板式換熱器設(shè)計課件

1、板式換熱器設(shè)計,Plate Heat Exchanger,我心飛翔QQ43878125,一、緒論二、板式換熱器的基本構(gòu)造三、流動與傳熱機理四、板式換熱器的傳熱計算與壓降計算五、板式換熱器的熱力計算,本章主要內(nèi)容,本章的學(xué)習(xí)目的,,（1）了解板式換熱器的基本結(jié)構(gòu)（2）應(yīng)用傳熱基本公式對板式換熱器進行設(shè)計計算,板式換熱器是一種新型、高效、緊湊的熱交換器。具有傳熱系數(shù)高。對數(shù)平均溫差大、占地面積小、質(zhì)量輕、價格低、清洗方便、很

2、容易改變換熱面積或流程組合等優(yōu)點。板式換熱器的發(fā)展比較快，其性能也越來越高，目前板式換熱器的最高壓力達28MPa，最高操作溫度達360℃。在壓力和溫度不太高的換熱場合，板式換熱器已逐步代替管殼式換熱器。廣泛應(yīng)用于食品、化工、機械、能源等行業(yè)。,§ 2-1 緒論,1 概述,2 優(yōu)缺點,（1）優(yōu)點,傳熱系數(shù)高對數(shù)平均溫差大占地面積小重量輕價格低末端溫差小污垢系數(shù)低多種介質(zhì)換熱清洗方便容易改變換熱面積或流

3、程組合,,（2） 缺點,工作壓力不高工作溫度不高不宜于進行易堵塞通道的介質(zhì)的換熱,,,主要特點：   板片波紋的設(shè)計以高度的薄膜導(dǎo)熱系數(shù)為目標，板片波紋所形成的特殊流道(見圖)使流體在極低的流速下即可發(fā)生強烈的擾動流(湍流),擾動流又有自凈效應(yīng)以防止污垢生成，因而傳熱效率很高。,,一般地說,板式換熱器的傳熱系數(shù)K值在3000～6000W/m2 ℃范圍內(nèi)。這就表明，板式換熱器只需要管殼式換熱器面積的1/2

4、～1/4 即可達到同樣的換熱效果。,圖2-1 流道圖,3 工業(yè)應(yīng)用,化學(xué)工業(yè) 制造氧化鈦中冷卻和蒸發(fā)，酒精發(fā)酵，冷卻甲醛、磷酸，合成氨，電解制堿等。建筑工業(yè) 集中供熱的熱交換，空調(diào)系統(tǒng)的冷卻交換，加熱生活用水，地熱利用熱交換等。冶金、鋼鐵工業(yè) 冷卻淬火油，減速機潤滑油，軋機和拉絲機油、鋁酸鹽母液冷卻。機械、汽車工業(yè) 各種淬火液冷卻，冷卻機械潤滑液，加熱或冷卻鍍鉻液。食品工業(yè) 制造谷氨酸鈉，制鹽和乳

5、制品，醬、醋減菌和冷卻，啤酒生產(chǎn)中麥芽液加熱，滅菌、冷卻等。紡織、印染工業(yè) 水洗、染色、洗毛機等廢熱利用，冷卻堿液、醋液和醋酸酐等。,,造紙工業(yè) 冷卻黑水、苛性堿水溶液、紙漿排液，漂白液加熱和冷卻，各種廢液余熱回收等。人造纖維工業(yè) 冷卻加熱粘膠液氨水及各種溶劑，加熱內(nèi)酰胺水溶液、氨水等，各種余熱回收等。醫(yī)藥工業(yè) 冷卻酵母、丁醇、丁二醇、醋酸丁酯，抗生素生產(chǎn)中加熱、滅菌、冷卻，各種余熱回收等。油脂工業(yè) 冷卻

6、甘油、乳化油、植物油，加熱、冷卻合成洗滌劑，加熱鯨油等。電力工業(yè) 發(fā)電機軸泵油、變壓器油冷卻。船舶 冷卻活塞水、缸套水、潤滑油等，海水淡化系統(tǒng)等。金屬電鍍工業(yè) 加熱電鍍液，冷卻電解液，氧化鋁過程冷卻酸溶液等。,§ 2-2 板式換熱器的基本構(gòu)造,板式換熱器的結(jié)構(gòu)比較簡單組成部分為：板片、密封墊片、固定壓緊板、活動壓緊板、壓緊螺柱和螺母、上下導(dǎo)桿、前支柱等零部件。如圖1所示。,1 整體結(jié)構(gòu),,圖2-2

7、 板式換熱器結(jié)構(gòu)圖,,,板片為傳熱元件，墊片為密封元件，墊片粘貼在板片的墊片槽內(nèi)。粘貼好墊片的板片，按一定的順序置于固定壓緊板和活動壓緊板之間，用壓緊螺柱將固定壓緊板、板片、活動壓緊板夾緊。壓緊板、導(dǎo)桿、壓緊裝置、前支柱統(tǒng)稱為板式換熱器的框架。按一定規(guī)律排列的所有板片，稱為板束。在壓緊后，相鄰的觸點相互接觸，使板片間保持一定的間隙，形成流體的通道。換熱介質(zhì)從固定壓緊板、活動壓緊板上的接管中出入，并相間地進入板片之間地流體通

8、道，進行換熱。,圖2-3 板式換熱器實物圖,板式換熱器有不同的框架形式,A 框架夾板加緊式 最普通，拆卸和清洗都很方便。 B 簡單夾緊式 結(jié)構(gòu)輕便，清洗、檢查不方便。C 頂壓夾緊式 拆卸方便，工作壓力不高。,對于要進行兩種及兩種以上介質(zhì)的換熱，可在板片中間可設(shè)置隔板。雙框架結(jié)構(gòu)可以節(jié)約占地面積,A 左右各設(shè)置一個固定壓緊板，中間設(shè)置兩個活動壓緊板；B 左右各設(shè)置一個活動壓緊板，中間共用一個活動壓緊

9、板；,2 流程組合,根據(jù)工藝需要，可將板式換熱器若干流道并聯(lián)成一組，又將并聯(lián)的組串聯(lián)在一起，形成冷熱介質(zhì)的通道，這叫做板式換熱器的流程組合。流程數(shù)為1的流程組合稱之為單流程；程數(shù)為2以上的流程組合，稱之為多流程。最簡單的流程組合是“Z”形和“U”形。在多數(shù)場合，采用混合的流程組合型式。,,（1）流程組合的表達方式,,,：從固定壓緊板開始順序為,熱側(cè)及冷側(cè)流道數(shù)相同的流程數(shù)；,：相應(yīng)于,一個流程內(nèi)的流道數(shù)。,示例：2×3

10、＋1×5／1×11 即是一個多流程組合表示：甲：三個流道有二程，五個流道有一程／乙：十一個流道有一程,冷熱流體在通道中交錯流動，流動形式近似于全逆流。,流動的形式可以根據(jù)不同的工藝要求進行組合。單程、雙程、多程均可，使之達到最佳換熱效果。,圖2-4(a) 單程流動,圖2-4(b) 多程流動,（2）組合形式分類（a）串聯(lián)流程（b）并聯(lián)流程（c）混聯(lián)流程（3）流體在板片間的流動分類（如圖2所示）（a）單邊流

11、（b）對角流,并聯(lián)流程,混聯(lián)流程,圖2-5(a) 并聯(lián)流程,圖2-5(b)混聯(lián)流程,,,圖2-6(a) 單邊流,圖2-6(b) 對角流,板式換熱器有各種各樣的流程組合，根據(jù)實際操作的需要設(shè)計和選用，而流程的選用和設(shè)計是根據(jù)板式換熱器的傳熱方程和流體阻力進行計算的。A) 流體的流動可以是串聯(lián)，并聯(lián)和混聯(lián)。B) 流程可以是單流程或多流程，兩流體的流程數(shù)可以 相等或不相等。C) 兩流體的流程中通道數(shù)不一定要相等,（4）流程組合的選擇

12、,3 板片型式,（1）板片的分類板片是板式換熱器的核心元件，常用型式有：A 按波紋的幾何形狀分水平平直波紋人字形波紋斜波紋B 按流體在板間的流動形貌分管狀流動的波紋板片帶狀流動的波紋板片網(wǎng)狀流動的波紋板片,圖2-7 板片及密封墊片的放大圖,（2）各種特殊形式的板片,便于裝卸墊片的板片 用楔入法把墊片裝在板片上用于冷凝器的板片 板片通氣體的角孔特別大，波紋節(jié),距也較大,用于蒸發(fā)器的板片 與普通板片的

13、構(gòu)造完全不同，每四,片為一組，靠不同形狀的墊片引導(dǎo)介質(zhì)的流向,板管式板片 流道呈蜂窩狀，一個通道較大另一個較小雙層板片 由兩層板壓合在一起，用于兩種換熱介質(zhì)絕,對不能混合的場合,石磨材料板片 可用于強腐蝕介質(zhì)的換熱寬窄通道的板片 “孿生”板片，相鄰板間通道一寬一窄,圖2-8(a)半焊接式板片,圖2-8(b)雙層板片,圖2-8(c)石磨材料板片,圖2-8(d)大間隙板片,衡量波紋板片性能優(yōu)劣的主要參數(shù)：傳熱效率

14、、流體阻力和承壓能力。人字形波紋板片的性能優(yōu)于水平平直波紋板片。研究發(fā)現(xiàn)人字型波紋板片上的人字角θ對換熱效率、流體阻力都有明顯的影響。人字角θ大，換熱效率高、流體阻力大，稱為硬板片（H板片）；反之，稱為軟板片（L板片）。同一外形尺寸、同一墊片尺寸，僅人字角θ的板片稱為“孿生”板片采用混合通道（HH和HL、或HL和LL等）更能使板式換熱器的設(shè)計達到優(yōu)化。,,,,（3）板片材料,板片材料的選擇，除了考慮成形時所必須的材料韌性外，更

15、重要的是考慮材料抗介質(zhì)腐蝕的能力。,,換熱板片主要材料,（4）密封墊片,密封墊片是板式換熱器的一個關(guān)鍵零件。墊片能承受的溫度即板式換熱器的工作溫度；工作壓力也受墊片的制約。,,密封墊片主要材料,4 板式換熱器系列型號表示方法,,1 流動狀況及流態(tài),板式換熱器中的流道形狀是復(fù)雜的，沿流體流動方向的斷面形狀不斷地呈周期性變化。 在很低的雷諾數(shù)下形成湍流。 不同板型將使板片間通道中流體的流動產(chǎn)生顯著的差別。

16、 人字形板片：網(wǎng)狀三維流動 水平平直波紋板片：二維流動 同種板型，波紋結(jié)構(gòu)參數(shù)不同會使流動情況不同。 流體進出板片角孔的位置及板片尺寸的長寬比、流程組合都會影響板間流體的流動。,§ 2-3 流動與傳熱機理,2 傳熱過程,板式換熱器中冷熱流體之間的換熱一般通過以下過程來完成。（1）流體對流換熱,熱量的傳遞一方面靠流體質(zhì)點的不斷運動的混合，即對流作用；

17、另一方面依靠由于流體和壁以及流體各處存在溫差而造成的導(dǎo)熱左右，這種對流和導(dǎo)熱同時存在的過程稱為對流換熱。影響對流換熱的因素有很多，如流體的物性，換熱器表面形狀、大小，流體的流動方式等。對流換熱量的計算公式,或,（2）相變換熱,A）凝結(jié)換熱,蒸汽和低于相應(yīng)壓力下飽和溫度的壁面相接觸，蒸汽就會釋放出氣化潛熱而在壁面上凝結(jié)成液體，這種現(xiàn)象稱為凝結(jié)換熱。 蒸汽的流速，流動方向，壓力對凝結(jié)換熱都有影響。 在板式換熱器中，蒸汽的流動方向宜于

18、自上而下，并且應(yīng)單程布置，以便減小壓降和有利于凝液的排除。 板式換熱器中冷卻介質(zhì)與蒸汽相對流動方向的不同影響到凝結(jié)過程的不同： 逆流時，蒸汽凝結(jié)大部分發(fā)生在下部。 順流時，蒸汽凝結(jié)大部分發(fā)生在上部。,,優(yōu)先考慮順流布置,凝結(jié)換熱量的計算公式：,B）沸騰換熱,液體在受熱情況下產(chǎn)生的沸騰或蒸發(fā)吸熱過程，稱為沸騰傳熱。 在板式換熱器中內(nèi)所發(fā)生的沸騰過程與流體在垂直管內(nèi)流動時的沸騰狀況基本相同。 飽和沸騰換熱量的計算公

19、式：,C）板片及垢層的導(dǎo)熱,由于板片及垢層的厚度與板面尺寸相比很小，導(dǎo)熱過程可認為是沿厚度方向的一維導(dǎo)熱。導(dǎo)熱量的計算公式如下：,，,及,1 傳熱計算,§ 2-4 板式換熱器的傳熱計算與壓降計算,傳熱計算的目的在于使所設(shè)計的換熱器在服從傳熱方程式的基礎(chǔ)上滿足熱負荷所應(yīng)具有的換熱面積。 傳熱計算包括傳熱系數(shù)、總傳熱系數(shù)、平均溫差及換熱面積等的計算。,（1）換熱量Q的計算,傳熱的基本方程式：

20、 單相流 變相流,或,或,,,熱平衡方程式,（2）平均溫差的計算,平均溫差 的通常采用修正逆流情況下對數(shù)平均溫差 的辦法來求解。,,修正系數(shù) 隨冷熱流體的相對流動方向的不同組合而取不同的值。當流體的溫度沿傳熱面變化不大時，,（3）傳熱系數(shù)的計算,根據(jù) ，

21、 ， ，只要求出Nu即可得到傳熱系數(shù)的值。,（一）對流傳熱系數(shù),流體在板式換熱器的通道中，湍流條件下，通常用如下關(guān)聯(lián)式： 考慮粘度的影響時，關(guān)聯(lián)式：,層流時，關(guān)聯(lián)式：,式中系數(shù)和各指數(shù)的范圍為：,（二）凝結(jié)傳熱系數(shù),板式冷凝器復(fù)雜的通道結(jié)構(gòu)，使其中的蒸汽流動凝結(jié)換熱過程很復(fù)雜，影響因素有很多，其凝結(jié)換熱計算式還有待于進一步探討。 天津大學(xué)提出的計算式考慮因素比較全面：,上海交通大學(xué)考慮了板片兩側(cè)的溫度差

22、，又對 做了修正。,（三）沸騰傳熱系數(shù),,尾花英朗所推薦的Chen J.C求解沸騰傳熱系數(shù)的計算式為：,式中：S－核沸騰影響系數(shù)；泡狀流區(qū)時S=1； 塊狀及氣塞狀區(qū)流時0<S<1； 環(huán)狀流區(qū)時S=0;

23、 －池沸騰傳熱系數(shù)； －兩相流強制對流傳熱系數(shù)；,式中： －表面張力； R－換算系數(shù)，等于9.8； －對應(yīng)于 的蒸汽壓差,對于泡狀流、塊狀流、氣塞狀流及環(huán)狀流區(qū)：,式中： －修正系數(shù)，可查圖確定；,對于霧狀流區(qū)時；,其實，在板式換熱器內(nèi)的整個沸騰傳熱中，難以確定其中每

24、個兩相流區(qū)域段的長度和相應(yīng)參數(shù)，因而實際應(yīng)用這些計算式是困難的。,Y-Y.Yan和T-Ｆ.Lin對豎直放置的板式換熱器做了詳盡的實驗,并由此得出了雷諾數(shù)處于2000～10000范圍內(nèi)的換熱系數(shù)計算關(guān)聯(lián)式。,式中：,本式在計算Nu的過程中用到了換熱器的換熱量 ，因此要先假設(shè)做試算。,（4）垢阻的確定,垢層的導(dǎo)熱性能都比較差，為了衡量污垢對傳熱的影響，常用污垢熱阻 或其倒數(shù)——污垢系數(shù) 來度量，即 垢阻熱阻的大小和流

25、體種類、流體流速、運行溫度、流道結(jié)構(gòu)、傳熱表面狀況、傳熱面材料等多種因素有關(guān)。 研究表明板式換熱器的污垢熱阻不到管殼式的一半。J.Marriott提供了板式換熱器中的具體污垢熱阻值 ，可供參考。,（5）壁溫的確定,在計算板式換熱器的液體對流傳熱系數(shù)、凝結(jié)傳熱系數(shù)及沸騰傳熱系數(shù)時，為了確定液體的粘度或溫差，都必須知道板片的表面溫度。 壁溫的計算需先假定一個壁溫，試算后校核。 具體步驟如下：,假定一側(cè)壁溫由準則關(guān)系式求該側(cè)傳熱系數(shù)

26、由式 計算該側(cè)單位面積上的換熱量根據(jù)壁的熱阻RW用 計算另一側(cè)的壁溫由準則關(guān)聯(lián)式求得另一側(cè)傳熱系數(shù)計算另一側(cè)的單位面積換熱量,若 ，則假定壁溫正確，反之，則應(yīng)重新假定壁溫再行計算，直到滿足要求。,（6）總傳熱系數(shù)的計算,板式換熱器中，熱量從高溫流體傳向低溫流體的過程中，通常存在著五項熱阻：,板片熱

27、側(cè)流體傳熱熱阻污垢層熱阻板片熱阻板片冷側(cè)流體傳熱熱阻污垢層熱阻,,（7）換熱面積計算,1）平均溫差法根據(jù)傳熱的基本方程式，可求得所需換熱面積。2）傳熱單元數(shù)法 傳熱單元的NTU的定義式如下：,或,式中：C1、C2－分別為熱、冷流體的熱容量； 傳熱單元數(shù)的大小和溫度效率 及兩換熱流體的熱容 量 之比有關(guān)。,溫度效率 是指參與換熱的任一流體的溫度變化與冷熱流體的進出口溫度差之比，即,或,相應(yīng)

28、的熱容比 為,或,查與所選通道布置相對應(yīng)的 線圖或者計算式，得到NTU值，從而求得換熱面積。,無論應(yīng)用平均溫差法還是NTU法，計算換熱面積都要先設(shè)定一個流程組合，若計算所得的換熱面積和該流程的換熱面積相等或稍小時即能滿足工況要求，否則應(yīng)重新設(shè)定一個新的流程組合重新計算，直到滿足工況為止。,2 流動阻力計算,（a）單相流 單相流體在板式換熱器的壓降主要來自摩擦阻力， 即流道壓降

29、，其次還有角孔壓降等。 （b）兩相流 汽－液兩相流體流動時，產(chǎn)生的阻力除摩擦阻力、 局部阻力外，還有加速阻力和重力阻力。（2）流阻的計算流體流過一臺板式換熱器的總阻力為經(jīng)過進出口接管、進出口分配管、角孔、板間通道等處的各種流動阻力之和。,（1）流阻的構(gòu)成,常用的流阻計算式有準數(shù)關(guān)聯(lián)式和含摩擦系數(shù)的計算式。1）歐拉關(guān)系式2）含摩擦系數(shù)的關(guān)系式,（a）液－液型板式換熱器,一臺板式換熱器的壓降由角孔壓降和流道壓降

30、組成。A）流道壓降式中： f－摩擦系數(shù)，可從圖查取，也可用 計算； L－流道長度 ，按平面長度乘以波紋展開系數(shù)計算；,B）角孔壓降式中：n 指一個程中的通道數(shù)；,（b）汽－液型板式換熱器,1）液側(cè)壓降2）汽側(cè)壓降 A）摩擦阻力式中： －摩阻分液相表觀系數(shù)；可查圖或用L-M關(guān)系式求解。,式中： －指僅液相單獨流過同一管道時的

31、摩擦阻力；,式中：X－馬丁尼利參數(shù)；n－n值由實驗室指定；,,取平均值,式中：液體和蒸汽沿程摩擦系數(shù) 、 可由摩擦系數(shù)f與Re關(guān)系式求取。,系數(shù)b’和指數(shù)d’應(yīng)針對具體板型通過實驗確定。,對于兩相流動在光滑管中流動，可對 簡化計算，假設(shè)其摩擦系數(shù)和單液相、單氣相流過相同管徑的摩擦系數(shù)相同，則式中：C值與流體有關(guān)，一般由試驗確定；可以先計算Re值判斷流態(tài)，然后查C值表求得。（B）總阻力,,在各項阻力中，主要是摩擦阻力

32、，加速及重力阻力很小，局部阻力約為總阻力的10％～15％，因此，,4 板式換熱器的熱力計算,換熱器熱計算分兩種情況：設(shè)計計算和校核計算(1)設(shè)計計算：設(shè)計一個新的換熱器，以確定所需的換熱面積。校核計算：對已有或已選定了換熱面積的換熱器，在非設(shè)計工況條件下，核算他能否勝任規(guī)定的新任務(wù)。,換熱器的熱計算有兩種方法：平均溫差法 效能-傳熱單元數(shù)(?-NTU)法,4.1 工程設(shè)

33、計的一般原則,選擇板片的波紋型式主要考慮板式換熱器的工作壓力、流體的壓力降和傳熱系數(shù)。 如工作壓力在1.6MPa以上，采用人字形波紋板片； 如工作壓力不高又特別要求阻力降低，選用水平平直波紋板片。單板面積的選擇單板面積可按流體流過角孔的速度為6 m/s左右考慮。,流速的選擇一般板間平均流速為0.2～0.8 m/s。設(shè)計時可以先確定一個流速，計算其壓力降看其是否在給定的范圍內(nèi)，如不是則重新給定。流程的選取對于一般對成型流道

34、的板式換熱器： 兩流體體積流量相當時，按等程布置； 兩流體體積流量懸殊時，流量小的一側(cè)按多程布置；,相變的一側(cè)一般均為單程； 某一介質(zhì)溫升或溫降幅度較大時，可采取多程布置。（5）流向的選取 單相換熱時，逆流具有最大的平均傳熱溫差，盡量選擇逆流。 相變換熱時，相對流向的選擇主要考慮壓降，其次才是平均傳熱溫差。（6）選擇板片和墊片的材料 根據(jù)介質(zhì)的腐蝕性來選擇板片的材料。 根據(jù)介質(zhì)的腐蝕性和工作溫度來選擇墊片的材料。,2

35、 一般設(shè)計方法及步驟,（1）設(shè)計型計算步驟,,（2）校核型計算步驟,3 設(shè)計中要注意的問題,非對稱板型的設(shè)計計算與對稱型相同，只是相鄰?fù)ǖ烙懈髯圆煌膶α鱾鳠崽匦院蛪航堤匦裕嬎銜r注意把各自的關(guān)聯(lián)式對號輸入。 熱混合的設(shè)計計算采用?-NTU法獲得并聯(lián)通道數(shù)較為方便。 有相變時的設(shè)計計算時：,一般不要在一臺換熱器中設(shè)計成冷凝段與 過冷段并存的局面，可以另設(shè)置一臺換熱器成為預(yù)熱器，來較多地利用過冷段地熱量。 冷水側(cè)單程時，推薦用順流