板式换热器课程设计

1、武汉理工大学工程热力学与传热学课程设计说明书船舶柴油机高温淡水冷却器设计摘要：本文简要介绍了板式换热器的结构、优缺点、设计原理与设计依据，运用对数平 均温差法（LMTD设计了一款船舶柴油机高温淡水板式换热器，并对其进行热力和阻力校 核。关键词：板式换热器 对数平均温差板片流程污垢系数目录第1章板式换热器基本构造 31.1整体结构31.2流程组合方式41.3半片形式及其性能51.3.1常用形式.51.3.2特种形式.51.4密封垫片5第2章板式换热器的优缺点及应用 62.1优点62.2缺点72.3应用7第3章 板式换热器热力及相关计算 83.1确定总传热系数的途径 83.2总传热系数的计算 83

2、.3传热系数的计算113.4垢阻的确定11第4章 计算类型及工程设计一般原则 124.1计算的类型124.2工程设计、计算的一般原则 13第5章板式换热器热力计算实际应用 1520第1章板式换热器基本构造1.1整体结构板式换热器的结构相对丁板翅式换热器、壳管式换热器和歹0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，如图1-1所示：板片为传热元件，垫片为密封元件，垫片粘贴在板片的垫片槽内。粘贴好垫片的板片， 按一定的顺序（如图1-1所示，冷暖板片交义放置）置丁固定压紧板和活动压紧板之间， 用压紧螺柱将固定压紧板、板片、活动

3、压紧板夹紧。压紧板、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，并相问地进入板片之间的流体通道，进行热交换。图1-1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；而对丁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，这种结构没有活洗空间，活洗、检查时，板片不能

4、挂在导杆上，虽然这样的结构轻便简易，但对大型的、需经常活洗的板式换热器不太适用。对丁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。1.2流程组合方式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1-2a、b、c 是典型的排列方式）流程组合的表示方式为：MXNX + MaN2 +» + 区孔m1n1 + m2n2 + + 14式中：M, M, , M :从固定压紧板开始，甲流体侧流道数相等的流程数;N 1, N, , N : M, M, , M中的流道数；m 1, m, , m ：从固

5、定压紧板开始，乙流体侧流道数相等的流程数;n 1, ni : : m, m, , m中的流道数。图1-2典型的流程组合1.3板片形式及其性能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, 此外它乂承受两侧的压力差。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。1.3.1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。1.3.2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

6、片及 特殊的板式换热器。1:便丁装卸垫片的板片2:用丁冷凝器的板片3:用丁蒸发器的板片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1.4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(m)将是换热面积(m2)的68倍，超过了任何其它类型的换热器第2章板式换热器的优缺点及应用2.1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一壳体、折流板一换热管、管束一壳体之间的旁路。通过这

7、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。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丁 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

8、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:重量轻板式换热器的板片厚度仅为0.60.8mm,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丁换热面，且无旁流，这样使得板式换热器的末端温差很小，对丁水一水换热

9、可以低丁1C,而管壳式换热器大约为 5C,这对丁回收低温位的热能是很有利的。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 及活洗容易。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:活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，进行机械活洗。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。2.2缺点1:工作压力在2.5MPa以下板式换热器是靠垫片进行密封的，密封的周边

10、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击以上时，其工作压力往往低丁 2.5MP&2:工作温度在250 C以下板式换热器的工作温度决定丁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200C以下；用压缩石棉绒垫片（Caf）时，最高工作温度为250260C。3:不宜丁进行易堵塞通道的介质的换热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，或采用再生 冷却系统。2.3应用板式换热器早期只应用丁

11、牛奶高温灭菌、果汁加工、啤洒酿造等轻工业部门。随着制造技术的提高，出现了耐腐蚀的板片材料和耐温、 耐腐蚀的垫片材料，板片也逐渐大型化。 现代的板式换热器广泛地应用丁各种工业中， 进行液一液、气一液、汽一液，换热和蒸发、 冷凝等工艺过程。诸如：化学工业、食品工业、冶金工业、石油工业、电站、核电站、海洋石油平台、机械工业、污水处理、民用建筑工业等。第3章板式换热器热力及相关计算热力计算的目的在丁使所设计的换热器在服从传热方程式的基础撒谎能够满足热负 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。3.1确定总传热系数的途径在设计计算板式换热器时，总传热系数的确定可通过两条途径

12、：（一）选用经验公式有设计者根据经验或从有关参考书籍、有关性能测定的实验报告中，选用与工艺条件 相仿、设备类型类似的换热器的总传热系数值作为设计依据。表3-1列出了一般情况下板式换热器的总传热系数值。表3-1板式换热器的经验总传热系数K值物料水一水水蒸气一油冷水一油油油气一水K(W/m2. C)280046508709304005801753502858（二）计算确定在设计计算中，常常需要知道比较准确的总传热系数值，这可以通过总传热系数的计 算确定。但由丁计算传热系数的公式有一定误差及污垢热阻也不容易准确估计等原因，计 算得到的总传热系数值与实际情况也会有出入。3.2总传热系数的计算（一）由热

13、阻关系求解在板式换热器中，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1/仇，污垢层热阻Rsi,板片热阻a/,入板片冷侧流体传热热阻1/a, 污垢层热阻Rs2。它们之和即为总热阻，总热阻的倒数也就是总传热系数，故其计算式为：K=（£+RZ；+Rq+S）（二）由传热方程求解传热的基本方程式为Q=K t m由此可求得总传热系数K=Q/(AA tm)。1:换热量Q的计算换热量Q的计算可根据具体情况，分别在下列各式中选用:单相流体的吸、放热Q=qmCp(t -t )或Q=qm(i -i )2：平均温差 m的求解平均温差m的求解通常采用修正逆流情况下对数平均温

14、差 m的办法，即先按逆流考虑再进行修正: m=小 Aim按逆流考虑时的对数平均温差为式中Atfax、Mmm 分别为逆流时端部温差中的最大值和最小值。修正系数小随冷、热流体的相对流动方向的不同组合而异，在申联、并联或混联时可 分别由图2-4、图2-5来确定：(也可以采用由Marriott实验求得的修正系数，见图2-6)图2-4串联时，板式换热器的温差修正系数板式挽热器愁力计算及分析图(24 )板数板式换热器热方计尊及分析(S12-5 )图2-6 NTU法板式换热器的温差修正系数如果流体的温度沿传热面的变化不太大，例如当 此心/加芸2时，可采用算术平均 温差代替对数平均温差，即:采用上式计算出的平

15、均温差与采用对数平均温差计算的结果相比较，其误差在二4%范 围之内，这在工程计算上是允许的。3：流体比热容或传热系数变化时的平均温差当流体的比热容不随温度变化时，流体温度的变化与吸收或放出的热量成正比，即成 线性关系当流体的比热容变化不大时，可取某一温度时的比热容作为平均比热容。如果在设计 的温度范围内，比热容随温度的变化显著（大丁 23倍），则用对数平均温差的误差很大, 应改用积分平均温差。4:换热面积A的计算在板式换热器的计算中，换热面积A应采用有效换热面积（Ao为单板的有效换热面积, Ae为总的有效换热面积，Ne为总的有效传热板片数）Ae=NeAo3.3传热系数的计算对流传热系数流体在板

16、式换热器的通道中流动时，在湍流条件下，通常用下面的关联式计算流体沿整个流程的平均对流传热系数UfNuf = CRef Pr1在计算Re数值时，所米用的当量直径de应该按下式计算4Afl d = e S式中As一通道截面积（m2）； S一参与传热的周边长（m）。在一般情况下，常用下式计算当量直径4Ab 4bdd. - < = 26* S 2b式中b一板间的通道宽度（m） ； S一板间距（m）。对丁某些特殊结构的板式换热器，板片两侧的通道截面积并不相同（称为非对称型结 构），这是两侧的当量直径应分别计算。3.4垢阻的确定投入运行的板式换热器都将因与流体的接触而在板片上结垢。由丁垢层的导热都比

17、较 差，所以污垢的形成即使其厚度很薄，也对传热会有较大的削弱，特别是在结垢严重，导 致通道部分被堵塞的情况下将会使传热大大的恶化。为了衡量污垢对传热的影响，常用污 垢热阻Rs或其倒数一污垢系数 免来度量，即Ss_ 1K %污垢热阻的大小和流体种类、流体流速、运行温度、流道结构、传热表面状况、传热 面材料等多种因素有关。污垢在传热面上沉积速率一般都是先积垢较快，而后较慢，最后 趋向丁某一稳定数。由丁板式换热器中的高端流度、一方面可使污垢的聚集量减小，同时还起到冲刷活洗 作用，所以板式换热器中垢层一般都比较薄。美国传热研究公司对水冷却塔所用的板式和 管壳式换热器结垢的实验研究表明，板式换热器的污垢

18、热阻不到管壳式的一半。板式换热 器中的具体污垢热阻值，详见表 2-2所示：表2-2板式换热器中的污垢热阻值液体名称污垢热阻(m2. C /W)液体名称污垢热阻(m2. C /W)软水或烝储水0.000009机器夹套水0.000052城市用软水0.000017润滑油水0.000009-0.000043城市用硬水（加热时）0.000043植物油0.000007-0.000052处理过的冷却水0.000034有机溶剂0.000009-0.000026沿海海水或港湾水0.000043水蒸气0.000009大洋的海水0.000026工艺流体、一般流体0.000009-0.000052河水、运河水0.00

19、0043第4章 计算类型及工程设计一般原则4.1计算的类型1：设计计算通常，两侧流体的流量及四个进、出口温度中的任意三个已给定，要求计算出在满足 一定压力限制条件下的有效传热面积与流程、通道排列组合方式。2:校核计算与设计计算相反，换热面积以及流道布置都已经已知的，而且冷、热流体的流量以及 进出口温度也为已知值，要求核算在该通道布置方案下，流体出口温度能否达到预定目标 及压力降是否满足要求值。对丁上述的两种不同类型的计算所依据的基本原理是完全一致的，但是他们在计算方 法或步骤上存在着很大的差别。事实上，在作某一换热场合的工程设计的时候，往往需要 两种类型的计算均要用到。即先用设计计算算法求出换

20、热面积与通道布置，再利用校核计 算程序核定这个面积与布置是否完成预定的换热任务。4.2 工程设计、计算的一般原则在设计、计算一台换热器的时候，应分析其设计压力、涉及温度、介质特性、经济性 等因素，并和其他换热器设备进行一定程度上的比较（如：板式换热器与管壳式换热器的 一般比较）。确定采用板式换热器后，具体的设计计算的原则为下面几个方面：（一）选择板片的波纹型式板片的波纹型式只要有人字形波纹和水平平直波纹两种。人字形波纹板的承压能力可 高丁 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丁水平平直波纹板片。选择板片的波纹型式，主要考虑

21、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，乂特别要求阻力降低，则选用水平平直波纹板 片较好一些；如果由丁安装位置所限，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。（二）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 3-3。表

22、3-3单台最大处理量参考值单板面积（宿）0.10.20.30.50.81.02.0角孔直径（mm4050658080100125150175200200250400单台取大流通能力（m/h）274271.413710317026438152067867810602500（三）流速的选取流体在板间的流速，影响换热性能和流体的压力降，流速高虽然换热系数高，但是流 体的阻力降也增大；反之的情况则相反。一般板问平均流速为0.20.8m/s （主流线上的流速要比平均值高45倍）。流速低丁 0.2m/s时流体就达不到湍流状态且会形成较大的死角 区，流速过高则会导致阻力降剧增。具体设计时，可以先确定一个流速

23、，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。（四）流程的选取对丁一般对称型流道的板式换热器，两流体的体积流量大致相当时，应尽可能按等程 布置；如果两侧流量相差悬殊时，则流量小的一侧可采取多流程布置。相变板式换热器的 相变一侧一般均为单程。多程换热器，除非特殊的需要，一般对同一流体在各程中应采取 相同的流道数。在给定的总允许压降下，多程布置使每一程对应的允许压降变小，迫使流速降低，对换热不利。此外，不等程的多程布置是平均传热温差减小的重要原因之一，应尽可能避免。（近年来国产的板式换热器出现了非对称通道的板式换热器，国外则采取“热混合”的板片组合方式，即允许热量一流量一

24、压降三者之间的不匹配的问题，同时节省换热面积）（五）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丁纯逆流时。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，但由丁这时牙尖 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。（六）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

25、而定， 流速的高低受制丁允许压降， 在可能的最大流速以内，并联流道数目取决丁流量的大小。（七）选择半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（见表1-4）。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，在辅以增加板片厚度或防腐处理来延长板片的使用寿命。(八) 垫片材料的选择所选择垫片的材料主要考虑耐温和耐腐蚀两个因素。(九) 其他1:板式换热器一般不适用丁气体的热交换。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。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

26、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。第5章板式换热器热力计算实际应用初始条件：(1) 高温淡水进口水温为：83C；(2) 高温淡水出口水温为：60C；(3) 高温冷却淡水流量为：55nVh ;(4) 低温淡水进口水温为：35C；(5) 低温淡水出口水温为：55C；(6) 允许最大压力降：0.1Mpa；(7) 冷却器结构类型：板式换热器。热水的平均温度为：(83+60)/2=71.5 C物

27、性参数为：密度；h = 976.9kg/ m3比热容 Cph = 4.188kJ/(kg- K)运动粘度 vh = 0.408 X 10* m2/s热导率-h = 0.669 W/(m K)普朗特数Prh=2.50冷却水的平均温度为：(35+55) /2=45 C物性参数为：密度：c = 990.15kg/m3比热容 Cpc = 4.174kJ/(kg- K)运动粘度 vc =0.607 X 10-6 m2/s c热导率，c = 0. 642 W/(m K)普朗特数Prc=3.93(1)计算热负荷Q = RVhCph (垢-虹)=976.9 X 55- 3600X4.188 X (83-60)

28、= 1438KJ(2)计算对数平均温差及冷却水流量取修正系数W = 0.942 ,=中 史3 =0.942 X (83-55)-(60 -35) =24.9 Cln(Lt/_t2)ln(83 - 55) / (60 -35)根据热负荷计算冷却水流量：Gc=Q =1438 3600=62012kg/hCpc(tco-tci)4.174 (55 -35)(3) 初选产品型号及板型根据流量，取管问流速v = 4m/s ,计算换热器角孔通径4Vhd=，3600兀、U55'，3600 兀 4=0.07m选用通用性较强的人字形波纹。初选型号为BR0.3的板式换热器，单片面积As=0.27m2 ,通

29、径为d=100mm当量直径为de=0.008m,流道截面积为f =1.26 x 10-3 m2,板 片厚度取a = 0.6mmo准则方程为:Nuh =0.2288Rei°.6461 Prh°.3( 3700<Re<12000)Nuc =0.2288Re ；6461 Pr；4 ( 2600<Re<8000)-°.°3°2Euh =54R&(3700<Re<12000)重新计算管问流速:Vc都在可接受的范围内。EucVh-0.1817=199Re c4Vh3600二d24Gcc(2600<Re<

30、;8000)4 55 2 =1.95m/s 3600 3.14 0.124 620122 2 =2.22m/s3600"二d23600 990.15 3.14 0.12(4)计算板间流速 2根据经验以及BR0.3型板式换热器的特性，预估换热系数 K0=3000 W/(m - K)。对一般人 字形波纹，可预估 K值为30003500 W/(mf - K)换热面积估算为：1438 103 =18.1 m23000 26.5换热板片数量为:A0AS18.1680.27预选流程组合为 空，校核板间流速:1 3455=；=0.36m / s3600fn 3600 1.26 1034Gc3600

31、 ；c fnc620123= 0.41m/s3600 990.15 1.26 1034(5)计算雷诺数Reh'hdeRec-h cde0.36 0.008 .百=70590.408 100.41 0.008 八 6 = 54040.607 10均在准则方程适用范围内。(6) 计算努塞尔数Nuh =0.2288Reh°.6461 Pf3 =0.2288 70590.6461 2.50.3 =92Nuc =0.2288Rec°.6461 P/' =0.2288 54040.6461 3.930.4 =102(7) 计算传热系数NUh h92 0.6692 i八=7694W/ (m K)de0.008Nuc c 102 0.642de2= 8186W/(m2 .K) 0.008(8)计算总换热系数取冷热两侧污垢热阻和为 R =0.52X10-4 m - K/W,K =10.6 10+16.876941'410.52 108186= 2943W/(