板式换热器结构设计.doc

兰州交通大学毕业设计（论文）板式换热器结构设计1 绪论1.1 板式换热器的学术背景及意义板式换热器于1878由德国发明。1886年法国人设计出通道板式换热器，并应用到葡萄酒的杀菌。1923年APV公司设计了可成批生产的铸青铜板组合的板式换热器。1930年以后，出现了用不锈钢或薄金属板压制的用垫片密封的波纹板片换热器，这样基于沟道板，跨入了现代用薄板压制的波纹板形式。早期的板式换热器主要用于在牛奶或啤酒处理的灭菌。1932年APV公司开始生产高温，短时的牛奶消毒设备。与此同时，流体力学与传热学的发展对板式换热器的发展做出了重要的贡献，同时也是板式换热器设计中最重要的技术理论。如：19世纪末到20世纪初，雷诺（Reynolds）实验证实了客观存在层流和紊流，提出了雷诺数奠定了流动阻力和损失的基础。此外，在流体、传热方面做出了突出贡献的学者还有瑞利（Reyleigh）、普朗特（Prandtl）、库塔（Kutta）、儒可夫斯基（）、钱学森、周培源等1。板式换热器的应用非常广泛，如电力，食品，医药，石油，化工等。在现代化的新技术，新工艺，新材料的不断发展，以及日益严峻的能源问题，必然需要更高性能、高参数换热设备，板式换热器将进一步扩大应用范围2。与常规的管壳式换热器，在相同的流动阻力和泵功率消耗相比，传热系数更高，有取代管壳式换热器的趋势。 通过广泛的应用和实践，加深了板式换热器的优点的认识，随着应用拓展的进步和制造技术加快发展，板式换热器已成为一个非常重要的换热设备。 近几十年来，板式热交换器的技术发展，可概括如下3： （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、弧形波纹板、人字形波纹等形式繁多的波纹板片。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）耐腐蚀耐高温的板片和垫片。目前钛，镍，钯和钛的合金材料可制成板片。垫片材料也扩大，从天然橡胶合成橡胶，氟橡胶，石棉等4。 （3）提高了使用的压力和温度。材料的压力和温度承受能力的提高，大大扩大板式换热器应用范围，特别是在化学领域。 （4）计算板式热交换器的传热和流动阻力。研究由于流道结构的复杂性，导致在该区域的传热和流动阻力复杂的计算，大大促进板式换热器的发展。 （5）提高换热器工艺性。主要是为了提高模具的制造的水平和改善板片的精度。 （6）发展大型板式换热器。 （7）提高板式换热器传热总体效率可能的方法的研究。1.2 我国设计制造情况我国板式换热器的研究、设计、制造，开始于六十年代。1965年，兰州石油化工机器厂设计、制造了我国生产的第一台板式换热器，单板换热器面积为0.52m2，板片为水平平直波纹。1967年，兰州石油机械研究所在1971年制造了我国第一台人字形波纹板片，单板换热面积为0.3m2的板式换热器，这对于我国板式换热器采用波纹型式的选型起了重要的作用。兰州石油机械研究所板式换热器厂是兰州石油机械研究所直属厂，现有主厂房7000m2，建于1963年，专门从事板式换热器设备的研究、制造工作，技术力量雄厚，拥有国内最先进的试验检测设备及大型油压机和其他加工设备，组成了完整的板式热交换设备的研究、生产及质保体系，确保产品质量的优良和高可靠性。三十年来为国内外各种应用领域提供近三千台、装机面积20余万m2的板式换热器、板式冷凝器和板式蒸发器，产品技术性能及质量居国内领先地位。兰州石油机械研究所对板片的制造材料、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研究，促进了我国板式换热器的发展。三十年来兰州石油机械研究所板式换热器厂先后研制成功BR01、BR03、BR03A、BP07、BR03B、BR05A、BR06A、BR07A、BRS08、BR08A板式换热器、板式冷凝器和BF01、BF02板式蒸发器等多种型号、多种用途的板式设备。板片波纹的形状有人字形、双人字形、水平平直形、竖直形、鼓泡形等等，流道截面积也有相等和不相等之分。板片材质以铬镍不锈钢为主并且向耐酸、耐碱、耐各种强腐蚀的方向发展，同时将普通不锈钢的化学和电化学处理转化膜技术应用于板片生产中，提高了不锈钢板片耐氯离子腐蚀的能力；H-RS耐高温浓硫酸材质板片、哈氏合金板片近年来在硫酸工业及离子膜烧碱生产过程中得到了广泛的应用。该厂制造手段齐备，无论用任何材质压制的板片，减薄量均控制在20%以下，表面光洁平整，装配完成的设备耐压能力达到3.5MPa,实际应用压力2.5MPa。该厂出厂的产品配备的是中美合资的派克牌密封垫片，自行研制的耐温、耐压复合垫片也在生产中得到了应用。该厂出厂的的设备使用温度为250。常用板式换热器参数如图1.1所示5。表1.1 兰州石油机械研究所板式换热器厂主要的板式换热器板式换热器 型号最高工作压力(MPa)单板换热面 积(m2)最 大 处理量（m3/h）板片外型尺寸（长宽） (mm mm)单台最多板片数管尺寸DN（mm）波纹形式波纹深度（mm）BR011.00.11058421810140单人字3BR03B2.50.30260115738810185单人字3.5BR05A2.50.5022001490485201121双人字3.8BR06A2.50.6943001615585287163双人字3.5BR07A2.50.6943501615585362163双人字3.5BR08A1.60.80411000(汽)1776679350150横人字5BRS081.60.80124001610860427150横人字4天津太平洋板式换热器有限公司，专业从事板式换热器以及换热器专用密封胶垫的研发和制造。在原有板式换热器制造经验基础上，引进国际先进技术，创新研发了十余种符合国际标准的板式换热器专用密封胶垫，使板式换热器的整机性能和应用范围得到了极大的提高和推广。根据国内外市场和企业发展需要，不仅可以满足各类整机用户的不同使用要求，同时还可以为广大板式换热器用户提供各种国内外换热器厂家的板片、胶垫及维修的全方位服务。进入二十一世纪以来，我国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如何提高热交换效率是板式换热器的整个发展的主要方向。早期研究结构，板形和波纹，现在通过优化，热工计算和分析，对板式换热器材料和结构的细节优化选择3。英国APV，瑞典ALFA-LAVAL，美国OMEXEL公司等是世界上最著名的生产商，还有日本的大阪，德国GEA公司。 （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。目前APV公司生产的板式换热器称为Paraflow，其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如表1.2所示。表1.2 APV公司主要的板式换热器板式换热器型 号最高工作 压 力(MPa)单板换热 面 积(m2)板片外型尺寸 长宽 (mm mm)单台最多 板 片 数长管尺寸（mm）SR11.030.025857021015038HMB0.690.34111431818751SR351.550.34115239241475R401.370.381150445409102,127,152R552.060.521156416362102R560.930.521156416350102R1060.691.0781984712427300R2350.832.227391107729400 （2）ALFA-LAVAL公司。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年发展了钎焊板式换热器；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：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35007500W/(m2K)；每台换热面积0.12200m2；最大接管尺寸450mm。 （3）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1.3。表1.3 HISAKA公司板式换热器技术特性 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-010.087361.52.02005UX-200.3751401.52.0200100UX-400.765401.51.8200250UX-601.1690011.3200500UX-801.70152011.3200800由各国公司的发展情况不难发现，板式换热器的整个发展，其最终目的都是围绕着如何提高热交换效率。早期的发展由于技术限制，主要发展的就是结构、板型，通过优化、热力计算及分析，这些优化的方法都是可行的。进入现代以后，板式换热器的发展着重于材料的选择以及结构上的细节优化。2 板式换热器基本构造和工作原理2.1 板式换热器基本构造和工作原理 板式换热器（Plate Type Heat Exchanger）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，它是由三个主要部件板片、密封垫片、压紧装置（有固定压紧板、活动压紧板、压紧螺柱和螺母等）及其它一些部件，上下导杆、前支柱、轴、接管等组成，如图2.1所示6。图2.1 板式换热器的结构 板片为传热元件，垫片是密封元件，垫片粘贴在板片的垫片槽内。在固定压紧板上，交替地放置一块板片和一张垫片（按一定的顺序安装，加热板交叉放置），然后安放活动压紧板，拧紧压紧螺栓将构成了板式换热器。上、下导杆起着定位和导向作用。板式换热器主要由框架和板片两大部分组成。固定压紧板、活动压紧板、上下导杆、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。2.2 板式换热器分类板式换热器的型式主要有框架式（可拆卸式）和钎焊式两大类7。图2.1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。钎焊式板式换热器是在传统框架式板式换热器基础上演变而来，但摒弃了垫片和框式部件。钎焊式板式换热器几乎所有的材料都进行热交换。这种换热器采用紧凑耐用的设计，而且安装便捷，使用寿命长，运行性价比高，广泛应用于冷藏厂房的制冷设备。其在每个触点上都进行钎焊，以确保达到最佳热交换效率以及耐压性。结构如图2-2所示。 图2.2 钎焊式板式换热器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。在乳品加工的巴氏灭菌器中，为了增加在灭菌温度下乳品的停留时间，通常需要在灭菌器的特定位置上安装延迟板。2.3 流程组合方式 流程是指在相同的流体相同流动方向的一组平行流动通道，流道是相邻的两个板组成的间隙内的介质流动通道。一般地，由多个流道并联或串联连接在一起以形成不同的热、冷介质流道的组合。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2.3a、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8： （1.1） 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。（a）串联流程（b）并联流程（c）混合流程图2.3 典型的流程组合2.4 框架形式 框架用于各种板式换热器，在各种框架如图2.4所示，尤其是（a）和（e）中，更常用。应用于乳制品等食品行业中的板式换热器，往往是两个或更多的中等介质传热，所以要设置中间隔板，中间隔板取决于加热介质类型和数量，这另一个取决于工作压力不是高，以及需要拆卸清洗的时候，所以常常用顶杆式。作为板式换热器的骨骼，起到支撑整体作用。 （a） （b） （c） （d） （e） （f） （g） 图（a）双支撑框架式；图（b）带中间隔板双撑框架式；图（c）带中间隔板三撑框架式；图（d）悬臂式；图（e）顶杆式； 图（f）带中间隔板顶杆式；图（g）活动压紧板落地式。图2.4 框架主要形式由于本文是水水换热，不需要设置中间隔板，工作压力和工作温度不是很高，不需经常拆卸和清洗，优先采用双支撑框架式。2.5 板片 板式换热器的核心部件板片，冷、热流体交换发生在板上，所以它是传热元件，此外它也跨越承受两边压力差。它主要设计用于两个因素：（1）在流体中以低速出现剧烈湍流的发生，以提高热传递。（2）增加该板的刚度，更高的压力的能力。由于板式换热器的出现，人们设想各种形式的波纹板片，以达到板片高的传热效率高，低流体阻力，高压力容量。板片有各种各样的板型，根据波纹板的几何形状区分，有水平直线波纹，人字形波纹，斜道波纹和其它波纹板。通过板间流体流动的形式区分，有管状流，带装流动，网线流动板片。先介绍几个典型的板片情况6。人字形板，它的断面形状通常是三角形，有单人字形和双人字形，人字形间通常是120。板式换热器组装时，每相邻两板片是相互倒置的，从而形成网状触点，并使通道中流体形成网状流。装配后相邻两板片间能形成数以千计的触点，所以人字形板片能在较高压力下工作。流体从板片一端上的一个角孔流入，如果从另一端同一侧上的角孔流出，称为单边流动，如果从另一端另一侧的角孔流出，称为对角流动。人字板的刚性好，传热性能良好，缺点是流阻大，不适合含有颗粒或纤维的流体。水平平直波纹板，断面形状是等腰三角形。它有良好的传热和流体力学性能，传热系数高达5800W/（m2K）（水水，不考虑污垢热阻）。其他断面形状有有褶三角式波纹、阶梯形波纹。锯齿形板，其特点是组装后流道横截面积不变，因而阻力小，可以高速下运行，刚度大，支撑触点多。它的缺点是板片结构复杂，需要两套模具。比较常见的板片部分特点：（1）具有凸状的波纹，促进传热效果。（2）有流体进出孔，称为“角孔”，一般为圆形。大板以减少流动阻力往往做成三角形。（3）板片四周和角孔处的密封槽，放置密封垫圈。（4）悬挂装置，在板片上端直接冲梯形缺口挂于异形横梁上。（a） 人字波纹板 （b）水平平直波纹板图2.5 两种常用板片示图 板的材料有碳钢、不锈钢、铝及其合金、黄铜、镍、钼、钛等。目前使用最广泛的是不锈钢。因为钛的耐腐蚀性能好，特别是在含氯介质中，近年来研制了钛板热交换器。板片的厚度通常为0.51.5mm。制造板式换热器的关键板片的成形，目前几乎是冲压型板。普通板片，如表2.1所示。表2.1 板片材料9不锈钢SUS304/316/316L/310S/904净水、河川水、食用油、矿物质SM0254稀硫酸、无机水溶液钛及钛钯合金TAi/TAi-Pd海水、盐水、盐化镍Ni200高温、高浓度苛性钠哈氏合金C276/D205/B2G浓硫酸、盐酸、磷酸钼Mo254稀硫酸、无机水溶液石墨盐酸、中浓度硫酸、磷酸、氟酸2.6密封垫片板式换热器垫片（如图2.6所示）是一个关键的部分。板式换热器运行的温度基本上取决于垫片可以承受的温度；板式换热器的操作压力在相当程度上受到垫片限制。从板热交换器结构分析，密封周边的长度（m）是传热面积（m2）68倍以上，高于其他类型的热交换器。密封垫片防范流体的外露和两流体间内漏，它安装在密封槽中，在运行中承受高压和高温，还有流体的腐蚀，此外在经过反复拆装后还要求具有良好的弹性。对垫片的要求除了耐腐蚀、耐高温外，还需要其它物理性能满足下列要求：根据使用压力的不同，硬度一般应在6590邵氏硬度，压缩永久变形量不大于10，拉伸强度80bar，伸长率200。板式换热器发生的故障，很少是板或其它部件的损坏，主要是垫片的问题，如脱垫、伸长、老化、断裂。所以对于板式换热器的垫片具有特别的要求。聚四氟乙烯或其它塑料、金属垫片都不合适，广泛使用的是天然橡胶、丁基橡胶、三元乙丙橡、氨丁橡胶、硅橡胶等，它们的使用温度都在80150以下。近年来，开发了压缩石棉垫和石棉橡胶垫，工作温度可达260300。随着工艺对工作压力和温度更高的要求，板式换热器的密封结构的改进已成为一个新的研究方向。密封垫片之所以显得这么突出，是因为它的密封周边很长。如果一台配有200块板片，每片面积0.5m2的板式换热器，其密封垫片的总长度达到约900m。考虑到其频繁的拆卸和清洗，保证不泄露并不容易。为了更好的防止泄漏，在密封垫上采用双重密封。为了能够检测泄漏，许多制造商在垫片上开槽（通常被称为“信号孔”），一旦流体泄漏，流体首先由此泄出。图2.6 密封垫片大多数垫片是从非金属板裁剪下来的，或由专业工厂按规定尺寸制作，常用垫片的使用最高温度及使用流体为如表2.2所示。表2.2 垫片材质10材质适用流体适用最高温度丁腈橡胶(NBR)水、海水、矿物质、盐水110-140丁苯橡胶(SBR)一般非油介质180丁基橡胶(RCB)有机酸、无机酸、浓碱液140乙丙橡胶(EPDM)酸、碱、酮溶液、醇类150三元乙丙胶热水、蒸汽、酸、碱150-170氟橡胶高温水、酸、碱、有机溶剂180氯丁橡胶酸、碱、矿物质、润滑油130硅橡胶食品、油、脂肪、酒精180-220石棉常见流体250-2602.7 压紧装置压紧装置包括活动压紧板、固定压紧板、夹紧螺杆。用于压紧垫圈，密封性好，在工作时不泄露，通过旋紧螺栓产生压紧力。在制造成本中，压紧装置占了相当大的比例。应注意板片尺寸和符合的关系，采用数量多的面积小的板片，可使压紧装置费用降低。现在有电动和液压的压紧装置，使板片的拆卸和压缩自动进行。3 板式换热器的优缺点及应用3.1 板式换热器的优缺点板式换热器是以波纹板作为传热面，在流道中布满网状触点，流体沿着板间狭窄弯曲、犹如迷宫式的通道流动，其速度大小和方向不断改变，形成强烈的湍流，从而破坏边界层，减少界面液膜热阻，并使固体颗粒悬浮，不易沉积，有效地强化了传热，因此，它比管壳式等其它类型换热器具有很多独特的优点。3.1.1 板式换热器的优点 （1）传热系数高，需少量的冷却水。管壳式流体通过壳体挡板-管，管束-外壳之间的形成旁路，热量交换不充分。板式换热器不存在旁路，板片相互颠倒，这种特殊的结构和装配方法，流体在流经相邻两板间的通道时形成复杂三维旋转流动，流动方向和流速大小是变化的，能使流体以较低的雷诺数在板片中形成急剧湍流，热传导快，传热系数高，促进传热。板式换热器的总传热系数K一般为23305810 W /（m2K），可高达69808150W/（m2K），而管壳式换热器K =14002790W/（m2K），是管壳式换热器的23倍以上。在相同的压力损失下，板式换热器是壳管式换热器67倍11。 （2）对数平均温差大，末端温差小。管壳式换热器的流体分别在管中（多流）和壳中（混合流动）流动，整体上是错流流动。这导致了需要对数平均温差修正系数（较小），而板式换热器是逆流或并流的流动方式，并且具有更高的传热系数，强烈湍流，修正系数大。此外，板式换热器的冷、热流体流动平行于表面，没有旁路，冷、热流体之间的温度非常接近的，温差极小，温差接近13 ，因此它可以当作低温换热器的回收器。 （3）结构紧凑，占地面积小。板式换热器每单位体积换热面积为管壳式换热器的25倍，也不像管壳式需要腾出检修场所，板片拆卸简单，出现问题可以本地解决，方便快捷。实现相同的传热量，板式热交换器面积是管壳式换热器的1/5到1/10。 （4）容易改变换热面积和流程，适应性强。根据生产工艺的要求而方便地增加或减少几板，就可以实现增大或减小传热面积的目的；改变或替换一些板片的布置，可以变化流程组合，适合于新的换热条件，而管壳式换热器增加传热面积几乎是不可能的。 （5）结构紧凑，重量轻。板式换热器板片由薄金属片压制（仅0.40.8mm的厚度），波纹板大大增加了有效换热面积，单位体积可以容纳更多热量。因此，体积小，安装空间小，板式换热器本身的材料成本低。管壳式换热器管的厚度为2.02.5毫米。 （6）投资小，价格低。在相同的材料，相同的换热面积下，板式换热器的价格的是管壳式40至60，维护费用也低。 （7）方便生产。板式换热器的换热板片是冲压的，标准化程度高，批量化生产，管壳式换热器常用手工制作。 （8）易清洁，易维护。框架板式换热器的板片悬置在横梁上，压紧板侧有一个滚动装置，只要螺栓松动，可以轻松地打开并取出板片，清洗或更换板片，需要经常清洗设备的场合是非常方便的。 （9）热损失小。由于板式换热器只有板片外面和垫片暴露在大气中，热量损失小，通常在1左右，可以不采取保温措施，管壳式换热器热损失大，则需要保温层12。 （10）不易结垢。由于内部充分湍流，所以易于扩散，并且其结垢系数仅为管壳式热交换器的1/3至1/10。 （11）安全系数高。如果发生泄漏时，流体可以通过板上的孔被排到外部。3.1.2 板式换热器的缺点 （1）容量较小，是管壳式换热器的10%20%。 （2）单位长度的压力损失大。由于传热面间的间隙较小，传热面上有凹凸状波纹，因此比传统的光滑管的压力损失大。 （3）工作压力不宜过大，有可能泄露。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，其工作压力往往低于2.5MPa。 （4）工作温度不宜过高。板式换热器工作温度决定于密封垫片能承受的温度，温度高，有可能泄露。橡胶垫片最高工作温度在200以下；用压缩石棉绒垫片(Caf)时，最高工作温度为250260。 （5）易堵塞。由于板片间通道很窄，一般只有25mm，不宜于进行易堵塞通道的介质的换热，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。3.2 板式换热器的应用早期的板式换热器只适用于牛奶，果汁加工，酿酒等轻工业高温消毒。由于发展的需要，要提高板片的耐蚀性和耐热性，密封材料的耐腐蚀性，板片变得更大。现代板式换热器广泛应用于各个行业，应用于液液，气液，气液传热，蒸发，冷凝等工艺。如：化学工业，食品工业，冶金工业，石油工业，矿山，电厂，核电厂，海上石油平台，机械工业，生活污水处理，医药，化工，造纸，纺织，船舶，供热等领域，可加热，冷却，蒸发，浓缩，杀菌，热回收等。板式换热器的应用场合： （1）冷却：冷凝器，蒸发器。 （2）空调：在热交换器中的中间锅炉和高层建筑。 （3）化工行业：制造二氧化钛，酒精发酵，氨，树脂及橡胶，冷磷酸，烧碱行业。 （4）冶金行业：铝液加热和冷却，冷却铝酸钠。 （5）机械工业：淬火液的冷却，冷却机，润滑油，燃料油等发动机。 （6）电力工业：高压变压器油冷却，发电机轴承油冷却。 （7）造纸工业：盐漂白，余热回收玻璃纸，冷却的氢氧化钠水溶液，使废气中冷凝，预热纸浆状浓缩废物。 （8）纺织行业：冷却磷酸盐纤维，粘胶纤维的加热和冷却，冷却醋酸。 （9）食品工业：盐，乳制品，酱油，醋，啤酒，糖，制造谷氨酸钠。 （10）油工艺：常压干燥肥皂，合成洗涤剂，鲸油加热，冷却植物油，冷却甘油。 （11）中央供气：火电厂的余热用于区域供热，生活热水，集中供暖13。 （12）太阳能产业：参与的传热介质，如乙二醇防冻液的热交换过程。 （13）钢铁行业：冷却淬火油，电镀液，减速器润滑油，拉丝机冷却液。 （14）造船：柴油发动机，活塞等冷却器，预热器，海水淡化。 （15）水产养殖：加热锅炉，这样可以节约使用煤炭，节能和环保。其他：石油，医药，海水淡化，地热利用，陶瓷，玻璃，水泥等。4 板式换热器热力及相关计算4.1 板式换热器的设计计算概述 板式热交换器的计算主要为设计计算，在作设计计算前，应具备以下资料：(1) 选择一种板片型号，并确定板片的主要几何参数，如板片外形尺寸、波纹形式、单板有效换热面积、当量直径或板间距、单通道横截面积及通道长度等。(2) 适用介质种类与适用温度，压力范围。(3) 该板片的传热和阻力特性曲线，计算关联准则式。 设计计算时，换热器的流程组合及结构尺寸未定，冷、热流体的流量、进出口温度六个量需要给定五个。还要给定最大许用压力损失，设计温度。然后查平均工作温度下的有关物性数据，主要包括：密度、比热容、导热系数及粘度。算出热负荷，计算对数平均温差，确定温差修正系数，算出六个量中的未知量。然后假定冷、热流体的流程数、流道数，假定冷、热流体板间流速，算得该流速下的雷诺数，努塞尔数，两侧对流换热系数，然后求出总的传热系数，由计算出的换热系数确定出实际所需的换热面积并校核，如果和要求面积相差很小，可以认为计算正确，这样可以求出板片数。然后根据板间流速初值确定流体需要的总的流道截面积。由板片数，可算出所需的并联通道数。流道数、板片应凑成整数。如果面积相差很大，重新计算。接下来就可以用相应的阻力系数和准则关系式计算出压力损失并校核。如果压力损失超过许用的数值，则将流速取低一些重新计算。流速取低，将使传热系数降低，换热面积增大，板片数增多。新的结果再与许用阻力相比，如不合适就再重新计算，一直到满意为止。如果所得的阻力远低于给定值，这意味着换热器换热效果差，这时应增加板间流速，即换热器设计也须重新计算14。4.2 传热过程 板式换热器中冷、热流体之间的换热一般都是通过流体的对流换热（或相变换热）、垢层及板片的导热来完成的，由于参与传热的流体通常都是液体而不是气体，故不存在辐射换热。4.2.1 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。 由于引起流体流动的原因不同而使对流换热的情况有很大的差异，所以将对流换热分为两大类。一类是自然对流（或称自由流动）换热，即因流体各部分温度不同引起的密度差异所产生的流动换热，如：空气沿散热器表面的自然对流换热；另一类是强制对流（或称为强迫流动）换热，即流体在泵或风机等外力作用下流动时的换热，如：热水在泵的驱动下，在管内流动时的换热。一般情况下，强制流动时，流体的流速高于自由流动时，所以强制流动的对流换热系数高。如：空气的自由流动换热系数约为525W/(m2K)，而它的强制流动传热系数为10100W/(m2K)。影响对流换热的因素很多，如流体的物性（比热容、导热系数、密度、粘度等），换热器表面形状、大小，流体的流动方式，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14（牛顿冷却公式）： (4.1)式中：Q换热量，W； 对流换热系数，W/(m2K) ； tw、tf分别为壁面温度与流体温度，； F换热面积，m2。 由该公式可见，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 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，统称为相变换热。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相接触，在壁面上就会发生凝结。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，凝结液以颗粒状液珠的形式附着在壁面上，如水蒸汽在有油的壁面上凝结情况。膜状凝结时所释放出来的潜热必须通过凝结膜才能供给较低温度的壁面，显然，这层液膜成为一项热阻。而珠状凝结时，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/(m2K)，但是在工业过程中，一般都是膜状凝结，除非对壁面进行预处理或在蒸汽中加入促进剂。 （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。4.2.3 导热 在板式换热器中，板片及垢层的传热均属于导热。由于板片及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，其计算公式为14： （4.2）式中：Q换热量,W； 导热系数，W/(mK) ； t导热温差，； F换热面积，m2。4.3 热力计算 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上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。4.3.1 设计要求 （1）板间流速 板间流体的流速，影响传热性能和压降，高的传热系数的同时也增加了流体的阻力；反之，相反。一般平均流速0.20.8m/s（主线上的流速比平均流速高45倍）。当流速小于0.2m/s，流体达到湍流状态和形成较大的死角区，流速过高会导致压力降急剧增加。具体设计时，可以先确定一个流速，计算其阻力降是否在给定的范围内；也可按给定的压力降求出流速的初选值。在阻力降容许的情况下取大值，以提高对流传热系数，从而减小换热面积，节省设备投资。 （2）流程组合板式换热器一般是对称的流道，两流体体积流量大约一致，应安排等流程；如果流的两侧之间的流量差异大，流量小的一侧可以布局更多流程。一侧是相变流体，板式热交换器通常是单程的。多通道热交换器中，除非特别需要，通常在每个流程中相同的流体应该采取同样的流道数。给定的总的允许压力降，多程布置使得相应的每个流程允许压降变得更小，从而迫使流速降低，对传热不利。此外，不等程安排是降低平均温差的一个重要原因，应尽可能避免。 并联流道数的数目由给定流量及选取的流速而定，流速决定于可受允许压降，小于给定的流速时，流道的数目取决于流量大小。 由于单流程并联式流程的结构简单，所以本设计选单流程并联式流程组合方式进行设计计算。 （3）选择板片 1）板片的波纹型式只有人字形波纹和水平平直波纹两种。波纹板的型式，应按工艺条件进行选择。人字形板被广泛使用，人字角大的板片(如：=120，称为H板片)，适用于允许阻力损失较大，而传热效率要求高的场合；人字角小的板片(如=60，称为L板片)，适用于阻力损失限制要求非常严格的场合。水平平直波纹板片则适用于传热效率高，阻力损失也适中的场合。人字形波纹板的承压能力可高于1.0MPa，水平平直波纹板片的承压能力一般都在1.0MPa左右；人字形波纹板片的传热系数和流体阻力都高于水平平直波纹板片。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。如果工作压力在1.6MPa以上，则别无选择的要采用人字形波纹板片；如果工作压力不高，又特别要求阻力降低，则选用水平平直波纹板片较好一些；如果由于安装位置所限，需要较高的换热效率以减少换热器占地面积，而阻力降可以不受限制，则应选用人字形波纹板片。对于两种传热流体，其流动有很大的不同，该考虑使用板的非对称流道来组装板式换热器。对于两换热流体的对数温度相差很大，流量差亦很大的换热工况，波纹板片长宽比小是优选选择的。 角孔的尺寸与单板面积有一定的内在联系，为使流体通过角孔流道不致损失过多压力，一般流体在角孔中的流速为46m/s。2）板片材料。根据介质的腐蚀性能来选择板片的材料。国外制造板片的材料品种繁多，有较大的选择余地。我国制造板片的材料主要有不锈钢和钛等，在选择的耐腐蚀材料基础上，辅以增加板片厚度或防腐处理来延长板片的使用寿命。 （4）选择垫片密封垫片的结构形式也有很多种，其截面形式大致有矩形、梯形、六边形、五边形等。常用的形式有两大类型：一种形式如图4.1a所示,其密封垫片横截面的上部为尖形的；另一种形式如图4.1b所示,其上部为平面。前者是通过尖端至中部的尺寸差来增加密封垫片的变形程度，其结构设计实际上仍然是平面密封，而非线性密封，因为板片的密封槽底部是平面，当板片密封槽底部平面有缺陷时，这种结构能抵消一些。后者设计的目的是为了减少密封垫片的压缩量，其压紧形式为平面压紧。其主要缺点是在板片装配过程中，板片容易错位,夹紧力过大，容易造成板片变形等15。本文选用a型。 （a） (b) 图4.1 密封垫片结构形式 垫片材料既要耐高温又要耐腐蚀。各种垫片材料允许温度如表2.2。 （5）流动方式的选取单相换热时，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）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。按角孔中速度为6m/s时，则各种单板面积组成的板式换热器处理量见表4.1。表4.1 单台最大处理量参考值单板面积（m2）0.10.20.30.50.81.02.0角孔直径（mm）4050658080100125150175200200250225400单台最大流通能力（m3/h）274271.4137103170264381520678678106010602500 （7）其他1）板式换热器一般不适用于气体的热交换。2）进行易爆、易燃介质换热的板式换热器的设计压力，至少要比介质的工作压力高出一个公称级别以上16。而垫片的耐温、耐腐蚀性能必须可靠。3）进行强腐蚀介质（如:硫酸）换热的板式换热器，其板束周围宜设置一个防护罩。4）对杂质较多的介质进行换热时，介质的进口管道上最好设置过滤器，单程排列。此外还应尽可能选用通道间隙较大的板片。5）对工作压力和工作温度都较高的工况，可拆式板式换热器无法适应时，应采用焊接式板式换热器17。4.3