板式换热器设计ppt课件

1、板式换热器设计板式换热器设计 一、绪论一、绪论二、板式换热器的根本构造二、板式换热器的根本构造三、流动与传热机理三、流动与传热机理四、板式换热器的传热计算与压降计算四、板式换热器的传热计算与压降计算五、板式换热器的热力计算五、板式换热器的热力计算本章主要内容本章主要内容本章的学习目的本章的学习目的1了解板式换热器的根本构造了解板式换热器的根本构造2运用传热根本公式对板式换热器进展设计计算运用传热根本公式对板式换热器进展设计计算v板式换热器是一种新型、高效、紧凑的热交换器。v具有传热系数高。对数平均温差大、占地面积小、质量轻、价钱低、清洗方便、很容易改动换热面积或流程组合等优点。v板式换热器的开

2、展比较快，其性能也越来越高，目前板式换热器的最高压力达28MPa，最高操作温度达360。在压力和温度不太高的换热场所，板式换热器已逐渐替代管壳式换热器。v广泛运用于食品、化工、机械、能源等行业。 2-1 绪论绪论1 概述概述2 优缺陷优缺陷1优点传热系数高对数平均温差大占地面积小分量轻价钱低末端温差小污垢系数低多种介质换热清洗方便容易改动换热面积或流程组合2 缺陷任务压力不高任务温度不高不宜于进展易堵塞通道的介质的换热 主要特点：主要特点： 板片波纹的设计以高度的薄膜导热系数为目的，板板片波纹的设计以高度的薄膜导热系数为目的，板片波纹所构成的特殊流道片波纹所构成的特殊流道( (见图见图) )使

3、流体在极低的流速使流体在极低的流速下即可发生剧烈的扰动流下即可发生剧烈的扰动流( (湍流湍流),),扰动流又有自净效应扰动流又有自净效应以防止污垢生成，因此传热效率很高。以防止污垢生成，因此传热效率很高。 普通地说,板式换热器的传热系数K值在30006000W/m2 范围内。这就阐明，板式换热器只需求管壳式换热器面积的1/21/4 即可到达同样的换热效果。 图2-1 流道图 3 工业运用工业运用化学工业化学工业 制造氧化钛中冷却和蒸发，酒精发制造氧化钛中冷却和蒸发，酒精发酵，冷却甲醛、磷酸，合成氨，电解制碱等。酵，冷却甲醛、磷酸，合成氨，电解制碱等。建筑工业建筑工业 集中供热的热交换，空调系统

4、的冷却集中供热的热交换，空调系统的冷却交换，加热生活用水，地热利用热交换等。交换，加热生活用水，地热利用热交换等。冶金、钢铁工业冶金、钢铁工业 冷却淬火油，减速机光滑油，冷却淬火油，减速机光滑油，轧机和拉丝机油、铝酸盐母液冷却。轧机和拉丝机油、铝酸盐母液冷却。机械、汽车工业机械、汽车工业 各种淬火液冷却，冷却机械光各种淬火液冷却，冷却机械光滑液，加热或冷却镀铬液。滑液，加热或冷却镀铬液。食品工业食品工业 制造谷氨酸钠，制盐和乳制品，酱、制造谷氨酸钠，制盐和乳制品，酱、醋减菌和冷却，啤酒消费中麦芽液加热，灭菌、醋减菌和冷却，啤酒消费中麦芽液加热，灭菌、冷却等。冷却等。纺织、印染工业纺织、印染工业

5、 水洗、染色、洗毛机等废热利水洗、染色、洗毛机等废热利用，冷却碱液、醋液和醋酸酐等。用，冷却碱液、醋液和醋酸酐等。造纸工业造纸工业 冷却黑水、苛性碱水溶液、纸浆排液，漂冷却黑水、苛性碱水溶液、纸浆排液，漂白液加热和冷却，各种废液余热回收等。白液加热和冷却，各种废液余热回收等。人造纤维工业人造纤维工业 冷却加热粘胶液氨水及各种溶剂，加冷却加热粘胶液氨水及各种溶剂，加热内酰胺水溶液、氨水等，各种余热回收等。热内酰胺水溶液、氨水等，各种余热回收等。医药工业医药工业 冷却酵母、丁醇、丁二醇、醋酸丁酯，抗冷却酵母、丁醇、丁二醇、醋酸丁酯，抗生素消费中加热、灭菌、冷却，各种余热回收等。生素消费中加热、灭菌

6、、冷却，各种余热回收等。油脂工业油脂工业 冷却甘油、乳化油、植物油，加热、冷却冷却甘油、乳化油、植物油，加热、冷却合成洗涤剂，加热鲸油等。合成洗涤剂，加热鲸油等。电力工业电力工业 发电机轴泵油、变压器油冷却。发电机轴泵油、变压器油冷却。船舶船舶 冷却活塞水、缸套水、光滑油等，海水淡化系冷却活塞水、缸套水、光滑油等，海水淡化系统等。统等。金属电镀工业金属电镀工业 加热电镀液，冷却电解液，氧化铝过加热电镀液，冷却电解液，氧化铝过程冷却酸溶液等。程冷却酸溶液等。 2-2 板式换热器的根本构造板式换热器的根本构造板式换热器的构造比较简单组成部分为：板片、密封垫片、固定压紧板、活动压紧板、压紧螺柱和螺母

7、、上下导杆、前支柱等零部件。如图1所示。1 整体构造整体构造 图2-2 板式换热器构造图 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，按一定的顺序置于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、活动压紧板夹紧。压紧板、导杆、压紧安装、前支柱统称为板式换热器的框架。按一定规律陈列的一切板片，称为板束。在压紧后，相邻的触点相互接触，使板片间坚持一定的间隙，构成流体的通道。换热介质从固定压紧板、活动压紧板上的接纳中出入，并相间地进入板片之间地流体通道，进展换热。图2-3 板式换热器实物图v板式换热器有不同的框架方式A 框架夹板加紧式 最普通，装配和清洗都

8、很方便。 B 简单夹紧式 构造轻便，清洗、检查不方便。C 顶压夹紧式 装配方便，任务压力不高。v对于要进展两种及两种以上介质的换热，可在板片中间可设置隔板。v双框架构造可以节约占地面积A 左右各设置一个固定压紧板，中间设置两个活动压紧板；B 左右各设置一个活动压紧板，中间共用一个活动压紧板；2 流程组合流程组合根据工艺需求，可将板式换热器假设干流道并联成一组，又将并联的组串联在一同，构成冷热介质的通道，这叫做板式换热器的流程组合。流程数为1的流程组合称之为单流程；程数为2以上的流程组合，称之为多流程。最简单的流程组合是“Z形和“U形。在多数场所，采用混合的流程组合型式。1流程组合的表达方式1

9、1111 1222222iiiim nm nm nm nm nm n111222,iim mm m mm111222,iin nnnnn：从固定压紧板开场顺序为 ,i热侧及冷侧流道数一样的流程数；：相应于 111222,iim mm m mm一个流程内的流道数。 例如：2315111 即是一个多流程组合表示：甲：三个流道有二程，五个流道有一程乙：十一个流道有一程 冷热流体在通道中交错流动，流动方式近似于全逆流。 流动的方式可以根据不同的工艺要求进展组合。单程、双程、多程均可，使之到达最正确换热效果。图2-4(a) 单程流动 图2-4(b) 多程流动2组合方式分类组合方式分类a串联流程串联流程b

10、并联流程并联流程c混联流程混联流程3流体在板片间的流动分类如图流体在板片间的流动分类如图2所示所示a单边流单边流b对角流对角流并联流程混联流程图2-5(a) 并联流程图2-5(b)混联流程图2-6(a) 单边流图2-6(b) 对角流板式换热器有各种各样的流程组合，根据实践操作的需求设计和选用，而流程的选用和设计是根据板式换热器的传热方程和流体阻力进展计算的。A) 流体的流动可以是串联，并联和混联。B) 流程可以是单流程或多流程，两流体的流程数可以 相等或不相等。C) 两流体的流程中通道数不一定要相等 4流程组合的选择流程组合的选择3 板片型式板片型式1板片的分类板片的分类板片是板式换热器的中心

11、元件，常用型式有：板片是板式换热器的中心元件，常用型式有：A 按波纹的几何外形分按波纹的几何外形分程度平直波纹程度平直波纹人字形波纹人字形波纹斜波纹斜波纹B 按流体在板间的流动形貌分按流体在板间的流动形貌分管状流动的波纹板片管状流动的波纹板片带状流动的波纹板片带状流动的波纹板片网状流动的波纹板片网状流动的波纹板片图2-7 板片及密封垫片的放大图2各种特殊方式的板片各种特殊方式的板片便于装卸垫片的板片 用楔入法把垫片装在板片上用于冷凝器的板片 板片通气体的角孔特别大，波纹节 距也较大用于蒸发器的板片 与普通板片的构造完全不同，每四片为一组，靠不同外形的垫片引导介质的流向板管式板片 流道呈蜂窝状，

12、一个通道较大另一个较小双层板片 由两层板压合在一同，用于两种换热介质绝对不能混合的场所石磨资料板片 可用于强腐蚀介质的换热宽窄通道的板片 “孪生板片，相邻板间通道一宽一窄图2-8(a)半焊接式板片图2-8(b)双层板片图2-8(c)石磨资料板片图2-8(d)大间隙板片衡量波纹板片性能优劣的主要参数：传热效率、流体阻力和承压才干。人字形波纹板片的性能优于程度平直波纹板片。研讨发现人字型波纹板片上的人字角对换热效率、流体阻力都有明显的影响。人字角大，换热效率高、流体阻力大，称为硬板片H板片；反之，称为软板片L板片。同一外形尺寸、同一垫片尺寸，仅人字角的板片称为“孪生板片采用混合通道HH和HL、或H

13、L和LL等更能使板式换热器的设计到达优化。3板片资料板片资料 板片资料的选择，除了思索成形时所必需的资料韧性外，更重要的是思索资料抗介质腐蚀的才干。资料称号耐酸耐热不锈钢工业纯钛纯镍哈氏合金高镍铬合金资料牌号SUS304 SUS316LTA-1ANbHastellogB HastellogCRS-2用 途中性介质及弱酸弱碱溶液顺应腐蚀较强的场所顺应于强酸强碱和有氯离子腐蚀场所强酸 强碱硫酸换热板片主要资料4密封垫片密封垫片密封垫片是板式换热器的一个关键零件。垫片能接受的温度即板式换热器的任务温度；任务压力也受垫片的制约。材 料运用温度 适用介质三元乙丙胶-50150水、水蒸汽、弱酸、碱、醇类丁

14、晴胶-20110水、水蒸汽、植物油、光滑油、矿物油食品胶同其它胶种水、水蒸汽、奶、饮料、啤酒、食用油氟橡胶0180无机酸、矿物油、水、水蒸汽氯丁胶-40100氨、弱酸、弱碱密封垫片主要资料4 板式换热器系列型号表示方法板式换热器系列型号表示方法1 流动情况及流态流动情况及流态 板式换热器中的流道外形是复杂的，沿流体流动方向的断面外形不断地呈周期性变化。 在很低的雷诺数下构成湍流。 不同板型将使板片间通道中流体的流动产生显著的差别。 人字形板片：网状三维流动 程度平直波纹板片：二维流动 同种板型，波纹构造参数不同会使流动情况不同。 流体进出板片角孔的位置及板片尺寸的长宽比、流程组合都会影响板间流

15、体的流动。 2-3 流动与传热机理流动与传热机理2 传热过程传热过程板式换热器中冷热流体之间的换热普统统过以下过程来完成。1流体对流换热热量的传送一方面靠流体质点的不断运动的混合，即对流作用；另一方面依托由于流体和壁以及流体各处存在温差而呵斥的导热左右，这种对流和导热同时存在的过程称为对流换热。影响对流换热的要素有很多，如流体的物性，换热器外表外形、大小，流体的流动方式等。对流换热量的计算公式wfQttAwfqtt或2相变换热相变换热A凝结换热 蒸汽和低于相应压力下饱和温度的壁面相接触，蒸汽就会释放出气化潜热而在壁面上凝结成液体，这种景象称为凝结换热。 蒸汽的流速，流动方向，压力对凝结换热都有

16、影响。 在板式换热器中，蒸汽的流动方向宜于自上而下，并且应单程布置，以便减小压降和有利于凝液的排除。 板式换热器中冷却介质与蒸汽相对流动方向的不同影响到凝结过程的不同： 逆流时，蒸汽凝结大部分发生在下部。 顺流时，蒸汽凝结大部分发生在上部。优先思索顺流布置 凝结换热量的计算公式：cwfqttB沸腾换热 液体在受热情况下产生的沸腾或蒸发吸热过程，称为沸腾传热。 在板式换热器中内所发生的沸腾过程与流体在垂直管内流动时的沸腾情况根本一样。 饱和沸腾换热量的计算公式：bwfqttC板片及垢层的导热 由于板片及垢层的厚度与板面尺寸相比很小，导热过程可以为是沿厚度方向的一维导热。导热量的计算公式如下：12

17、wwppttq1111swsttq2122wssttq，及1 传热计算传热计算 2-4 板式换热器的传热计算与压降计算板式换热器的传热计算与压降计算 传热计算的目的在于使所设计的换热器在服从传热方程式的根底上满足热负荷所应具有的换热面积。 传热计算包括传热系数、总传热系数、平均温差及换热面积等的计算。1换热量换热量Q的计算的计算传热的根本方程式： 单相流 变相流mQKA t( )mpQq cttmQq xr( )mQq ii()mQq x ii或或热平衡方程式2平均温差的计算平均温差的计算mlmtt maxminmaxminlnlmttttt 平均温差 的通常采用修正逆流情况下对数平均温差 的

18、方法来求解。mtlmt 修正系数 随冷热流体的相对流动方向的不同组合而取不同的值。当流体的温度沿传热面变化不大时，maxmin12mttt3传热系数的计算传热系数的计算 根据 ， ， ，只需求出Nu即可得到传热系数的值。 feNud4seAdSReevd一对流传热系数 流体在板式换热器的通道中，湍流条件下，通常用如下关联式： 思索粘度的影响时，关联式：0.260.43PrR ePrPrfnfffwN uC 层流时，关联式：RePrzfefffwdNuCLR eP rnmfffN uC 式中系数和各指数的范围为： 0.15 0.40.65 0.85 0.3 0.450.05 0.2Cnmz；二凝

19、结传热系数 板式冷凝器复杂的通道构造，使其中的蒸汽流动凝结换热过程很复杂，影响要素有很多，其凝结换热计算式还有待于进一步讨论。 天津大学提出的计算式思索要素比较全面：0.33Re() Pr()npllvNuCHRe(1)elsoldGxpcpH()3() 8pvvsatplsatwcTTcTT(1 0.68)pcp r 上海交通大学思索了板片两侧的温度差，又对 做了修正。三沸腾传热系数 尾花英朗所引荐的Chen J.C求解沸腾传热系数的计算式为：baSaa式中：S核沸腾影响系数；泡状流区时S=1； 块状及气塞状区流时0S1； 环状流区时S=0; 池沸腾传热系数； 两相流强迫对流传热系数；aa0

20、.790.450.460.50.20122lplllvcRatp式中： 外表张力； R换算系数，等于9.8； 对应于 的蒸汽压差pwsttt 对于泡状流、块状流、气塞状流及环状流区：23R ePrlllead式中： 修正系数，可查图确定； 对于雾状流区时；0.10.841 / 30.0162R ePr1vvveaxd其实，在板式换热器内的整个沸腾传热中，难以确定其中每个两相流区域段的长度和相应参数，因此实践运用这些计算式是困难的。v Y-Y.Yan和T-.Lin对竖直放置的板式换热器做了详尽的实验,并由此得出了雷诺数处于2000

21、10000范围内的换热系数计算关联式。 0.51 26PrRe1lleqeqvNuBoXX式中：ReeqheqlG DweqeqqBoG0.51leqvGGXXv 本式在计算Nu的过程中用到了换热器的换热量 ，因此要先假设做试算。 wq4垢阻确实定垢阻确实定 垢层的导热性能都比较差，为了衡量污垢对传热的影响，常用污垢热阻 或其倒数污垢系数 来度量，即 垢阻热阻的大小和流体种类、流体流速、运转温度、流道构造、传热外表情况、传热面资料等多种要素有关。 研讨阐明板式换热器的污垢热阻不到管壳式的一半。J.Marriott提供了板式换热器中的详细污垢热阻值 ，可供参考。sRs1sss

22、sR5壁温确实定壁温确实定 在计算板式换热器的液体对流传热系数、凝结传热系数及沸腾传热系数时，为了确定液体的粘度或温差，都必需知道板片的外表温度。 壁温的计算需先假定一个壁温，试算后校核。 详细步骤如下：假定一侧壁温由准那么关系式求该侧传热系数由式 计算该侧单位面积上的换热量根据壁的热阻RW用 计算另一侧的壁温由准那么关联式求得另一侧传热系数计算另一侧的单位面积换热量1wt11111wqtt211wwwttq R2wt22222wqtt假设 ，那么假定壁温正确，反之，那么应重新假定壁温再行计算，直到满足要求。 12qq6总传热系数的计算总传热系数的计算板式换热器中，热量从高温流体传向低温流体的

23、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侧流体传热热阻污垢层热阻111sR 212sR1211211()ssKRR如板片外表涂有防腐涂层，还需思索涂层热阻。7换热面积计算换热面积计算1平均温差法根据传热的根本方程式，可求得所需换热面积。2传热单元数法 传热单元的NTU的定义式如下：mQAK t11KANTUC1212KANTUNTUC或式中：C1、C2分别为热、冷流体的热容量； 传热单元数的大小和温度效率 及两换热流体的热容 量 之比有关。 温度效率 是指参与换热的任一流体的温度变化与冷热流体的进出口温度差之比，即11112tttt2121 112tttt 或

24、相应的热容比 为112CC22111CC或 查与所选通道布置相对应的 线图或者计算式，得到NTU值，从而求得换热面积。NTU无论运用平均温差法还是NTU法，计算换热面积都要先设定一个流程组合，假设计算所得的换热面积和该流程的换热面积相等或稍小时即能满足工况要求，否那么应重新设定一个新的流程组合重新计算，直到满足工况为止。2 流动阻力计算流动阻力计算a单相流 单相流体在板式换热器的压降主要来自摩擦阻力， 即流道压降，其次还有角孔压降等。 b两相流 汽液两相流体流动时，产生的阻力除摩擦阻力、 部分阻力外，还有加速阻力和重力阻力。2流阻的计算流体流过一台板式换热器的总阻力为经过进出口接纳、进出口分配

25、管、角孔、板间通道等处的各种流动阻力之和。1流阻的构成流阻的构成常用的流阻计算式有准数关联式和含摩擦系数的计算式。1欧拉关系式2含摩擦系数的关系式a液液型板式换热器RedEubm2Redpbm w b系数m流程数d指数负值ppp 一台板式换热器的压降由角孔压降和流道压降组成。A流道压降式中： f摩擦系数，可从图查取，也可用 计算； L流道长度 ，按平面长度乘以波纹展开系数计算； 20.172()ewLpfw mdRenffCpB角孔压降式中：n 指一个程中的通道数；p2()(1)2100wnpmfb汽液型板式换热器1液侧压降2汽侧压降 A摩擦阻力式中： 摩阻分液相表观系数；可查图或用L-M关系

26、式求解。2Redpbm w 2()()ftpfllpp l54221nlXn-522(1)()42fllleL Gxpfd式中： 指仅液相单独流过同一管道时的摩擦阻力；()flp式中：X马丁尼利参数；nn值由实验室指定；2flfvdpdzXdpdz2flfvpXp取平均值22()2fvvveL G xpfd 式中：液体和蒸汽沿程摩擦系数 、 可由摩擦系数f与Re关系式求取。lfvfRedfb系数b和指数d应针对详细板型经过实验确定。对于两相流动在光滑管中流动，可对 简化计算，假设其摩擦系数和单液相、单气相流过一样管径的摩擦系数一样，那么式中：C值与流体有关，普通由实验确定；可以先计算Re值判别

27、流态，然后查C值表求得。B总阻力l2211lCXX 在各项阻力中，主要是摩擦阻力，加速及重力阻力很小，部分阻力约为总阻力的1015，因此，()(1.1 1.6)()tpftppp4 4 板式换热器的热力计算板式换热器的热力计算v 换热器热计算分两种情况：设计计算和校核计算v (1)设计计算：设计一个新的换热器，以确定所需的换热面积。v 校核计算：对已有或已选定了换热面积的换热器，在非设计工况条件下，核算他能否胜任规定的新义务。v换热器的热计算有两种方法：平均温差法 v 效能-传热单元数(-NTU)法4.1 工程设计的普通原那工程设计的普通原那么么选择板片的波纹型式选择板片的波纹型式主要思索板式换热器的任务压力、流体的压力降主要思索板式换热器的任务压力、流体的压力降和传热系数。和传热系数。 如任务压力在如任务压力在1.6MPa以上，采用人字形波纹板片；以上，采用人字形波纹板片； 如任务压力不高又特别要求阻力降低，选用程度如任务压力不高又特别要求阻力降低，选用程