（m2）板片外形尺寸长X宽 （mmXmm）单台最多板片数长管尺寸（mm）SR11.030.0258570X21015038HMB0.690.341114X31818751SR351.550.341152X39241475R401.370.381150X44540910275，127，152R552.060.521156X416362102R560.930.521156X416350102R1060.691.0781984X712427300R2350.832.22739X1107729400（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，已有60多年的历史。公司在1960年就采用了人字形波纹板片；1970年发展了钉焊板式换热器；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12：最高工作压力2.5MPa；最高工作温度250；最大单台流量3600m3/h；总传热系数3500-7500W/（m2K）；每台换热面积0.1-2200m2；最大接管尺寸450mm。（3）GEAAHLBORN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。Free-Flow为弧形波纹板片，其结构特殊，板片的断面是弧状，而且分割成几个独立的流道，相邻两板波纹之间无支点，靠分割流道的垫片作支撑，以抗压力差。显而易见，这种板片的承压能力较低。Varitherm为人字形波纹板片，一般情况下，同一外形尺寸和垫片中心线位置的板片，有纵向人字形和横向人字形两种形式。GEAAHLBORN的板式换热器技术特性如表1-212：表1-2GEAAHLBORN公司主要板片式换热器技术特性Tab.1-2 GEA AHLBORN companys main technical characteristics of plate heat exchanger型号板片最高工作压力（MPa）最高工作温度（）最大流量（m3/h）波纹形式外形尺寸长X宽 （mm）单板换热面积（m2）free-Flow157一列弧形670X2500.0915-5159二列弧形1065X3300.292-15161三列弧形-0.54-30Varitherm4P纵人字形510X1280.001122.52601510纵人字形781X2130.1151.62503520纵/横人字形992X3360.261.625010040纵/横人字形1392X4240.461.6250220402纵/横人字形654X4240.1481.6250220405纵/横人字形1091X4240.801.6250220（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0.035m2、最大的单板换热面积为1.55m2。（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1-312：表1-3HISAKA公司板片式换热器技术特性Tab.1-3 HISAKA company technical characteristics of plate heat exchanger型号单位换热面积（m2）处理量（m3/h）最高工作压力（MPa）最高工作温度（）最大单台换热面积（m2）水平平直波纹板片EX-10.157230.420015EX-150.3141401.220060EX-160.552401.2200150EX-110.714601.2200150EX-120.88831.0200260人字形波纹板片UX-010.087361.5-2.02005UX-200.3751401.5-2.0200100UX-400.765401.5-1.8200250UX-601.169001-3200500UX-801.7015201-32008001.4 板片式换热器的国内研究进展我国板式换热器的研究，设计，制造始于20世纪60年代。1965年，兰州石油化工机械厂设计、制造了单板换热面积为0.52m2的水平平直波纹板片的板式换热器，这也是我国生产的第一台板式换热器，供造纸厂、维尼纶厂使用。80年代初期，该厂又引进W.Schmidt公司的板式换热器制造技术，增加了产品的品种。1967年，兰州石油机械研究所不同波纹板片做了对比实验，肯定了人字形波纹的优点，并在1971年制造了我国第一台人字形波纹板片的板式换热器，单片换热面积为0.3m2，这对我国板式换热器采用波纹形式的决策起了重要作用。国内许多学者对板式换热器也进行了一系列的研究。如赵镇南对板式换热器速度场进行了研究，他发现了板式换热器速度场的流动情况与W.Fouke所研究的相一致。在他的文献中，赵镇南还结合实验数据阐明了板式换热器人字形波纹板间的流动方式以及波纹倾角对换热器性能的重要影响，并得到以下结论：（1）人字波纹的倾斜角是影响板式换热器性能最重要的一个几何参数，它通过改变流动状态来影响板片通道的传热和阻力特性；（2）在相同雷诺数和波纹参数下，大倾角板片的传热和阻力降均高于小倾角板片，但在相同的通道阻力降下则无论大、小倾角，传热速率都基本相等；（3）对板式换热器的具体工程应用要力争达到换热、流量和阻力降三者之间的良好匹配。许淑惠、周明连等对板式换热器进行压力分布和阻力特性进行了研究，他们通过两种形式板片的实验给出不同雷诺数下两种板型：不同雷诺数下的压差分布及各种通道中的流阻与比数的关系式，同时运用流型显示的方法揭示影响板式换热器入口流体分布和压力损失的原因。此外，周明连通过比较两种板式换热器发现：具有相同波纹槽道的板式换热器在流阻和传热方面有较大差距，通过流型观测发现板式热交换器的流量分布不均，偏流的存在降低了板式热交换器的性能，增大了流阻；同时在测试压力降的基础上提出单元流路分析的原理和方法，该方法能定量计算板武热交挟器内的流量分布。天津大学赵镇南根据联箱和分流联葙流量分布解，对流量非均匀分布导致板式换热器单相液一寝换热和冷凝换热时的传热性能变化作了模拟计算和深入分析，指出单相换热时，若冷、热流体进出口位于同一测，各分支通道的传热量严重不均匀，但整机总传热量变化不大；当进出口分别位于换热器两侧时，传热分布的非均匀性会明显改善，但总传热量会比流量均匀分布时明显降低；作为冷凝器使用时，流量的非均匀分布同样导致其传热性能的变化，这时热负荷的分布状况将王要受允许压降分配规律的制约。此外，国内一些学者采用染色示踪往对人字形波纹槽道和斜波纹槽道进行了流型观察，得到一些有益结论。对传热单元的传热实验EMSparrow采用的是恒壁温加热法，但国内的实验技术较难实现，一般呆用大电流恒热流法。在湍流换热状态下，两者区别不大，后者更接近实际。采用局部组合通道内的可视化及传热机理研究方法来推算整个板片的传热及流阻特性对开发板片有一定的指导意义。1.5 产品质量及产生的问题板片式换热器的零部件品种少，标准化、通用化程度高，所以制造工艺很容易实现规范化。国外大型的板片式换热器制造厂都有自己的质量标准，但均不公开对外。目前尚无板式换热器制造的国际标准或通用的先进标准。这就给产品的质量控制带来了问题。我国根据自己的生产、使用实践，并分析了国外产品的质量，制定了专业标准，即：ZBJ74001-87可拆卸板式换热器技术条件、JB/TQ540-87可拆卸板式换热器性能测试方法、JB/TQ538-87可拆卸板式换热器质量分等。适用于轻工、医药、食品、石油、化工、机械、冶金、矿山、电力及船舶等部门。综上所述，对板片式换热器的主要制造技术要求是：（1）制造材料我国板片式换热器主要零部件的制造材料参见表1-6（2）板片质量表面不允许超过厚度公差的凹坑、划伤、压痕等缺陷，冲切毛刺必须清除干净。食品工业用的板片，冲压后其工作表面的粗糙度应不低于原板材。波纹深度偏差应不大于0.20mm，垫片槽深度偏差也不应大于0.20mm。成型减薄量应不大于原实际板厚的30%。任意方向的基面平行度不大于3/1000mm。（3）垫片质量表面不允许有面积大于3mm2、深度大于1.5mm的气泡、凹坑及其它影响密封性能的缺陷。垫片横截面应色泽均一，不应有机械杂质、气泡等缺陷。（4）换热性能板片的性能，在水水换热、逆流运行、热侧定性温差为40、两侧流速为0.5m/s条件下的总传热系数，对水平平直波板片，应大于2210W/（m2K）；对于人字形波纹板片，应大于2908W/（m2K）。（5）液压试验以水为实验液体，两侧应分别进行单侧压力试验，试验压力为1.25倍设计压力。试压后应排除积水，吹干或晾干，然后再夹紧。2 板片式换热器的基本构造2.1板片式换热器的基本构造板片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、夹紧螺柱和螺母、上下导杆、前支柱等零部件所组成，板片式换热器基本构造如图2-1所示。图2-1板式换热器的基本构造Fig.2-1 The basic structure of the plate heat exchanger2.2 流程组合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2-2a、b、c是典型的排列方式）板束中板片的数量和排列方式，由设计确定。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。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： （2-1）式中：M1、M2Mi指从固定压紧板开始，甲流体侧流道数相等的流程数； N1、N2NiM1、M2Mi中的流道数； M1、m2、mi指从固定压紧板开始，乙流体侧流道数相等的流程数； n1、n2、nim1、m2、mi中的流道数。图2-2 流程组合形式 Fig. 2-2 Process combination本设计选用多流程，混联式流程组合进行设计计算。2.3 框架型式板片式换热器的框架多种多样，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（a）普通式；（b）悬挂式；（c）顶杆式；（d）带中间隔板式；（e）活动压紧板落地式；由于压力不高，仅有两种介质进行换热，本设计采用普通式无中间隔板的框架形式。图2-3 板式换热器框架结构Fig.2-3 Frame plate heat exchanger2.4板片板片是传热元件，一般由0.60.8mm的金属板压制成波纹状，波纹板片上贴有密封垫圈。板片按设计的数量和顺序安放在固定压紧板和活动压紧板之间，然后用压紧螺柱和螺母压紧，上、下导杆起着定位和导向作用。固定压紧板、活动压紧板、导杆、螺柱、螺母、前支杆可统称为板片式换热器的框架；众多的板片、垫片可称为板束。分析以上的结构和零部件的组成，可见其零部件品种少，且通用性极强，这十分有利于成批生产及使用维修。板片是板片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。2.4.1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。常用板片如2-4所示：板片有不同的结构形状,但其共同点都具有以下几点：a.强化传热的凹凸形波纹；b.用以安装密封垫片的密封槽；c.介质进、出口；d.板片悬挂装置；e.保证密封垫片压紧对中的定位缺口；f.板片组装后保持流道一定间隙、并使流层“网状”化的触点，可使板片在两侧介质有压差情况下减少板片的变形；g.使介质能均匀沿板片流道宽度分布的导流槽。波纹板截面有呈三角形和梯形。实验表明，三角形截面波纹板比梯形截面波纹板的给热系数高。图2-4两种常用板片示图（a）人字波纹板；（b）水平平直波纹板Fig.2-4 Shows two common chart sheet （a）The word corrugated board； （b） The level of the flat corrugated board2.4.2特种形式为了适应各种工程的需要，在传统板片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）石墨材料板片（7）宽窄通道的板片2.5密封垫片板片式换热器的密封垫片是一个关键的零件。板片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。密封垫片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。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。板式换热器由于密封周边长，需用垫片量大，在使用过程中需要频繁拆卸和清洗，泄漏的可能性很大。如果垫片材质选择不当，弹性不好，所用的胶水不粘或涂的不匀，都可导致运行中发生脱垫、伸长、变形、老化、断裂等。加之板片在制造过程中，有时发生翘曲，也可造成泄漏。一台板式换热器往往由几十片甚至几百片传热板片组成，垫片的中心线很难准，组装时容易使垫片某段压偏或挤出，造成泄漏，因此必须适当增加垫片上下接触面积垫片材料广泛采用天然橡胶、腈橡胶、氯丁橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶、硅橡胶和氟化橡以下，最高不超过胶等。这些材料的安全使用温度一般在150以下，最高不超过200（见表2-1）。对橡胶垫片除要求抗介质腐蚀外，还应保证下列机械性能：（1）抗张强度：58010Pa（2）相对伸长：200%（3）邵氏硬度：6580:（4）永久变形：20%（5）增减量：15%-（6）压缩变形：10%上述橡胶垫片有不耐有机溶剂腐蚀的缺点。目前国外有采用压缩石棉垫片和压缩石棉橡胶垫片，不仅抗有机溶剂腐蚀，而且可耐较高温度，达360。压缩石棉垫片由于含橡胶量甚少，和橡胶垫片比几乎是无弹性的，因此需要较高的密封压紧力。其次当温度升高后，垫片的热膨胀有助于更好密封。为了承受这种较大的密封压紧力和热膨胀力，框架和垫片必须有足够的强度。表2-1垫片的材料代号Tab.2-1 Gasket material code垫片材料及代号丁晴橡胶三元乙橡胶氟橡胶氯丁橡胶硅橡胶石棉纤维板NEFCQA适合温度-20110-501500180-40100-6523020250扯断强度MPa10-扯断伸长率%120-3 板片式换热器的性能特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。表3-1 国内外板式换热器技术参数Tab.3-1 Technical parameters domestic plate heat exchanger项目国外国内最大单板面积，m24.752最大单台面积，m222001000最高工作压力，MPa2.52.5最高工作温度，橡胶垫片200200石棉垫片250L1/2时 mm （5-4）式中：L-加紧尺寸，固定夹紧板内侧至活动夹紧板内侧间的距离表5-1 上导杆材料弹性模量Tab.5-1 on the elastic modulus of the material guides材料下列温度下（）的弹性模量-2020100150200250碳素钢（C0.3%）1.941051.921051.911051.891051.861051.83105碳素钢（C0.3%）、碳素钢2.081052.061052.031052.001051.961051.90105高铬钢（Cr13Cr17）2.031052.011051.981051.951051.911051.87105 mm （5-5） b板间距，见图5-1；q2板片及所充介质（水或其他介质取密度大着）重力所引起的上导杆跨度中点的挠度图5-1 波纹节距 Fig.5-1 Pitch corrugation活动压紧板自重所引起的上导杆跨度中点的挠度当c2b2时 mm （5-6）当c2b2时 mm （5-7）式中 c2活动压紧板自重所引起的上导杆跨度中点的挠度，mm b2固定压紧板内侧至活动压紧板自重作用点的距离，mm F2活动压紧板自重，N上导杆受力简图见图5-2图5-2 上导杆受力简图Fig.5-2 On the guide rod force diagram5.1.2夹紧螺柱相关计算公式 夹紧螺柱光杆长度应不大于夹紧尺寸L（1）夹紧螺柱长度 mm （5-8） 式中 夹紧螺柱上的螺母与垫圈厚度之和，mm（2）夹紧螺柱载荷 a.夹紧状态下需要的最小夹紧螺柱载荷 N （5-9） 式中 B垫片有效密封宽度见图5-3，mm y垫片比压力，橡胶y=1.4Mpa；石棉y=11MPa.b.工作状态下需要的最小夹紧螺柱载荷图5-3 垫片有效密封宽度Fig.5-3 Gasket effective width N （5-10） 式中 F0作用于a2 a2被垫片槽中心线包容的板片投影面积，mm2 P设计压力，MPa Fp工作状态下，需要的最小垫片压紧力，N N （5-11） 式中 m垫片系数，橡胶 m=1,石棉m=2. （3）夹紧螺柱面积 a. 夹紧状态下需要的最小夹紧螺柱总截面积 mm2 （5-12） 式中 b常温下夹紧螺柱材料的许用应力，MPa b.工作状态下需要的最小夹紧螺柱总面积 mm2 （5-13）式中 bt9设计温度下夹紧螺柱材料的许用应力，MPac.实际夹紧螺柱总截面积Ab应不小于需要夹紧螺柱的总结面积Am，Am取Aa, Ap之间的最大值（4）夹紧螺柱最小直径 mm （5-14）式中 n夹紧螺柱数量 5.2板片的结构设计由所给条件知：板片的外形尺寸为：11353700.7即板片的长度为1135mm,宽370mm,厚度为0.7mm；传热板片是板式换热器的核心元件，冷热流体的换热以板片为基础，板片作为传热元件的同事又是承压元件，它在工作时承受两侧流体的压力差。板式换热器板片的设计原则是传热系数高、阻力降小，承压能力大，由于3者不可能同时达到最优，因此板片设计要综合考虑。 （1）设计参数 板式换热器的板型多种，人字形波纹板的传热系数最高，且以人字形板片的波纹节距/波纹深度为3mm左右、波纹角为120左右为最佳板型，这种参数比可使板片的传热系数和阻力降的性能比达到较为理想的效果。本设计采用板片的波纹高度3.7mm，角孔直径80mm，角孔中心尺寸995mm230mm,波纹节距15mm,波纹区角度为120，垫片槽结构为8配10（即垫片槽两遍上下模间隙为1mm）。波纹区角度选120是降低部分传热系数为代价，是阻力降达到设计要求的目标，以便此板在粘度较大的流体中使用。（2）垫片槽中心线 垫片槽中心线与板片外沿的最短距离为17.5mm,见图5-1所示，根据角孔中心尺寸确定角孔的垫片槽中心圆直径为100mm,板片的四个角的圆角尺寸为R70从角孔中心到垫片槽斜线1的距离为100mm.，可以任意做一条与板片水平中心线夹角为60的直线，从垫片槽中心圆的中心向该线做垂线，根据两点间距离为100mm,将该直线平移即可确定中心斜线1的位置。图5-4 换热板片结构Fig.5-4 Exchanger plate structure（3）波纹区 为使板片整个周长上均匀受力，在垫片两边设有支持触点，触点距垫片中心线的距离一致，按经验取13mm如图5-5，做人以一条与板片水平线成60的线（与板片竖直中心线夹角为30），再移至图5-5所示位置，保证上模和下模与垫片槽中心线的距离为13mm。以15mm节距向板片竖直中心线两侧做平行线，为了使垫片槽周围均匀受压，2张板片接触后必须形成13mm的均匀触点图5-5 换热板片波纹区Fig.5-5 Corrugated plate heat exchanger area （4）上下导杆定位机构利用燕尾槽自定位特点，板片上下设计成燕尾槽形式，如图5-1，导杆靠燕尾槽斜边吊住所有板片，上下导杆距离为1054mm,垫片槽底边长80mm5.3垫片的结构设计根据使用条件垫片材料选用硅橡胶。硅橡胶最高使用温度为-65230，符合设计条件。垫片的厚度取5mm,为了防止介质的泄露，密封垫片设计成双道密封结构，并设有信号孔，见图5-3.当介质从第一道密封泄漏时，可以从信号孔泻出，及早发现和检修。设有信号孔还可以避免介质穿通，防止一种介质漏到另一种介质中。图5-6 双道密封结构Fig.5-6 Double sealing structure5.4导杆的尺寸设计与校核 (1) 导杆长度L1其中 s1=50mm,s2=0,s0=0.7mm,s3=5.0 mm,Np=101,l=1135mmH=1055mm则 取L1=1100 mm(2)夹紧尺寸 (3) 上导杆挠度 工作状态下，上导杆跨度中点的挠度f不得超过导杆L1的2/1000，且不大于5mm. 上导杆自重所引起的跨度中点的挠度 mm查得Q235-A材料性质如下弹性模量为210GPa , 密度,=7850kg/m3求得上导杆体积 V=4.1810-3 m3则上导杆重量 查材料力学教材 板片及所充介质（水或其他介质取密度大者）重力所引起的上导杆跨度中点的挠度由于LL1/2所以已知： 板片单片重量为1.79kg,板间流体,取水的密度为 1000 kg/m3垫片密封长度为885mm板片总重量为 kg介质总重量为 则 所以 活动压紧板自重所引起的上导杆跨度中点的挠度 当c2b2时 当c2b2时则 C2b2求得 F23000 N所以 则，上导杆总挠度为又 2L1/1000=2.2 mm2L1/L1 所以，上导杆挠度符合要求 （4） 上导杆强度校核上导杆受力简图如图5-7所示图5-7 上导杆受力简图Fig.5-2 On the guide rod force diagram 由以上计算知 q1=0.292 N/mm q2=3.463 N/mm F2=3000 NL1=1100 mm L=515.1 mm b2=540.1 mmC2=559.9 mm 由静力平衡方程M=0，F=0，求出支座A,B约束力带入数据 则 N N三个截面的弯矩方程分别是带入数据，整理得： X=（0，515.1） X=（559.9，584.9） X=（0，559.9）三个截面的弯矩图如下图所示图5-8 上导杆截面弯矩图Fig.5-8 On the guide rod bending moment diagram由图知：最大弯矩发生在 X=559.9 的位置,且Mmax=1103 Nm抗弯截面系数 所以 所以：强度满足5.5夹紧螺柱的尺寸设计与校核 夹紧螺柱光杆长度应不大于夹紧尺寸L.（1） 夹紧螺柱载荷a.夹紧状态下需要的最小夹紧螺柱载荷b.工作状态下需要的最小夹紧螺柱载荷则 （2）夹紧螺柱面积a. 夹紧状态下需要的最小夹紧螺柱总截面积 b.工作状态下需要的最小夹紧螺柱总面积 c.实际夹紧螺柱总截面积Ab应不小于需要夹紧螺柱的总结面积Am，Am取Aa，Ap之间的最大值 （3）夹紧螺柱最小直径 即夹紧螺柱螺纹小径为29.943 mm螺纹大径为 查机械设计手册 ，取 D=36 mm（4） 夹紧螺柱长度根据螺柱尺寸选择六角螺母 M36 垫片 M36查机械设计手册得 螺母尺寸 厚度 m=31 mm 垫片厚度 h=5 mm则 取L2=1100 mm夹紧螺柱光杆长度应不大于夹紧尺寸L,取 光杆长度为420mm5.6接管法兰的选用（1）查化工机械手册，选用凸面板式平焊钢制管法兰结构11如图5-8所示，其尺寸见表5-2。图5-8 板式平焊钢制管法兰Fig.5-8 Plate flat welding steel pipe flanges表5-2 PN1.6MPa凸面板式平焊钢制管法兰 Tab.5-2 PN1.6MPa convex plate flat w