【《板式换热器的初步设计》14000字】

板式换热器的初步设计目录TOC\o"1-3"\h\u23968第1章绪论 2261601.1课题背景 2140351.2板式换热器概述 345781.2.1基本结构 3138181.2.2板式换热器的应用 354631.2.3板式换热器工作原理 446121.2.4板式换热器的流程组合 447681.2.5板式换热器的性能特点 561681.3国内外对板式换热器的研究 5287301.3.1国外的研究 5294161.3.2国内对板式换热器的研究 6152501.4板式换热器设计过程中需注意的问题及优化的意义 7229491.4.1设计过程中需注意的问题 763111.4.2优化的意义 9193581.5设计内容及方法介绍 9285911.5.1设计内容 9260641.5.2方法介绍 920709第2章板式换热器热力计算原理 1325392.1板式换热器的传热特性及实验关联式 1320402.2板式换热器的阻力特性及实验关联式 1527202.3设计计算公式 16255172.3.1传热基本方程式 16284612.3.2换热热流量计算式 1770762.3.3总传热系数计算式 17124232.3.4传热面积计算式 18198302.3.5传热平均温差Δtm计算式 1893612.4设计计算步骤 194987第3章软件功能介绍 19123473.1HTRI主页面 1928063.2HTRI可设计的换热器类型 20244543.3HTRI主功能介绍 2032003.3.1Input界面 21150413.3.2Reports界面 24125173.3.3Graphs界面 24108663.3.4Drawings界面 25199223.3.5Frames-in-series界面 2619943.3.6Design界面 2612548第4章板式换热器的设计 2796354.1板式换热器的设计过程 27219724.1.1参数的确定 27159394.1.2初步设计的结果 32287664.1.3流道内参数变化 34216404.2改变参数对板式换热器性能的影响 36170364.2.1改变人字形角对换热性能的影响 36192404.2.2改变板间距对换热性能的影响 3848134.3本章小结 3919233第5章总结与展望 3964735.1总结 4068095.2展望 408129参考文献 40第1章绪论课题背景近年来,我国的综合国力不断提高,在国际上起着重要的作用,随着经济的高速发展,对能源的需求也不断增加,在能源利用的过程中避免不了能源的浪费。特别是在工业领域,我国的大部分能耗都用于工业领域,大约占总能耗的70%,同时工业余热回收效率也仅为30%[1-2]。工厂有许多能量都成为废热排出去了,这造成了大量的能源浪费,也对环境造成了不同程度的破坏。节能和控制污染物排放不仅对我国的经济结构调整和变化起着重要作用,还对我国自然环境保护起到积极作用,有利于改善国民的生活环境,因此,必须减少能源的浪费,提高工业余热回收效率。板式换热器有许多优点,如总传热系数高、换热好、占地面积小、结构紧凑、易检修和拆卸等,被广泛运用于许多领域。当然,在废水余热回收领域,板式换热器也大放异彩,为提高能量利用率做出了巨大贡献。板式换热器概述基本结构由大量金属板按一定顺序重叠在一起的换热器即为板式换热器,板面上有大量的波纹,一般为平直线的或人字形的,二者性能不同。随着板式换热器的发展,出现了许多新的波纹形状。图1-1为板式换热器的结构图。板片的厚度有相应的要求,一般由工作压力决定,不同的压力对应不同的厚度,目前较为常见的板片厚度一般在0.6mm到0.8mm的范围内。板片在工作时需承受流体压力,过薄的板片长期处于高压下会发生形变导致破坏,使用周期较短,造成不必要的资源浪费,因此不允许板片过薄。波纹板片在设计制造时,留有安装非金属材质密封垫片的空间,对流体进行密封处理,防止流体发生泄漏和窜液。不同的换热要求和阻力要求,板片的面积和数量以及流程组合也不一定相同,因此在设计时要综合考虑许多要求,确定合适的流程进行设计并按照设计好的顺序进行安装。固定压紧板、活动压紧板、导杆、螺柱、螺母及前支杆可统称为板式换热器的框架；所有板片和密封垫片统称为板束。图1-1板式换热器结构图板式换热器的应用近年来,板式换热器的在我国快速发展。板片上的波纹对流体产生了剧烈的扰动,强化了流体通过板进行换热的能力,因此传热系数大,对于液-液式板式换热器,其传热系数可达2500-6000W/m2·K。通过查阅相关资料,发现板式换热器的传热系数是管壳式换热器的3-4倍。参与换热的两种流体之间有着不同的流程组合,因此整体性能也不相同,当两者呈逆流流动时,换热效果最好。板式换热器因其优点众多被广泛应用于工业领域,如化工、医疗、食品、造船及冶金等,随着近些年板式换热器的不断发展,出现了许多新型的板几何,其应用领域正在进一步扩大。板式换热器工作原理由大量波纹金属板叠装而成的板式换热器的板片上开有四个孔,即角孔,流体通过角孔后进入导流区域,通过导流槽进入板片通道内换热。在流体导流的过程中,密封垫片起着重要作用,正如其名称所示,密封垫片还起着对流体密封的作用,防止流体发生泄漏。流体经过充分换热后汇集到出口角孔,然后进入下一个流程进行换热,如此反复直至最后。如图1-2所示。图1-2板式换热器流体流动示意图板式换热器的流程组合板式换热器的同一流程的流体是并联流动的,即同一流体介质进入的第一个通道开始到第一个流体流动方向发生变化的通道结束。每一个流道的流量由于阻力的影响可能并不相同。板片按不同的顺序进行排列组合获得不同的流体流动形式即为板式换热器的流程组合,换热器的流程组合需要根据不同的工作需求来进行设计,从而获得符合要求最为经济的方案。不同流程组合换热效果不一样,当冷热流体之间呈逆流布置时,换热效果最好。流程组合形式要根据工艺要求来确定,因为不同场合要求的换热量和压降并不相同。不同场合,板式换热器的安装方式也不相同,“U”字形单流程的板式换热器的流体进出口均布置在压紧板上,容易拆卸和检修,该流动方式经常用于板片需要经常拆卸和清洗的场合。板式换热器的性能特点由于板式换热器的板片上有大量的波纹形状,对流道内的流体产生强烈的扰动,流体的边界层不断破坏和形成,导致边界层不会发展的很厚,因此在低雷诺数下也能形成湍流流动,不同的板片形式,临界雷诺数也不尽相同,一般在100-400范围内,具体数值取决于几何结构。有许多资料显示,对于单位传热面积的换热量,在压力损失相同的情况下,板式换热器比管壳式换热器高5-6倍；因为板片很薄,紧凑性比管壳式换热器高出2倍,可达300m2/m3以上。在同一热负荷下板式换热器的体积为管壳式换热器的1/5-1/10。根据不同的换热需求和阻力特性,可以灵活地选择不同且满足相应的工艺要求的流程组合。国内外对板式换热器的研究国外的研究早在1878年,板式换热器就已经问世了,距今已有143年的历史了,是由当时的德国人发明的,并申请了板式换热器的专利[3]。早期的板式换热器主要是用于食品行业,在同类行业也有应用,当时主要作为液-液换热器来使用[4]。受限于当时不够先进的制造工艺,板式换热器的工作压力较低,且处理量十分有限。早期的板式换热器板片和当前的板片有较大的区别,当时的板片主要是沟道板,随着许多学者对板式换热器的深入研究,板式换热器的板片形式发生了跨越性发展,即进入了现代金属薄板的时代,学者和研究人员的努力功不可没,为板式换热器的发展奠定了基础。前人采用了各种可视化技术和电化学传质技术等多种研究方法对板式换热器的热工特性和流动特性进行研究和分析,比如Focke[5]对板式换热器的人字形波纹板的夹角P进行研究,其采用的是有限扩散电流技术(Diffiision-LimitedCurrentTechnology,DLCT),分析了夹角P对流体流型的影响；Lozano[6]分别采用了两种不同的方法对板式换热器进行研究,其研究的是在不考虑板式换热器内部流体之间换热的情况下流道内流体的分布,对于流道内流体的流型的研究,其采用的是平面激光诱导荧光(PLIF)的研究方法来显示流型,对于速度分布的测量,其采用的是粒子成像测速(PIV)的测速方法,最终得出了板式换热器流道内的流体流动是不均匀的,且一般偏向板片的测方流动的结论。随着科学技术的发展,计算流体力学CFD[7](ComputationalFluidDynamics)逐渐兴起,其基本原理则是数值求解控制流体流动的微分方程,得出流体流动的流场在连续区域上的离散分布,从而近似模拟流体流动情况。由于CFD的有着比板式换热器实物模拟更为方便的诸多优点,CFD被广泛运用于板式换热器内部流体流动模型的研究。随着板式换热器的不断发展,市面上也出现了多种用于对板式换热器进行设计和模拟的软件,如HTRI和Aspen,本文所采用的软件为HTRI。国外很早就开始对热传递进行研究,并且取得了大量的研究成果,有许多国外的大型公司专门从事热传递领域高新技术的研究与应用开发,如于1962年建立的美国传热研究公司(HeatTransferResearchInc.),即HTRI,该公司积累了丰富的经验,在换热器设计软件的开发上做了大量工作,并且在传热机理、两相流、振动、污垢、模拟和测试技术方面作出了巨大贡献。该公司近年在换热器设计的计算机软件开发上有了突破性进展,其开发出的软件提高了换热器工艺设计领域的经济性,节省了大量的人力物力。国内目前有20多家公司为HTRI会员。1.3.2国内对板式换热器的研究于上世纪中叶,我国就开始对板式换热器进行研究。兰州石油机械研究所[3]是我国早期研究板式换热器的机构。该公司是我国在板式换热器的研究中起步较早的公司,长期从事对板式换热器的研究和制造。该公司于1967年对板式换热器的人字形波纹板进行研究,基于板片的不同波纹对板式换热器的换热特性及流动特性影响的研究成果,肯定了人字形波纹板片的优点。随着板式换热器的研究热潮的来袭,我国也开始对板式换热器进行实验研究,结合国外的研究成果以及国内的研究成果,兰州石油机械研究所在克服了大部分困难后于1974制造了我国的第一台人字形板式换热器。由此,我国对板式换热器的研究飞速发展,在整个过程中兰州石油机械研究的贡献不能不能忽略。我国的许多高校也对板式换热器有较长时间的研究,清华大学是我国一所著名的高等院校,该校对板式换热器的研究起步较早,早在八十年代初期就对板式换热器的整体性能和优化设计等方面进行了比较深入地理论研究。该校不仅仅局限于理论研究,还对板式换热器的性能评价指标进行了系统研究,同时还利用计算机对板式换热器进行辅助设计[8-9]。板式换热器设计过程中需注意的问题及优化的意义板式换热器在设计过程中需要注意许多问题,如密封垫片材料的选择、板间流速、板片选择等。一般对设计好的板式换热器还需进行优化设计过程中需注意的问题密封垫片密封垫片在板式换热器内流体的密封和导流方面扮演着重要的角色,是板式换热器的重要组成部件之一。密封垫片材质的选择十分重要,关系到板式换热器能否长期安全稳定地运行,不同材质的最高工作温度不相同,需要根据工作要求来进行选择。常用密封垫片的材质及允许使用的最高温度列于表1-1中。表1-1密封垫片的材质及允许工作温度材质最高工作温度/℃材质最高工作温度/℃天然橡胶80树脂-硬丁基橡胶150氯丁橡胶85硅橡胶160丁苯橡胶110聚三氟乙烯190-200丁腈橡胶150压制石棉纤维200-260中级腈橡胶135密封垫片大都由橡胶等非金属材料组成,不能工作于过高的温度,为了不发生重大事故,板式换热器工作温度不允许超过最高工作温度。最大使用压力不仅取决于密封垫片的材质,还取决于其断面形状,因此世界各国对密封垫片化学成分的研究都非常重视。目前,密封垫片使用的断面形状有半圆形、矩形及五面体等。密封垫片嵌入板片上密封槽及角孔的四周。由于工作时的高温,并且金属板与密封垫片的材质不同,两者在高温时的膨胀程度不一致,以及由于介质内压的作用,导致板片与密封圈之间产生过大的间隙,从而使得介质发生泄漏。为了避免这种情况的出现,近年研究出了组合结构的密封垫片,即用硬、软两种不同材质组合成一体,硬质材料能承受较高的压力,软质材料弹性较好,压紧后易充满沟槽,组合成一体后能具有即承压又耐腐蚀的性能。板间流速由于波纹板的影响,加之板间距较小,流体在低雷诺数下就能进行湍流流动,因此流体的板间流速分布是不均匀的,由于流动边界层的影响,主流线上的速度是最高,比平均流速高出3到4倍。当流体处于充分的湍流状态时,换热最为强烈,因此为使流体的流动为充分的湍流,宜取板间的平均流速为0.3-0.8m/s。为了节省材质,出于经济性考量,在保持阻力损失处于许应范围内以及满足相应工艺要求的情况下,尽量提高总传热系数,从而减小换热面积。板片的选择流程组合不仅会影响换热效果,也会影响换热器的阻力特性,所以为了减少阻力损失,需要减少流程数,因此选择合适的单板面积显得尤为重要。角孔直径的大小不相同对单板的换热面积有一定影响,对处理量也有影响,为使流体通过角孔流道时不产生过多的压力损失,流体在角孔中的流速一般为4-6m/s。表1-2列出了单板换热面积和处理量的关系,表中流体通过角孔以6m/s计算的。表1-2单板面积和处理量的关系项目12345678单板面积/m20.10.20.30.50.81.01.62角孔直径/mm40-5065-9080-100125-150175-200200-250300-350约400单台最大处理量/(m3/h)27-4271-137108-170265-380520-680680-10601530-2080约2700优化的意义板式换热器的优化指的是在满足一定条件的前提下,使板式换热器的一个或几个性能指标达到最佳,如压降在许应范围的前提下,优化板式换热器的结构参数,提高板式换热器的换热性能,这样可以很好地节省材料。设计内容及方法介绍设计内容本文主要任务是设计一台用于回收化工厂废水余热,来加热居民生活用水的板式换热器。以下为已知参数：废水的流量为G1=25t/h,废水入口温度为80℃；生活用水的流量为G2=25t/h,生活用水人口温度为20℃,经换热后达44℃。设计出板式换热器的换热面积,选择合适的流程组合,并计算出板式换热器的压降,保证其小于许应压降,以便选择泵的型号及规格。方法介绍换热器的计算较为复杂,尤其是对换热系数的计算,涉及到许多经验关联式的应用,以及各类参数的选取,目前广泛应用的方法是对数平均温差法和效能-传热单元数法。对数平均温差法如果要获得换热器的传热热流量,首先需要计算平均温差,即壁面两侧流体间温差对面积的平均值,对于各类形式的流动,均可由此法求得传热热流量。冷、热流体在流动换热时,冷热流体温度在随时变化,在同一流动长度的冷热流体之间的温差也是不相同的,因此在计算流体的平均温差时需格外注意。对于两流体成顺流或逆流的间壁式换热器,热、冷流体的温度沿传热面变化的趋势可用图1-3来表示[10]。W1>W(a)顺流W1>W(b)逆流图1-3顺流和逆流中的温度分布在已学习的传热学上,已经对逆流流动和顺流流动的对数平均温差进行过推导,其推导所得结果如下：顺流：∆tm=逆流：∆tm=式中：∆tm—对数平均温差,t1'—热流体进口温度,t1''—热流体出口温度,t2'—冷流体进口温度,t2''—冷流体出口温度,由于上两式中都存在对数项,故也称为对数平均温差。逆流型的以式(2)表示的对数平均温差在温差分析中常用作基准温差,故用特定符号∆t式(1)和式(2)也可统一为：∆tm=式中：∆tmax—两侧温差中较大者,∆tmin—两侧温差中较小者,根据所学知识,逆流的对数平均温差是最大的,所以在初始条件相同的情况下,即流体进出口温度相同,其他流动形式的对数平均温差均小于逆流的,因此其他流动形式的平均温差可用逆流的平均温差∆tlm乘以一个修正系数∆tm=ψ∆tlm 此时,传热热流量可以按下式计算：Φ=KAψ∆tlm 式中：Φ—传热热流量,W。K—总传热系数,W/m2·K。A—传热面积,m2。ψ—温差修正系数。∆tlm—逆流平均温差,温差修正系数是温度与温度之间的比值,即按某种流动形式工作时的平均温差∆tm在和逆流进出口温度相同时与按逆流工作时的对数平均温差效能-传热单元数法换热器的效能ε定义为：ε=t'−t''maxt1'式中：t'—流体进口温度,℃t''—流体出口温度,℃式中的分母为在换热器中冷热流体进口温度的差值,而分子则为冷、热流体在换热器中的实际温度差值中的大者。从式子可以看出,效能ε的物理意义为换热器的实际换热量和理想换热量之比。已知ε后,换热器交换的热流量即可根据两种流体的进口温度确定：Φ=qmcmin式中：qm—流体质量流量,kg/s。c—流体比定压热容,J/(kg·K)。传热单元数NTU定义为：NTU=KAqmcmin NTU是换热设计中的一个无量纲参数,表征换热器换热能力的大小,换热性能越好相对应的NTU也越大。顺流的ε可以表示为：ε=1−exp−NTU1−qmcmin逆流的ε可以表示为：ε=1−exp−NTU1−qmc当冷、热流体之一发生相变时,流体的比热容剧烈增加,即qmcmaxε=1−exp−NTU 当冷、热流体的qmc值相等时,式顺流：ε=1−exp−2NTU2 逆流：ε=NTU1+NTU 第2章板式换热器热力计算原理板式换热器设计的主要参考参数为压降和总传热系数,压降对应着换热器的流动阻力的大小,总传热系数对应着换热器的换热能力的强弱,因此需要对这两个参数以及工艺要求进行综合考虑,以确定最为经济的设计方案。换热系数的计算有两种方法,对数平均温差法和效能-传热单元数法。对于压降的计算,不同的板片有些参数会不相同,这些参数一般会由制造商提供。2.1板式换热器的传热特性及实验关联式影响板式换热器换热性能和阻力特性的因素有很多,如板片形状、流程组合、流体物性和流体特性等。由于板式换热器的热力计算较为复杂,特别是对于总传热系数的计算,涉及到一些经验关联式,而这些关联式的某些系数一般由实验测得,若流体发生相变,计算则变得更为复杂,目前,对于相变换热的关联式多数制造商都不能提供；而对于无相变传热,相较于相变换热较为简单,多数制造商都通过实验获得了相应产品的关联式。板式换热器传热计算的基本公式的形式与管内或槽道内的对流换热计算公式相同：湍流换热时为Nuf=CRefnPrfm式中：NufC—系数。Ref—流体雷诺数。Prf—流体普朗特数。μf—以流体温度计算时的流体动力粘度,Pa·sμw—以壁面温度计算时的流体动力粘度,Pa·s当流体被加热时,m=0.4；被冷却时m=0.3。其中的C、nMarriottJ对式(14)中的系数和各指数给出了这样的范围：C=0.15−0.4,n=0.65−0.85,m=0.3−0.45非牛顿流体的层流换热不同于湍流换热,可用Sieder-Tate形式的方程式,即：Nuf=CRefPrfd式中：de—当量直径,m。其中C=1.86−4.50,n=0.25−0.33；x=0.1−0.2,马斯洛夫提出了几种平行波纹板的实验公式hdeλ=MPr0.43Prm式中：h—对流传热系数,W/m2·K。Prm—以流体温度计算时的普朗特数。Prw—以壁面温度计算时的普朗特数。式中的M为雷诺数的函数,列于表2-1中。表2-1传热系数关联式板型波纹间距l/mm板间距s/mm最小板间距s’/mm波纹倾角θ/(°)传热系数关联式平行光滑板M=0.021Re0.8三角形波纹板20.01.85-30M=0.216Re0.8三角形波纹板22.53.502.8035M=0.125Re0.7三角形波纹板20.02.85-40M=0.215Re0.635三角形波纹板22.55.904.8035M=0.356Re0.6三角形波纹板30.05.504.9030M=0.1815Re0.65圆滑过渡的三角形波纹板38.05.90--M=0.309Re0.6带褶皱的波纹板48.53.502.00-M=0.122Re0.7三角形波纹板20.02.25-30M=0.1635Re0.63三角形波纹板20.01.15-30M=0.173Re0.64三角形波纹板20.01.40-40M=0.194Re0.64对板内流体雷诺数进行计算时,采用的定性尺度为当量直径dede=4AU=4bs2b=2s 式中：U—湿周,m。b—板有效宽度,m。s—板间距,m。由于板间距远小于板有效宽度,即s≪b2.2板式换热器的阻力特性及实验关联式一般是以欧拉数Eu,即总压力与惯性力的比值,与雷诺数Re来对板式换热器的阻力特性进行描述,阻力特性的计算涉及了许多经验系数,不同板片系数也不相同,国内的板式换热器制造厂家会将准则关系式给出,如下式：Eu=aRed 或.∆p=aRedρu2=Euρ式中：a—系数。d—指数,随板片不同而不同。ρ—流体密度,kg/m3。u—流体流速,m/s。∆p—流体压降,Pa对于不同的板片,式中的系数a也不相同,制造完成的板片其系数a是通过实验求得的,由其制造商给定具体数值。由于式(19)是在1-1程换热中求得的,只计算了一个流程的压降,因此需要乘以流程数m来获得总压降,即：∆p=maRedρu2=mEuρSmith和Troupe给出了如下工业用金属板式换热器压降计算经验式：对于串联流动有∆p=1.87n+7.56(ρu2对于并联流动有∆p=38.96n+7.56(ρu2介质流过板式换热器的角孔及导流槽时所产生的压力损失是很高的,一般要求它低于换热器总的压力损失的50%,若高于此值,板型结构的设计需重新考虑。在计算板式换热器压降的雷诺数时,当量直径de的计算公式与计算流道内流体的雷诺数并不相同,计算压降时板间距s不能忽略,因此计算压降时的当量直径dde=4AU=4bs2b+s2.3设计计算公式2.3.1传热基本方程式传热基本方程式为：Φ=KA∆tm 式中：Φ—传热热流量,W。K—总传热系数,W/m2·K。A—传热面积,m2。∆tm—对数平均温差,我们应该格外重视公式中的面积A,该面积为有效传热面积,即板片的传热面积应不包括板片的导流、角孔和周边等处,它一般有两种表示方法,即板片的投影面积和板片的展开面积。因为板片被制作成波纹形状,因此其投影面积和展开面积并不相同,在使用他人数据或计算传热系数时,应该注意其是以哪一种面积为基准。2.3.2换热热流量计算式换热热流量的计算式为：Φ=qmcpt'−t或Φ=qmh'−h'' 式中：h'和h''—流体进、出口比焓,2.3.3总传热系数计算式总传热系数计算式为：K=1h1+rd1+式中：h1和h2—分别为板片两侧对流换热系数,W/m2·K。rd1和rd2—分别为板片两侧污垢热阻,m2·Kδp—板片厚度,mλp—板片导热系数,W/m·K表2-2列出了各类流体的污垢热阻。表2-2板式换热器的污垢热阻流体名称污垢热阻/m2·K/W流体名称污垢热阻/m2·K/W软水或蒸馏水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0.0000432.3.4传热面积计算式传热面积计算式为：A=NeAp=Nt−2式中：A—换热器换热面积,m2。Ap—单板换热面积,m2。Ne—有效传热板板片数。Nt—总板片数。总的板片数应该比参加传热的板片数多,即使两端的板片不参加换热,也应该将其加上,故所需的总板片数应为：Nt=Ne+2 从流程数m与通道数n的组合来考虑,总板片数NtNt=m1n1+m若式(30)计算所得板片数等于或略大于式(29)计算所得板片数,则起初所选定的流程数和通道数能够满足传热的要求,若小于,则说明所设计的流程数和通道数不能满足传热要求,需要重新设计。2.3.5传热平均温差Δtm计算式传热平均温差ΔtΔtm=ψΔtlm Δtlm=Δtmax−Δt2.4设计计算步骤板式换热器的设计计算步骤如下：根据热平衡关系式和已知流体的某些参数,求出未知的温度或流量,求出换热量；结合工艺要求,参考相应资料和数据,确定合适的板片的型号；设计好板式换热器的流程,并根据式(30),利用流程组合求出所需的板片数；根据式(31)和式(32)求传热对数平均温差；选取合适的关联式,确定好关联式的参数以及系数,求得流体的对流换热系数；根据所选流体,查阅相关资料,确定污垢热阻,并求出总传热系数；求出传热面积,并由计算出来的传热面积根据式(28)求所需总板片数与式(30)计算出的总板片数进行对比,看是否满足要求,不满足则需重新选择流程数和通道数。校核流体的阻力,流体阻力应在许应范围内,若不满足,则需重新选择板形或者重新计算。第3章软件功能介绍HTRI的功能较为全面,可对市面上大部分换热器进行模拟和设计,并且操作较为简便,非常容易上手,里面的物性库也较为全面,因此该软件可胜任大部分换热器的设计工作。3.1HTRI主页面图3-1为HTRI的主页面：图3-1HTRI软件主页面3.2HTRI可设计的换热器类型HTRI软件可对许多换热器进行计算,包括空冷器(AirCooler)、省煤器(Economizer)、板式换热器(PlateandFrameExchanger)、管壳式换热器(ShellandTubeExchanger)、螺旋板式换热器(SpiralPlateExchanger)、套管式换热器(HairpinExchanger)、翅片管式换热器(JacketedPipeExchanger)。图3-2为软件可设计的各类换热器。图3-2软件可设计的换热器类型3.3HTRI主功能介绍以板式换热器为例,新建一个板式换热器之后,系统就会进入相应界面,如图3-3所示：图3-3换热器模拟主页面图3-3为主功能界面,主要功能包括Input、Reports、Graphs、Drawings、Frames-in-series、Design、Session。3.3.1Input界面图3-3为Input界面,在此页面输入模拟需要的各类参数。其有四种计算模式,即校核计算、换热器模拟、经典设计和网格设计,校核计算模式是已知换热器的几何面积和某些参数,求取另外一些参数以及传热量,换热器模拟模式是知道换热器的几何尺寸,对换热器进行模拟,看是否满足热负荷,经典设计模式是知道换热器的传热量和一些工艺参数,求取换热器的面积和几何尺寸,网格设计模式可以设定角孔流速。Geometry界面为板几何页面,可以自定义板的材料、面积和几何参数等,还可以自行设计板的冷热流体的流型和流程组合,如图3-4所示。板的各类参数可以选定某个公司生产的板参数,也可以自行定义,如可以在Chevronangle自定义人字形角的角度,在Channelspacing自定义板间距以及在Portdiamet自定义孔径。PackArrangement是用来设计板式换热器的流程组合的功能,通过确定流程组合,可以确定所需的总板片数。冷热流体的流型有“U”字形和“Z”子形,冷热流体间可逆流布置也可顺流布置,可根据需要选择不同的冷热流体流型组合、顺逆流流动方式以及进口方向。如有需要,可以采用不同板形之间相互组合来设计板式换热器,对于不同类型的板式换热器板片,可以在PlateTypes对不同板的各类参数进行自定义设计,来获得不同的换热效果以及压降。在Hot/ColdFluidProperties界面(如图3-5所示)可以对冷热流体的性质进行自定义,在HTRI系统内有配套的流体物性库,因此只需要将所需流体插入即可,系统会自行查找对应的流体物性并用于计算,用户也可以自行输入流体的物性参数。图3-4板几何(a)热流体(b)冷流体图3-5冷热流体参数输入页面3.3.2Reports界面Reports(如图3-6所示)主要是在模拟完成后产生的结果界面,在此界面,用户可以看到各类结果参数。图3-6Reports界面3.3.3Graphs界面Graphs(如图3-7所示)的功能是模拟完成后绘制各类参数变化曲线,如冷热流体压降变化曲线、冷热流体流速变化和冷热流体雷诺数变化等曲线。图3-7Graphs界面3.3.4Drawings界面Drawings(如图3-8所示)的功能是绘制换热器的图片,同时也可以显示冷热流体的进出口。图3-8Drawings界面3.3.5Frames-in-series界面Frames-in-series(如图3-9所示)的功能是当模拟进行时,显示一个中间条件。图3-9Frames-in-series界面3.3.6Design界面Design(如图3-10所示)的功能是采用Design模拟时显示最终的运行结果。图3-10Frames-in-series界面第4章板式换热器的设计本文主要任务是设计一台用于回收化工厂废水余热,来加热居民生活用水的板式换热器。以下为已知参数：废水的流量为G1=25t/h,废水入口温度为80℃；生活用水的流量为G2=25t/h,生活用水人口温度为20℃,经换热后达44℃。在初步确定好板式换热器的几何参数后,改变人字形角的大小和板间距来研究这两个参数对板式换热器性能的影响,来确定最佳的参数。4.1板式换热器的设计过程首先利用HTRI对板式换热器进行初步设计,确定板式换热器的几何模型,之后再调整人字形角、板几间距和不同板片的组合模式等参数,综合换热性能参数以及压降等评价指标,获得最终的板式换热器换热器模型。4.1.1参数的确定综合已定参数可得该板式换热器内的热交换为单相液体之间的热交换。国内化工厂的循环水水压一般为0.2-0.5MPa,城市的生活用水水压一般为0.7MPa,即初步确定所设计的板式换热器废水入口压力为0.5MPa,生活用水入口压力为0.8MPa。在水-水换热的情况下[11],允许压降一般在20-100KPa的范围内。人字形波纹板的承压能力很好,能够在较高的压力下工作,其最高工作压力一般在0.4-2MPa左右,初步选定Alfalaval公司的M10-B型号的人字形板片,该板片的基本参数如下：单板换热面积为0.24m2,板片的长度为879mm,宽度为375mm,板片上下中心距为719mm,左右中心距为223mm,角孔直径为100.076mm,人字形角为30°,板间距为2.55mm,板片厚度为0.6mm。生活用水一般是经过处理过后达到使用标准的硬水,故其污垢热阻为0.000043m2·K/W,化工厂废水的污垢热阻为0.000052m2·K/W。将以上参数输入软件,如图4-1所示。(a)流体基本参数输入(b)板片型号以及参数的选择(c)污垢热阻的输入图4-1各类参数的输入由于用于化工厂的板式换热器需要进行经常性地检修与清洗,故选择易拆卸的“U”字形布置,逆流的对数平均温差最大,换热效果最好,因此冷热流体之间为逆流布置,冷热流体的进出口布置在同一侧,且均为单流程,冷热流体的流道均为70个,因此总板片数为141,如图4-2所示。(a)流动形式(b)冷热流体进出口(蓝色为冷流体,红色为热流体)图4-2冷热流体的布置HTRI内部有比较完整的物性库,只需选择好流体后勾选系统自行计算即可,这时只要添加对应流体就行,之后系统会自动计算流体的物性参数,若不想采用HTRI内部的物性库,用户也可以自行输入流体的物性参数进行计算,只需勾选用户自定义即可,采用HTRI内部物性库的步骤如图4-3所示。(a)(b)(c)图4-3采用HTRI物性库的步骤4.1.2初步设计的结果参数确定无误后即可进行运行,运行后系统会自行设计满足要求的板式换热器,图4-4为初步设计的板式换热器结构图,图4-5为设计运行后冷热流体进出口温度变化,表4-1为板式换热器设计结果,包含了换热器设计运行完成后的各种参数。图4-4板式换热器设计结构图图4-5冷热流体进出口温度表4-1板式换热器设计结果项目热流体冷流体流体名称水水流量(m3/h)2535进口温度/出口温度(℃)80.00/46.4620.00/44.00平均温度/壁面温度(℃)63.23/49.1232.00/42.97进口压力/平均压力(kPa)500.00/499.40800.01/798.81总压降/允许压降(kPa)1.21/20.002.40/20.00标准通道流速(m/s)0.120.16分布不均系数0.770.73换热器性能热流体传热系数(W/m2·K)3423.73实际传热系数(W/m2·K)1435.21冷流体传热系数(W/m2·K)3678.43换热面积(m2)33.34对数平均温差(℃)30.8设计裕量(%)51.454.1.3流道内参数变化如图4-6所示,从流体入口的第一个通道到最后一个通道,冷热流体的板间流速、雷诺数和压降逐渐降低,由于冷流体的流量大于热流体的流量,所以冷流体的板间流速以及压降要大于热流体的,而冷热流体物性参数的差异造成了热流体的雷诺数大于冷流体的雷诺数。压力差是流体流动的推动力,所以随着通道内压力差的降低,冷热流体的流速以及雷诺数也随着不断降低,由于第一个通道的压力差最大,所以通道内的流速比其余通道内的流速大,雷诺数也是第一个通道内的最大。(a)流速的变化(b)雷诺数的变化(c)压降的变化图4-6流道内参数的变化趋势4.2改变参数对板式换热器性能的影响4.2.1改变人字形角对换热性能的影响人字形角作为板式换热器的重要参数之一,对板式换热器的整体性能有着重要的影响,在不改变板式换热器几何参数的情况下改变人字形角的大小来研究人字形角对板式换热器换热性能的影响。如图4-7(a)所示随着人字形角的增加实际换热系数不断增加随后趋于稳定,因为增大人字形角度会加强对流体的扰动,不断破坏形成的边界层,从而强化换热,当人字形角大于60°时,强化换热的效果并不明显,冷热流体间的换热趋于一个稳定值,因此过大的人字形角并不能很好地强化换热。如图4-7(b)所示,冷热流体的总压降随着人字形角的增大而不断增大,在人字形角小于65°时,随着人字形角的增大,冷热流体的压降增加地较为缓慢,但在人字形角大于65°时,压降的趋势陡然上升,呈指数型增长,这是因为流体在过大的人字形角的流道中流道时,流体的流道阻力特别大,导致了过大的压降。由此可得,过大的人字形角不仅不能有效地强化换热,而且还造成过大的压降,同时还对制造工艺有很高的要求,因此人字形角不宜过大,综合换热与压降,当人字形角为60°时,换热性能较好,压降也在允许范围内,此时最为经济。(a)(b)图4-7换热系数与压降随人字形角的变化趋势4.2.2改变板间距对换热性能的影响在人字形角为60°与板式换热器的几何参数不变的情况下,改变板间距的大小,获得了如图4-8所示的换热系数和冷热流体总压降与板间距的关系,图4-8(a)中为换热系数与板间距的关系,随着板间距的增大,总换热系数不断减小,这是因为板间距增大会使流体的流通面积增大,在通过的流量不变的情况下,流体的流速会随之减小,削弱了换热,总换热系数也随之减小。图4-8(b)为冷热流体总压降与板间距之间的关系,冷热流体总压降随板间距的增大而减小,这也是因为由于流道流通面积的增大导致流速减小,流动损失也随之减小,导致压降减小。(a)(b)图4-8换热系数与压降随板间距的变化趋势板式换热器的流道较窄,容易发生堵塞,且有密封垫片厚度的影响,板式换热器的板间距一般在2.5mm以上。板式换热器的总换热系数和压降在板间距变化的情况下为单调函数,因此需要综合不同的工艺要求以及需方的工作要求,如在需要较强的换热而