板式换热器的设计

摘要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。板式换热器的传热性能与板面的波纹形状、尺寸及板面组合方式都有密切关系。对于任何一种新型结构尺寸板片的传热及阻力特性，都只有通过实验计算测定。对于无相变传热，多数制造商都能提供关联式；对于相变传热，绝大多数的产品，尚不能提供相应的关联式。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AutoCAD绘制零件图及总图。关键字：板式换热器；结构设计；热力计算；阻力计算；校核AbstractPlateheatexchangerisacompactandefficientheattransferequipment,itisappliedtothefoodindustry,metallurgicalindustry,electromechanicalindustry,paperindustry,oilindustryandotherfields.Anditstype,structureandscopearestillevolving,Weldedplateheatexchangercompactnesshasthefeaturessuchaslightweight,goodheattransferperformanceandlowinitialcost.Plateheatexchangerheattransferperformanceofcorrugatedboardshape,sizeandboardcompositionarecloselyrelated.Anewstructureforanysizeofplateheattransferandpressuredropcharacteristicsaredeterminedonlybyexperimentalcalculations.Forthenon-phase-changeheattransfer,mostmanufacturerscanprovidecorrelation;forthephase-changeheattransfer,thevastmajorityofproducts,yetcannotprovidethecorrespondingcorrelation.Inthispaper,bytheusingofplateheatexchangerheattransfermechanismthedevelopmentofplateheatexchangerandapplicationsarebrieflyintroduced.Itcarriedouttheplateheatexchangerthermalcalculationandresistancecalculations,anddesignedthebasicstructureoftheplateheatexchangersuchastheframeworks,structureandprocessescombinationstomeettheverificationcondition.Finallyitdeterminedtheparallelflowplateheatexchangerwith149oftheplatesandcombinedwithAutoCADdrawingpartsdiagramandassemblydrawings.Keywords:Plateheatexchanger;Configurationdesign;Thermodynamiccalculation;Resistancecalculation;Check目录1.绪论.11.1板式换热器的学术背景及意义.11.2我国设计制造应用情况.31.3国外著名厂家及其产品.41.4板式换热器的国内研究进展.72.板(片)式换热器的基本构造.92.1板(片)式换热器的基本构造.92.2流程组合.92.3框架型式.112.4板片.122.4.1常用形式.122.4.2混合人字板及性能.132.4.3特种形式.152.5密封垫片.152.6焊接式板式换热器.162.6.1半焊式板式换热器.162.6.2全焊接式板式换热器.173.板式换热器的性能特点.183.1板式换热器的主要优点.183.2板式换热器的主要缺点.203.3板式换热器与管壳式换热器的比较.214.板式换热器热力及相关计算.224.1板式换热器的设计计算概述.224.2传热过程.224.2.1对流换热.234.2.2相变换热.234.2.3导热.244.3热力计算.254.3.1一般设计要求.254.3.2设计计算公式和曲线.274.3.3确定总传热系数的途径.324.4设计工艺条件.334.4.1计算综述表.375.经济与技术分析.435.1技术经济分析的原则.435.2技术经济分析的标准.43结论.44致谢.45参考文献.461.绪论1.1板式换热器的学术背景及意义目前板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年德国人发明了半片式换热器，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间世，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。板式换热器是以波纹板的新型高效换热器。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，课制造单板传热面积从0.04至1.3，2m2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。5由于板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。然后组桨成换热面积大小不问的换热器。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被形。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。61：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0.52的水平平直波纹板片的板2m式换热器，这是我国首家生产的板式换热器，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。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0.3）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起了重要的作用。2m1983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，对板式换热器的换热、流体阻力和优化等方面进行了理论研究，认为板式换热器的换热，以板间横向绕流作为换热物理模型，该校还对板式换热器的热工性能评价指标及板式换热器的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。7河北工学院就板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2.2，单台换热器最大流量为2m82500。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hm/3C热面积为1600。APV公司换热器产品情况如表1-1：2表1-1APV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()2m半片外型尺寸长X宽(X)m单台最多板片数长管尺寸（）mSR11.030.0258570X21015038HMB0.690.341114X31818751SR351.550.341152X39241475R401.370.381150X445409102,127,152R552.060.521156X416362102R560.930.521156X416350102R1060.691.0781984X712427300R2350.832.22739X1107729400（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：最高工作压力2.5MPa；最高工作温度250；最大单台流量3600；总传热系数3500-7500hm/3；每台换热面积0.1-2200；最大接管尺寸450mm。2/WmK2（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1-2：表1-2GEAAHLBORN公司主要板式换热器技术特性9板片型号波纹型式外形尺寸长X宽(mm)单板换热面积（）2m最高工作压力()MPa最高工作温()C最大流量(hm/3)157一列弧形670X2500.09155159二列弧形1065X3300.29215Free-Flow161三列弧形0.54304P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1091X4240.801.625022080纵/横人字形1754X6100.811.6250500805纵/横人字形1194X6100.401.6250500130纵/横人字形2195X8101.281.625015001306纵/横人字形1635X8100.811.62501500Varitherm1309纵/横人字形2008X8101.411.62501500注：纵/横人字形，指有纵向人字形和横向人字形两种波纹板片。（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0.035、最大的单板换热面积为1.55。2m2m（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1-3：表1-3HISAKA公司板式换热器技术特性型号单位换处理量(最高工作最高工作最大单10热面积()2m)h/3压力(MPa)温度()C台换热面积()2mEX-10.157230.420015EX-150.3141401.220060EX-160.552401.2200150EX-110.714601.2200150水平平直波纹板片EX-120.88831.0200260UX-010.087361.52.02005UX-200.3751401.52.0200100UX-400.765401.51.8200250UX-601.1690011.3200500人字形波纹板片UX-801.70152011.32008001.4板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0.52的水平平直波纹板片的板式换热器，这2m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0.3，这对我国板式2m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；11（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。122.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、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。图2-1板式换热器的基本构造2.2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）12+MiiMNNmnmn13式中：、指从固定压紧板开始，甲流体侧流道数相等的流程数；1M2i、中的流道数；Ni12Mi、指从固定压紧板开始，乙流体侧流道数相等的流程数；1m2i、中的流道数。1n2i1m2i图2-2流程组合方式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。2.3框架型式板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14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，另外山于工作压力不高，又需经常拆卸清洗，所以常采用顶杆式。图2-3框架主要形式及螺栓压紧式板式换热器结构（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；1-轴（上导梁）；2-活动压紧板；3-板片；4-垫片；5-挂钩；6-固定压紧板；7-下导梁2.4板片选用板片是传热元件，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、前支杆可统称为板式换热器的框架；众多的板片、垫片可称为板15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：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。16图2-5人字角对传热的影响2.4.2混合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Hardplate)，小人字角的板片称为L板片(软板Softplate)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，其换热面积可减少2530%。17图2-6大人字角板片（H板）和小人字角板片（L板）以及三种组合的H、M、L流道示图图2-7H、M、L流道性能示图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。(1)便于装卸垫片的板片18(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密封垫片板式换热器的密封垫片是一个关键的零件。板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()将是换热面积()的68倍，超过了任何其它类型的换m2m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以下，最高不C150超过（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：20C抗张强度：5801Pa相对伸长：2%邵氏硬度：6:永久变形：0增减量：)15(压缩变形：19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。压缩石棉垫片360C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板片的材料代号2.6焊接式板式换热器2.6.1半焊式板式换热器半焊式板式换热器的结构是每两张波纹板焊接在一起，然后将它们组合在一起，彼此之间用垫片进行密封。焊接在一起的板间通道走压力较高的流体，用垫片密封的板间通道走压力较低的流体，所以这种板式换热器提高了其中一侧的工作压力。2.6.2全焊接式板式换热器为了使板式换热器适用于高温、高压下工作，将板片互相焊接在一起，在六十年代就有此类产品。ALFA-LAVAL公司生产的Lamalla板式换热器就是属于全焊接式板式换热器。但是这种结构制造困难，板片破损后也无法修复。3.板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板式换热器的技术参数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适用温度-20110-501500180-4010020250203.1板式换热器的主要优点（1）传热系数高管壳式换热器的结构，从强度方面看是很好的，但从换热角度看并不理想，因为流体在壳程中流动时存在着折流板壳体、折流板换热管、管束壳体之间的旁路。通过这些旁路的流体，并没有充分地参与换热。而板式换热器，不存在旁路，而板片的波纹能使流体在较小的流速下产生湍流。所以板式换热器有较高的传热系数，一般情况下是管壳式换热器的35倍，特别适用于迅速加热和迅速冷却的换热过程。板式换热器的板间流道，是一个截面多变、曲折的流道见。1-（图3）项目国外国内最大单板面积，2m4.752最大单台面积，22001000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3500750021图3-1人字形板片流道截面的变化示图（2）对数平均温差大在管壳式换热器中，两种流体分别在壳程和管程内流动，总体上是错流的流动方式。如果进一步分析，壳程为混合流动，管程是多股流动，所以对数平均温差都应采用修正系数。修正系数通常较小。流体在板式换热器内的流动，总体上是并流或逆流的流动方式，其温差修正系数一般大于0.8，通常为0.95。（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换热器的25倍，也不像管壳式换热器那样需要预留抽出管束的检修场地，因此实现同样的换热任务时，板式换热器的占地面积约为管壳式换热器的1/51/10。（4）板式换热器的板片厚度仅为0.40.8mm，管壳式换热器的换热管厚度为2.02.5mm；管壳式换热器的壳体比板式换热器的框架重得多。在完成同样的换热任务的情况下，板式换热器所需要的换热面积比管壳式换热器的小。（5）价格低在使用材料相同的前提下，因为框架所需要的材料较少，所以生产成本必然要比管壳式换热器低。（6）末端温差小22管壳式换热器，在壳程中流动的流体和换热面交错并绕流，还存在旁流，而板式换热器的冷、热流体在板式换热器内的流动平行于换热面，且无旁流，这样使得板式换热器的末端温差很小，对于水水换热可以低于1，而管壳式换热器大约为C5，这对于回收低温位的热能是很有利的。C（7）污垢系数低板式换热器的污垢系数比管壳式换热器的污垢系数小得多，其原因是流体的剧烈湍流，杂质不宜沉积；板间通道的流通死区小；不锈钢制造的换热面光滑、且腐蚀附着物少，以及清洗容易。（8）多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。（9）清洗方便板式换热器的压紧板卸掉后，即可松开板束，卸下板片，进行机械清洗。（10）容易改变换热面积或流程组合只需要增加（或减少）板片，即可达到需要增加（或减少）的换热面积。（11）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。（12）容量较小是管壳式换热器的10%20%。（13）不易结垢由于内部充分湍动，所以不易结垢，其结垢系数仅为管壳式换热器的1/31/10。3.2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1以上时，其工作压力往往低于2m2.5MPa。23（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250260。CC（3）固体介质板式换热器的板间通道很窄，一般为35mm，当换热介质中含有较大的固体颗粒或纤维物质，就容易堵塞板间通道。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。3.3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。表3-2板式换热器和管壳式换热器的比较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351设备重量比1310滞液体积小大占地面积125变更程数可以改变流程组合不能最高工作压力，MPa2.5决定于设计对含颗粒较差固体较差可以244.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设计和其它热交换器的设计一样，分为设计计算和校核计算。一般设计计算时，换热器的流程及尺寸都是待定值。介质的初温和终温、流量等则预先给定。此外，还给定最大许用压力损失(流动阻力)。有了这些基本数据以及流体的物理性能之后，就可建立每段(或一台)中流体的温度变化图，并按此算出乎均温差、平均温度和每一段中的热负荷。然后选择一种认为合适的板片，加热侧和被加热侧的雷诺数和努塞尔数进行设计。设计时先给定板间通道中流体的流速的一次近似值，于是可以根据选定的板型的准则方程式计算传热系数。根据热负荷、平均温差及传热系数就可算出需要的换热面积，依此而求出所需的板片一致。然后根据开始时所选的流速确定流体需要的总的通道横断面。这样，由板片尺寸就可确定每一组中所需的并联通道数和每一段中的组数。每一段中的组数和每一组中的板片数都应凑成整数。这样就可确定整个换热器中的流动系统。得到换热器设计的第一近似方案。有了第一方案的系统之后，就可以用相应的阻力系数和准则关系式计算出每一组和整台换热器的阻力损失，并与给定的压力损失作比较。如果所得的总阻力值超过许用的数值，则必须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，每一组中的板片数要增多，而总的组数则可能减少。新的结果再与许用阻力相比，如不合适就再重新计算，一直到满足为止。如果所得的阻力远低于给定值，这意味着换热的效能很差，这对应增加流体的流速，即换热器设计也须重新计算。上述方法是先作热力计算，然后定设备结构，最后进行阻力计算。用这种方法计算板式换热器的最大缺点是没有将热力计算和阻力计算直接联系起来；它是先假定一个流速而后进行计算。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。254.2.1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