板式换热器本科课程设计

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Auto CAD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

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Abstract

Plate heat exchanger is a compact and efficient heat transfer equipment, it is applied to the food industry, metallurgical industry, electromechanical industry, paper industry, oil industry and other fields. And its type, structure and scope are still evolving, Welded plate heat exchanger compactness has the features such as light weight, good heat transfer performance and low initial cost.

Plate heat exchanger heat transfer performance of corrugated board shape, size and board composition are closely related. A new structure for any size of plate heat transfer and pressure drop characteristics are determined only by experimental calculations. For the non-phase-change heat transfer, most manufacturers can provide correlation; for the phase-change heat transfer, the vast majority of products, yet can not provide the corresponding correlation.

In this paper, by the using of plate heat exchanger heat transfer mechanism the development of plate heat exchanger and applications are briefly introduced.It carried out the plate heat exchanger thermal calculation and resistance calculations, and designed the basic structure of the plate heat exchanger such as the frameworks, structure and processes combinations to meet the verification condition.Finally it determined the parallel flow plate heat exchanger with 149 of the plates and combined with Auto CAD drawing parts diagram and assembly drawings.

Keywords: Plate heat exchanger; Configuration design; Thermodynamic calculation; Resistance calculation; Check

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目录

1. 绪论 ............................................................................................................................... 1

1.1 板式换热器的学术背景及意义 ......................................................................... 1 1.2 我国设计制造应用情况 ..................................................................................... 3 1.3 国外著名厂家及其产品 ..................................................................................... 4 1.4 板式换热器的国内研究进展 ............................................................................. 7 2. 板(片)式换热器的基本构造 ........................................................................................ 9

2.1 板(片)式换热器的基本构造 .............................................................................. 9 2.2 流程组合 ............................................................................................................. 9 2.3 框架型式 ........................................................................................................... 11 2.4板片 .................................................................................................................... 12

2.4.1 常用形式 ................................................................................................ 12 2.4.2 混合人字板及性能 ............................................................................ 13 2.4.3 特种形式 ................................................................................................ 15 2.5 密封垫片 ........................................................................................................... 15 2.6 焊接式板式换热器 ........................................................................................... 16

2.6.1 半焊式板式换热器 ................................................................................ 16 2.6.2 全焊接式板式换热器 ............................................................................ 17

3. 板式换热器的性能特点 ............................................................................................. 17

3.1 板式换热器的主要优点 ................................................................................... 18 3.2 板式换热器的主要缺点 ................................................................................... 20 3.3 板式换热器与管壳式换热器的比较 ............................................................... 20 4. 板式换热器热力及相关计算 ..................................................................................... 21

4.1 板式换热器的设计计算概述 ........................................................................... 21 4.2 传热过程 ........................................................................................................... 22

4.2.1 对流换热 ................................................................................................ 22 4.2.2 相变换热 ................................................................................................ 23 4.2.3导热 ......................................................................................................... 24

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4.3 热力计算 ........................................................................................................... 24

4.3.1 一般设计要求 ........................................................................................ 24 4.3.2 设计计算公式和曲线 ............................................................................ 27 4.3.3 确定总传热系数的途径 ........................................................................ 31 4.4 设计工艺条件 ........................................................................................... 32 4.4.1 计算综述表 ............................................................................................ 36

5. 经济与技术分析 ......................................................................................................... 43

5.1 技术经济分析的原则 ....................................................................................... 43 5.2 技术经济分析的标准 ....................................................................................... 43 结论 .................................................................................................................................. 44 致谢 .................................................................................................................................. 45 参考文献 .......................................................................................................................... 46

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1. 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，40—50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0.04m2至1.3m2，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。

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。

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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。

1：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。

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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0.52m2的水平平直波纹板片的板式换热器，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0.3m2）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。1983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。

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

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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Richard Seligman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2.2m2，单台换热器最大流量为2500m3/h。换热器最高使用温度为260C、最大使用压力为2.0MPa、最大的单台换热面积为1600m2。APV公司换热器产品情况如表1-1：

表1-1 APV公司主要的板式换热器

最高工作 单板换热 半片外型尺单台最多

板式换热器长管尺寸

压 力 面、 积 寸 长X宽 板 片

型 号 （mm）

2(MPa) (mmX mm) 数 (m)

SR1 HMB SR35 R40 R55 R56 R106

R235

1.03 0.69 1.55 1.37 2.06 0.93 0.69 0.83

0.0258 570X210 0.34 0.34 0.38 0.52 0.52 1.078 2.2

1114X318 1152X392 1150X445 1156X416 1156X416 1984X712 2739X1107

4

150 187 414 409 362 350 427 729

38 51 75 102,127,152

102 102 300 400

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（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3600m3/h；总传热系数3500-7500W/m2K；每台换热面积0.1-2200m2；最大接管尺寸450mm。

（3）GEA AHLBORN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。GEA AHLBORN的板式换热器技术特性如表1-2：

表1-2 GEA AHLBORN公司主要板式换热器技术特性

板片 型号 波纹型式 157 一列弧形 Free-Flow 159 二列弧形 161 三列弧形 4P 10 Varitherm 20 40 纵人字形 纵人字形 最高工量 压 外形尺寸单板换作作温 长X宽热面积力(m3/h(C) (mm) ) （m2） (MPa) 670X250 0.0915 — 1065X330 0.292 — 0.54 — — — — — 260 250 250 250 250 250 5 15 30 15 35 100 220 220 220 最高工最大流 510X128 0.00112 2.5 781X213 0.115 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 纵/横人字形 992X336 0.26 纵/横人字形 1392X424 0.46 402 纵/横人字形 654X424 0.148 405 纵/横人字形 1091X424 0.80 5

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80 纵/横人字形 1754X610 0.81 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 250 250 250 250 250 500 500 1500 1500 1500 805 纵/横人字形 1194X610 0.40 130 纵/横人字形 2195X810 1.28 1306 纵/横人字形 1635X810 0.81 1309 纵/横人字形 2008X810 1.41 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0.035m2、最大的单板换热面积为1.55m2。

（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1-3 HISAKA公司板式换热器技术特性

单位换处理量最高工作最高工作 型号 热面 (m/h2最大单台换热面积(m2) 15 60 150 150 260 5 100 250 500 800 3压 力温 度 (MPa) (C) 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 积(m) ) EX-1 水平平直波纹板片 EX-15 EX-16 EX-11 EX-12 UX-01 人字形波纹板片 UX-20 UX-40 UX-60 UX-80 0.157 0.314 0.55 0.71 0.8 0.087 0.375 0.76 1.16 1.70 23 140 240 460 883 36 140 540 900 1520 6

0.4 1.2 1.2 1.2 1.0 1.5～2.0 1.5～2.0 1.5～1.8 1～1.3 1～1.3 兰州交通大学毕业设计(论文)

1.4 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0.52m2的水平平直波纹板片的板式换热器，这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0.3m2，这对我国板式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；

（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

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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EM Sparrow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。

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2. 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2-2 [a]、[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：

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M1N1M2N2···+MiNi （2-1）

m1n1m2n2···+mini式中：M1、M2 …Mi—指从固定压紧板开始，甲流体侧流道数相等的流程数；

N1、N2…Ni—M1、M2 …Mi中的流道数；

m1、 m2 、mi—指从固定压紧板开始，乙流体侧流道数相等的流程数； n1、n2、ni— m1、 m2 、mi 中的流道数。

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。

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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

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2.4板片

选用板片是传热元件，一般由0.6～0.8mm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

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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。

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Hard plate)，小人字角的板片称为L板片(软板Soft plate)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25～30 %。

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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2-7 H、M、L流道性能示图

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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 (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(m)将是换热面积(m2)的6～8倍，超过了任何其它类型的换热器。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。

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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150C以下，最高不超过200C（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：

抗张强度：80105Pa 相对伸长：200% 邵氏硬度：6580 永久变形：20% 增减量：15%(15%) 压缩变形：10%

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360C。压缩石棉垫片由于含橡胶量甚少，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

垫片材料及代号 适用温度 丁晴橡胶 三元乙丙橡胶 氟丁橡胶 N E F 0～180 硅橡胶 Q 石棉纤维板 A -20～110 -50～150 -40～100 20～250 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。

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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

项目 最大单板面积，m2 最大单台面积，m2 最高工作压力，MPa 最高工作温度C 橡胶垫片 石棉垫片 单台流量 总体热系数 17

国外 4.75 2200 2.5 <200 <250 3600 3500～7500 国内 2 ～1000 2.5 <200 <250 兰州交通大学毕业设计(论文)

3.1 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3～5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

（图3-1）的板间流道，是一个截面多变、曲折的流道见。

1

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

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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2～5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1/5～1/10。

（4）板式换热器的板片厚度仅为0.4～0.8mm，管壳式换热器的换热管厚度为2.0～2.5mm；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C，而管壳式换热器大约为5C，这对于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%。

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（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1/3～1/10。

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1m2以上时，其工作压力往往低于2.5MPa。 （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C以下；用压缩石棉绒垫片时，最高工作温度为250～260C。 （3）固体介质

板式换热器的板间通道很窄，一般为3～5mm，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

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项目 温度交叉 末端温差 多种介质操作 管线连接 总传热系数比 设备重量比 滞液体积 占地面积 变更程数 最高工作压力，MPa 对含颗粒较差固体 板式换热器 能 约1 能 可集中在一个方位 3～5 1 小 1 可以改变流程组合 2.5 较差 不能 要几个方位设在 1 3～10 大 2～5 不能 决定于设计 可以 管壳式换热器 不能 5

4. 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

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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，如不合适就再重颜计算，一直到满意为止。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。

4.2.1 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（或称为强迫流动）换热，即流体在泵或风机等外力作用下流动时的换热，如：热水在泵的驱动下，在管内流动时的换热。一般情况下，强制流动时，流体的流速高于自由流动时，所以强制流动的对流换热系数高。如：空气的自由流动换热系数约为5～25W /(mC) ，而它的强制流动传热系数为10～100W /(mC) 。

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影响对流换热的因素很多，如流体的物性（比热容、导热系数、密度、粘度等），换热器表面形状、大小，流体的流动方式，都会影响对流换热，而且情况很复杂。在传热计算上为了方便，建立了以下的对流换热量的计算公式（牛顿冷 却公式）：

Qh(twtf)A (4-1)

式中： Q-换热量，kJ/h；

h-对流换热系数，W /(mC) ；

tw 、tf-分别为壁面温度与流体温度，C。 A-换热面积，m2。

有该公式可见，影响对流换热的因素都被归结到对流换热系数中，对流换热系数数值上的大小反映了对流换热的强弱。

4.2.2 相变换热

在对流换热中发生着蒸汽的凝结或液体的沸腾（或蒸发）的换热过程，统称为相变换热。由于在这类换热过程中，同时发生着物态的变化，情况要比单相流体中的对流换热复杂得多，所以，相变换热问题成为一个独立的研究领域，而一般的对流换热问题也就仅指单相流体而言。

（1）凝结换热

蒸汽和低于相应压力下饱和温度的壁面相接触，在壁面上就会发生凝结。蒸汽释放出汽化潜热而凝结成液体，这种放热现象称为凝结换热。

按照蒸汽在壁面上的凝结形式不同，可分为两种凝结。一种为膜状凝结，即凝结液能很好地润湿壁面，凝结液以颗粒状液珠的形式附着在壁面上，如水蒸汽在有油的壁面上凝结情况。膜状凝结时所释放出来的潜热必须通过凝结膜才能供给较低温度的壁面，显然，这层液膜成为一项热阻。而珠状凝结时，换热是在蒸汽与液珠表面和蒸汽与裸露的冷壁间进行的，所以膜状凝结传热系数要比珠状凝结传热系数低，如：水蒸汽在大气压下，膜状凝结传热系数约为6000104W/(m2C)，但是在工业过程中，一般都是膜状凝结，除非对壁面进行预处理或在蒸汽中加入促进剂。

（2）沸腾换热

液体在受热情况下产生的沸腾或蒸发吸热过程，称为沸腾换热，这是一种流体由液相转变为气相的换热过程。

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液体在受热表面上的沸腾可分为大空间沸腾（池沸腾）和有限空间沸腾（强迫对流沸腾）。不论哪种沸腾，又都有过冷沸腾和饱和沸腾之分。过冷沸腾是在液体主流温度低于相应压力下的饱和温度而加热壁面温度已超过饱和温度的条件下所发生的沸腾现象。饱和沸腾则是液体的主流温度超过了饱和温度，从加热壁面产生的气泡不再被液体重新凝结的沸腾。

4.2.3导热

在板式换热器中，板片及垢层的传热均属于导热。由于板片及垢层的厚度和板面尺寸相比很小，所以导热过程可认为是沿厚度方向的一维导热，其计算公式为：

t QA （4-2）

式中： Q-换热量，kJ/h；



-导热系数，W /(m·C) ；

t-导热温差，C； A-换热面积，m2。

4.3 热力计算

热力计算的目的在于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。

4.3.1 一般设计要求

（1）板间流速

流体在板间流动，其流速是不均匀的，在主流线上的流速，约为平均流速的4～5倍，在一个流程内每个流道的流速也不均匀（见图4-1）。为使流体在板间流动时，处于充分的湍流状态，宜取板间的平均流速0.3～0.8m/s。流速低于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，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。在阻力降容许的情况下取大值，以提高对流传热膜系数，从而减小换热面积，节省设备投资。

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图4-1 并联U型和Z型流程板间流道的流体流速变化图

（2）流程组合

一般来说，对于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。程数宜少，冷、热介质等程，逆向流动布置，这样的流程组合，温差修正系数较大。（见图4-1）并联U型的流程组合也常常被采用，因为这种流程组合，可把冷、热流体的进、出口接管，都集中到固定压紧板上，拆卸清洗时，可不拆卸外部接管。对用于冷凝和蒸发的工况，只能采用单程，且被冷凝的流体应从上而下，便于排出冷凝液;对于蒸发的工况，则相反，蒸发的介质采用单程，由下而上，使蒸汽从上部排出。

（3）板片选择

恰当的单板面积，可得到较好的流程组合，使得程数少，流体阻力小。角孔的尺寸与单板面积有一定的内在联系，为使流体通过角孔流道不致损失过多压力，一般取流体在角孔中的流速为4～6m/s，表4-1列出了单板面积和处理量的关系，表中流体通过角孔以6m/s计算的。

表4-1 单板面积与处理量的关系

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单板面积， m 2

0.1 0.2 0.3 0.5 0.8 4）

40～50 65～90 80～100 125～170 175～200 材料

27～42 71～137 108～170 265～380 520～680 选择

（

角孔直径， mm 单台最大理量，m/h 3板片的原材料厚度为0.6～0.8mm，压制成波纹板后允许有25%的减薄量.于是最薄处的厚度为0.45～0.6mm，对板片采用表面防腐措施是难以奏效的，因此一定要选用耐腐蚀的材料进行制造。

垫片材料既要耐温又要耐腐蚀。各种垫片材料容许的适用温度。

波纹板的型式，应按工艺条件进行选择，人字形波纹板片是广为采用的板片，人字角大的板片(如：120，称为H板片)，适用于允许阻力损失较大，而要求传热效率高的场合;人字角小的板片(如70，称为L板片)，适用于对阻力损失限制极严的场合。水平平直波纹板片则适用于对传热效率、阻力损失都适中的场合。对于两种换热流体，其流量差别甚大，则应考虑选用非对称流道(或称宽窄间隙流道)的板片来组装板式换热器。对于两换热流体的对数温度很大，流量差亦很大的换热工况，选用长宽比较小的波纹板较为理想。

（5）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于纯逆流时。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，但由于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。

（6）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而定，流速的高低受制于允许压降，在可能的最大流速以内，并联流道数目取决于流量的大小。

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（7）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。

4.3.2 设计计算公式和曲线

（1）传热的基本方程式

QKAmt （4-3） 式中：Q-传热量，kJ/h； A-换热面积，m2；

K总-传热系数，W/(m2K)；

tm-传热平均温差，系对数平均温差乘以板片组合校正系数，（2）换热量计算式

QqmCp(t't'') （4-4） 式中：qm-流体质量流量，kg/h； Cp-流体比热容，kJ/(kgK)；

t'、t''-分别表示某流体进出口温度，C。

（3）加热水流通段面积计算式

f'Gd3600v'M （4-5） 式中：f'd-流通段面积，m2； G-传热量，kJ/h； v'板-内取定流速,m/s； -水的密度，kg/m3； M-流程数。 （4）流道数的计算

n=f'df （4-6）

d27

C。 兰州交通大学毕业设计(论文)

式中： n-流道数；

fd'-流通段面积，m2； fd-单通道流通截面积，m2。

（5）流道内实际流速的计算

G （4-7） v=3600nfdM式中：v-流道内实际流速，m/s； G-传热量，kJ/h。 （6）换热面积计算式

F'F （4-8） (MnMn1)d1122（7）雷诺数计算式

vde Re= （4-9）

式中： de-当量直径，m； -运动粘度，m2/s。 （8）对流传热准则数关系式

NuCRenPr(0.3或0.4) （4-10）

式中： C-系数，由实验求得； N-指数，由实验求得； Re-雷诺准则数，无因次； Pr-普朗特准数，无因次。

这一关联式有很多，各个厂家生产的板片不同，所得到的关联式也不尽相同。 参考公式如下：

Nu0.35Re0.7Pr0.33 （4-11）

典型的数据为： 系数为0.15～0.40；

Re指数为0.65～0.85；

Pr指数为0.30～0.45(通常为0.33)。

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（9）换热面积计算式

ANeA0(N2)A0 （4-12）

式中：A-换热器换热面积，m2； A0-单板换热面积，m2； Ne-有效传热板片数； N-总的板片数。

(10)对流传热系数计算式

Nu= （4-13）

de式中：-对流换热系数，W/(m2K)；

(11)总传热系数计算式

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，污垢层热阻R1，板片热阻p，板片冷侧流体传热热阻，

1污垢层热阻R2。它们之和即为总热阻，总热阻的倒数也就是总传热系数，其计算式为：

K=(11R1R2)1 (4-14) 1p2式中: 1和2-分别为板片两侧的传热膜系数，W/(m2K)； R1和R2-板片两侧污垢系数，W/(m2K)； -板片厚度，m；

p-板片导热系数，W /(mK) 。

（12）传热温差tm计算式

tmtlm （4-15）

tlmtmaxtmin （4-16）

tmaxlntmin 式中：tmax和tmin-逆流换热时冷热两流体端部温差的最大值和最小值，C；

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tlm-对数平均温差，C；

-随不同的流程组合，导致冷热流体流动方向差修正系数，可从图查取。

图-2 并联流程（框式）组合对数平均温差修正系数

图4-3 串联流程组合对数平均温差修正系数

图4-4 多程流程组合的对数平均温差修正系数

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（13）当量直径计算式

de4Wb/2(b)2b （4-17）

式中 ： -板间流速宽度，m； b-板间流道平均间隙，m； d-板间当量直径，m。 （14）流体阻力计算欧拉数Eu关联式

Eu=bRed （4-18）

式中 系数b、指数d—随不同型式的板片而异，又是实验求得，制为造厂为其提供的公式中已确定具体的数值。

或Eu=bRed2=Eu2 （4-19） 式中： -流速，m/s； -流体密度，kg/m3。 选欧拉关系式为：

Eu219451Re0.865 （4-20）

（15）压降计算关联式

pEuv2 （4-21）

（16）污垢热阻的选择

表4-2 污垢的选取

流体名称 软水或蒸馏水 城市用软水 处理过的冷却水 海水或港湾水 大样的海水 河水，运河水 污垢热阻 0.000009 0.000017 0.000034 0.000043 0.000026 0.000043 流体名称 机器夹套水 润滑油水 植物油 有机溶剂 水蒸气 一般流体 污垢热阻 0.000052 0.000009～0.000043 0.000007～0.000052 0.000009～0.000026 0.000009 0.000009～0.000052 4.3.3 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： （1）选用经验公式

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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4-3列出了一般情况下板式换热器的总传热系数值。

表4-3板式换热器的经验总传热系数K值

物料 K(kJ/(m2K)) 水—水 2000～4650 水蒸气—油 冷水—油 油—油 870～930 400～580 175～350 气—水 28～58 （2）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。但由于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。

4.4 设计工艺条件

热水锅炉的进出口温度为90C/70C； 生活热水配水温度为40C； 若市政上计算过程额水温为30C； 生活水量为150吨/时；

高温水和被加热水经过板式换热器的压降均不大于0.5MPa。 （1）已知工艺参数

热侧 t'1=90C t''1=70C

MP a p11.0冷侧 t'225C t''240C

MP a p1.0510kg h/ G21.5（2）物性数据

热侧在平均温度下取值 t1=(90+70)/2=80C下取值：

1=971.8kg/m3

Cp14.195kJ/(kgK)

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1=0.674W/(mK)

10.365106m2/s

Pr12.21

冷侧在平均温度下取值 t2（25+40）/2=32.5C下取值：

2=995.79kg/m3

Cp24.174kJ/(kgK)

2=0.674W/(mK)

20.768106m2/s

Pr25.14

（3）选BR0.5A型板式换热器 单片换热面积 Fd=0.5m2； 单通流道截面积 fd=0.00161m2； 板片平均间隙 b=3.8mm； 板片当量直径 de=7.6mm； 板片厚度 =0.6mm。 (4)求换热量及流量

被加热水量 G21.5105kg/h

'''传热量 QG2C2p(t2t2)=1.51054.17415=26348250kJ/h

加热水量 G1Q26348250==242529.79kg/h '''C1p(t1t1)4.19520(5)求流通段面积

取加热水流程 M11 取被加热水流程 M21

m/s取加热水流速 v1'0.6

'取被加热水流速 v2 0.4m/s加热水的流通段面积

G126348250 f'd1==0.114m2 '3600v11pM136000.6971.8133

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被加热水的流通段面积

G21.5105' fd2==0.10m2 '3600v22pM236000.4995.791(6)选定流道数

f'd10.114加热水流道数 n1===70.8

fd0.001161f'd20.10==62.1 被加热水流道数 n2=fd0.00161初步取流道数为 n175

n274

(7)求换热面积 F'Fd(M1n1M2n21)=0.5（175+174-1）=74m2

(8)求实际流速 加热水实际流速

G1 v1=3600n1fd1pM被加热水实际流速

G2 v2=3600n2fd2pM=1242529.79=0.m57s /3600750.00161971.8151.510==0.m35s /3600740.00161995.7912(9)求雷诺数及努塞尔数

vd0.570.0076 Re1=1e==11868

10.35610-6 Re2=v2de2=0.350.0076=3463.5

0.76810-60.3310.7 Nu1=0.351Re0.7 Nu2=0.352RePr.7=0.351018680.7=0.353463.5 212.323.40.332Pr 5.14=180.4 （10）求对流传热膜系数

Nu323.40.674=28680.5W/m2K 加热侧 1=11=de0.007634

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Nu22180.40.642==15239W/m2K de0.0076被加热侧 2= （11）板片的选择及导热热阻的确定

选用材料 1Cr18Ni9

6 板片厚度 =0.mm板片导热系数 p16.7W/mK 板片的导热热阻 p0.000616.30.0000368 W/m2K

2/mK（一般流体） 45 （12）两侧污垢系数 R10.0000W2/mK（一般流体） 45 R20.0000W式中： R1为加热侧污垢系数；

R2为被加热侧导热系数。 (13)总的传热系数的计算

K(1111R1R2)1(0.0000450.00003680.000045)=2413W/m2K1p228680.5152399

(14)实际传热面积的计算

a: 对数平均温差

ttmin(9040)(7025)tlmmax=47.4C

t(9040)lnlnmax(7025)tmin查表得温度修正系数为： =0.94

传热温差 tmtlm=0.9447.4=44.56C b:实际传热面积

FQ26348250==68m2

Ktlm4399.444.563.6c:面积校核

=FF'F6874100%8.810 满足

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（15）压降计算及校核 加热侧欧拉数

Eu1219451Re10.865=219451(11868)0.868=65.6 加热侧压降

p1Eu11v12=65.6971.8(0.57)2=20712.4Pa 被加热侧欧拉数

Eu2219451Re20.865=219451(3463.5)0.865=190.39 被加热侧压降

2p2Eu22v22=190.39995.79（0.35）=23224.6Pa

压降校核

p10.21MPa1.0MPa 满足

p20.23MPa1.0MPa 满足

4.4.1 计算综述表

表4-4 热力计算

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序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 计算项目 加热水的初温 加热水的中温 加热水的平均温度 加热水密度 加热水比热容 被加热水初温 被加热水中温 被加热水平均温度 被加热水密度 被加热水比热容 被加热水量 传热量 加热水量 加热水流程 被加热水流程 加热水流速 符号 单位 计算公式或图表 已知 已知 数值 90 70 t1' t1'' t1p C C C t1't1''t1p2查表 查表 已知 已知 80 971.8 4.195 25 40 32.5 995.79 4.174 1.5E+05 26348250 242529.79 1 1 0.6 1p C1p ' t2kg/m3 kJ/(kgK) C C C '' t2t2p t2p2p C2p G2 Q kg/m3 t2't2'' 2查表 查表 已知 kJ/(kgK) kg/h kJ/h kg/h QG2C2p(t2''-t2') G1Q '''C1p(t1t1)G1 M1 m/s

初步选定 初步选定 取定 M2 v'1 37

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17 加热水的流通段面积 被加热水流速 被加热水流通段面积 f'd1 m2 f'd1 G13600v'11pM1取定 0.114 18 19 v'2 f'd2 m/s 0.4 0.10 m2 f'd2

G23600v'22pM2

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表4-5 换热器初选及型号参数

序号 计算项目 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 板片型号 板片宽度 板片平均间隙 板片当量直径 板片换热面积 单通道流通截面积 加热水流道数 被加热水流道数 加热水实际流速 被加热水实际流速 换热面积 符号 BR0.5 w b 单位 mm mm mm 计算公式或图表 选定 查表 查表 2b 数值 500 3.8 7.6 0.5 0.00161 70.8 62.1 0.57 0.35 de Fd fd m2 m2 查表 查表 f'd1n1= fdn1 n2 m/s m/s v1 f'd2n2= fdG1 v1=3600n1fd1pM1v2 F' v2=G2 3600n2fd2pM230 m2 F'Fd(M1n1M2n21) 74

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表4-6 换热系数的计算

序号 31 32 33 34 35 计算项目 普朗特数 导热系数 运动粘度 雷诺数 努塞尔特数 对流换热系数 普朗特数 符号 Pr1单位 W/m·K m2/s 计算公式或图表 查表 查表 查表 vdRe1=1e 1数值 2.21 0.674 0.365E-06 11868 323.4

1 1 Re1 Nu1

Nu1=0.35Re10.7Pr10.33 36 1 Pr2W/(m2K) W/(mK) m2/s 1=Nu11 de28680.5 37 查表 5.14 38 导热系数 2 查表 0.642 39 运动粘度 2 Re2 查表 Re2=v2de0.768E-06 40 雷诺数 23463.5 41 努塞尔数 对流换热系数 Nu2 Nu2=0.35Re20.7Pr20.33 180.4 42 2 W/(m2K) 2=Nu22 de15239

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43 加热侧 R1 查表 0.000045 44 被加热侧 R2 查表 0.000045 镍络钢 （1Cr18Ni9） 0.6 45 选用材料 46 板片厚度 板片导系数 板片导热热阻 总传热系数  mm W/mK查表 47 p 2查表 16.3 48 p 3.68E-05 49 K 111K(RR) W/mK121p2 2413

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表4-7 实际传热面积计算

序号 计算项目 符号 单位 计算公式 数值 tlm50 对数平均温差 tlm C tmaxtmin tmaxlntmin 47.4C 51 52 53 温差修正系数 传热温差 传热面积   C 按有效板片数查图 tmtlm FQ Ktlm0.94 44.56C 68 tm F m2  54 校核

表4-8 压降计算

=FF'F100% 8.8<10 序号 55 56 57 58

计算项目 加热侧欧拉数 加热侧压降 符号 单位 计算公式 数值 65.6 备注 Eu1p1 Pa Pa Eu1219451Re10.865 p1Eu11v12 Eu2219451Re20.865 p2Eu22v22 被加热被欧拉数 Eu2被加热侧压降 20712.4 压降皆 小于 190.39 0.5MPa 23224.6 p242

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5. 经济与技术分析

5.1 技术经济分析的原则

技术经济的分析是在不同的技术方案上进行的，因此，对于每个计划要进行的工程项目，都要根据可能的条件，拟定两个或更多的技术方案，彼此间以可比条件进行研究、分析与对比，从中优选出较为理想的技术方案。

拟定的各技术方案之间的技术经济指标应有可比性，诸如：传热面积、传热系数、介质的应用特性及技术参数、设备的安装条件、动力消耗指标等方面。

经济效益的计算原则上也需要有可比性。任何一项项目的实施，都必然要消耗一定的人力、物力、财力。这些都可以用经济指标作为同一的衡量尺度，以便于进行计算比较。

时间因素的可比性。各方案在其技术经济分析的时候，应该采用相同时间内的经济影响因素，或拆算为相同周期作为对比条件，这样，才便于比较与分析。

5.2 技术经济分析的标准

（1）技术标准

随着科学技术的不断发展，换热技术以及换热设备也在不断地发展与改进，力求技术上先进、可靠、安全与适用，这是我们在评价换热技术水平好坏的首要条件。

（2）经济指标

同其他任一工程项目一样，应对拟议的换热项目的经济条件及经济效益加以研究与重视。必须力求投资少，建设快，一投入使用周期短、经济效益好作为衡量的条件。

（3）政策标准

对于换热项目的工艺来说，所谓政策标准，就是要符合我国已定的技术方针政策，例如我国现行的能源政策、环境保护与治理等相关政策。

（4）社会标准

在讨论技术方案的时候，应该考虑工人的生产劳动条件的改善，生活条件的改善与提高。如在建设一座换热站的时候应该考虑其社会效益。

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结论

在这两个多月的设计时间里使我受益匪浅，在指导老师的帮助下，通过本设计我对板式换热器有了一定的认识，并能够设计比较基本的板式换热器。繁冗的设计过程和大量的资料查找，使我感到小有成就感。在图书馆找到几本书对设计只是大体上的讲解，简绍居多，开始拿到这个设计题目感觉无法下手，找资料就成为做本设计的一大难题了，感谢金花老师给提供了兰石机械研究所的一本板式换热器设计手册，虽不完整，但对于我的设计起到了很大的帮助，在图书馆我收集了将近十几个个关于换热器的文献，这对我完成设计起了帮助，利用互联网查到一些厂家提供出来的一些基本参数及关联式，我的部分设计采用四平开元换热设备有限公司的板片参数，其他部件设计准则采用金花老师提供的上海雷林流体设备有限责任公司带来的资料。

本设计的可拆式板式换热器，拆卸方便，重量轻，污垢热阻小，但选用橡胶密封垫耐热温度的限制，所以选用水-水换热

本设计无法做实验，所以只能采用迭代的方法进行大量传热计算和压降的计算，并进行了校核计算，设计确定了换热器的框架结构为双支撑框架式，，板片为双人字形形状，板片的厚度对传热影响很大，最后设计确定的板片厚度为0.6mm，板片数数为149的并联式流程组合方式的板式换热器，并用Auto CAD绘制出板式换热器的零部件图及总装图。最终设计完成要求的BR0.5A型板式换热器的设计。

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致谢

在本文完成之际，向我最尊敬的指导老师金花致以最诚挚的敬意和衷心的感谢，两个多月以来，她不遗余力地对我的设计进行了指导，在我毕业设计的这段时间里，金老师言传身教，身体力行地不断培养我独立思考，解决实际问题的能力，使我受益匪浅。于此同时还要感谢张永恒老师给我提宝贵的建议，还要感谢那些给予我帮助的同学们，也正是有了大家的帮助与鼓励，我的设计才得以顺利完成。同时还要感谢四年来所有的任课老师，为我们打下内燃机知识的基础，为我们以后的工作实践做好了铺垫。

毕业设计虽已完成，但由于知识水平的局限，实际经验缺乏，设计还存在很多不足之处，有很多的方面进行改进，对于这些不足，我会在今后的工作中加以补充，并用自己所学到的知识，服务社会，成为一名合格的社会工作者。

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