板式換熱器設(shè)計(jì)

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本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 題 目 板式換熱器設(shè)計(jì) 系 別 專 業(yè) 班 級(jí) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)老師 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 題 目 板式換熱器設(shè)計(jì) 姓 名 1.畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題的主要任務(wù)： （1）設(shè)計(jì)的主要任務(wù) 換熱器在節(jié)能、能量轉(zhuǎn)換，能量回收，以及新能源利用領(lǐng)域里的重要性日益增加。換熱器也是工業(yè)和科研中廣泛應(yīng)用的換熱設(shè)備之一，其設(shè)計(jì)過程要利用到傳熱學(xué)和流體力學(xué)的知識(shí)。 板式換熱器是由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成的一種新型高效換熱器。板式換熱器通常由薄板組裝而成。種類繁多，如：密封式、焊接式、螺旋板式、板殼式等。該課題要求首先對(duì)各種換熱器進(jìn)行比較，然后選擇一種結(jié)構(gòu)合理、經(jīng)濟(jì)耐用的換熱器，完成相關(guān)的設(shè)計(jì)、計(jì)算，最后畫出裝配圖。通過與工程密切聯(lián)系的課題研究，培養(yǎng)學(xué)生將實(shí)際知識(shí)利用于工程實(shí)踐的能力。 （2）設(shè)計(jì)的主要目的 培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用課程及有關(guān)選修課程基礎(chǔ)理論和基本知識(shí)去完成板式換熱器的設(shè)計(jì)任務(wù)的實(shí)踐能力 （3）設(shè)計(jì)目標(biāo) 設(shè)計(jì)的設(shè)備必須在技術(shù)上是可行的，經(jīng)濟(jì)上是合理的，環(huán)境上是友好的。 （4）設(shè)計(jì)條件 ①處理能力：52t/h熱污水 ②設(shè)備型式：板式換熱器 ③操作條件： 熱污水：入口溫度90℃，出口溫度35℃ 冷卻介質(zhì)：自來水，入口溫度25℃，出口溫度70℃ 容許壓強(qiáng)降：不大于1MPa 每年按330天計(jì)，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行 2.課題的具體工作內(nèi)容（原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求）： （1）查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，了解換熱器的設(shè)計(jì)基本方法； （2）對(duì)板式換熱器的各種類型進(jìn)行比較，然后選擇一種結(jié)構(gòu)合理、經(jīng)濟(jì)耐用的換熱器，作為研究對(duì)象； （3）根據(jù)板式換熱器的特點(diǎn)，完成相關(guān)的設(shè)計(jì)計(jì)算，流道的選擇等，寫出設(shè)計(jì)過程； A .計(jì)算總傳熱系數(shù) B .計(jì)算傳熱面積 （4）換熱器核算 （5）完成板式換熱器的設(shè)計(jì)全過程； （6）畫出板式換熱器的零件圖； （7）畫出板式換熱器的總裝配圖； 3.課題完成后提交的書面材料要求（論文字?jǐn)?shù)，圖紙規(guī)格、數(shù)量，實(shí)物樣品，外文翻譯字?jǐn)?shù)等）： （1）撰寫出1.5萬字以上的論文； （2）零件圖； （3）裝配圖一張； （4）不少于20，000印刷符號(hào)的英文翻譯。 4.主要參考文獻(xiàn)： （1）王毅．過程裝備測(cè)試技術(shù)[M]．北京：北京大學(xué)出版社，2010 （2）馬履中．機(jī)械原理與設(shè)計(jì)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009 （3）余建祖編著．換熱器原理與設(shè)計(jì)．北京航空航天大學(xué)出版社，2006 （4）沙拉、賽庫(kù)里克著．程林譯．換熱器設(shè)計(jì)技術(shù)．北京，機(jī)械工業(yè)出版社，2010 （5）蘭州石油機(jī)械研究所．板式換熱器人字形波紋板片試驗(yàn)總結(jié)報(bào)告[J]，1972 （6）錢頌文等．換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002 （7）楊崇麟．板式換熱器工程設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995 （8）Flavio C.C, Galeazzo, Rsquel Y.Miura, et al. Ex-perimental and numerical heat transfer in a plate heat exchanger. Chemical Engineering Science, 2006, (61):7133-7138 （9）常春梅．國(guó)內(nèi)可拆卸板式換熱器現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)．石油化工設(shè)備．2008，9（37，5） （10）趙曉文，蘇俊林．板式換熱器的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展．冶金能源．2011，1 （11）張曉鋒．淺談板式換熱器．科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)．2009，10 （12）鄒同華，杜建通．板式換熱器設(shè)計(jì)選型及使用中應(yīng)注意的問題．設(shè)計(jì)與安裝 （13）李永新，楊峰，陳文強(qiáng)．板式換熱器失效原因分析及維修方法．工業(yè)生產(chǎn)．2006，4 要求完成日期： 年 月 日 指導(dǎo)教師（簽名）： 接受任務(wù)日期： 年 月 日 學(xué)生（簽名）： 系審批意見： 負(fù)責(zé)人簽字： 年 月 日 摘 要 摘 要 本設(shè)計(jì)是以板式換熱器為設(shè)計(jì)對(duì)象，主要介紹了板式換熱器傳熱原理。板式換熱器是一種高效節(jié)能型換熱設(shè)備,具有傳熱效率高 ,質(zhì)量輕 ,占地面積小 ,易于維修等諸多優(yōu)點(diǎn)。板式換熱器的設(shè)計(jì)主要包括傳熱設(shè)計(jì)和框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。傳熱設(shè)計(jì)主要是根據(jù)介質(zhì)和工況條件確定版式換熱器的型號(hào)及板片的型號(hào)和介質(zhì)的流動(dòng)方式，而確定板片的型號(hào)關(guān)鍵是總傳熱系數(shù)K值的計(jì)算；框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是根據(jù)介質(zhì)的性質(zhì)、板片的尺寸和有關(guān)資料設(shè)計(jì)固定壓緊板，活動(dòng)壓緊板，上、下導(dǎo)桿，夾緊螺柱等零部件的尺寸和材料，并根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定校核各零部件的強(qiáng)度、穩(wěn)定性。 關(guān)鍵詞：板式換熱器，總傳熱系數(shù)K，壓緊板 ABSTRACT This design is detachable plate heat exchanger for design object, mainly introduced the principle of heat, heat exchanger can disassemble phe is an efficient energy-saving heat exchange equipment, with heat transfer efficiency, light quality, cover an area of an area small, easy maintenance, and many other advantages. The heat exchanger design mainly includes the design and structure design of heat. Heat is designed according to the media and the conditions of heat exchanger model and determine the format and medium plate type, and determine the flow is the key of the plate type heat transfer coefficient of total K value calculation, Frame structure is designed according to the properties of medium, the size of the plate and the relevant material design pressure plate fixation, activities, and pressure plate under the guide bar clamping luozhu, etc, the size of the parts and materials, and according to the relevant standards of parts of checking intensity and stability. KEY WORDS：The total heat transfer coefficient of plate heat exchanger, pressureplate I 目錄 目錄 摘 要 I ABSTRACT II 1 緒論 1 1.1 板式換熱器簡(jiǎn)介 1 1.2 板式換熱器的基本結(jié)構(gòu) 1 1.3 平板式換熱器的特點(diǎn) 2 1.4 板式換熱器的應(yīng)用場(chǎng)合 3 1.5 板式換熱器選型時(shí)應(yīng)注意的問題 4 1.5.1 板型選擇 4 1.5.2 流程和流道的選擇 4 1.5.3 壓降校核 5 1.6 結(jié)構(gòu)原理 5 2 板式換熱器國(guó)內(nèi)外研究（設(shè)計(jì)）概況及發(fā)展趨勢(shì) 7 2.1 應(yīng)用前景 7 2.2 研究狀況 7 2.3 發(fā)勢(shì)展趨 8 3 板式換熱器的設(shè)計(jì) 9 3.1 提高傳熱效率 9 3.11 提高板片的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 9 3.12 減小污垢層熱阻 9 3.1.3 選用導(dǎo)熱率高的板片 9 3.1.4 減小板片厚度 9 3.2 提高對(duì)數(shù)平均溫差 10 3.3 進(jìn)出口管位置的確定 10 3.4 降低換熱器阻力的方法 10 3.4.1 采用熱混合板 10 3.4.2 采用非對(duì)稱型板式換熱器 10 3.4.3 采用多流程組合 11 3.4.4 設(shè)換熱器旁通管 11 3.4.5 板式換熱器形式的選擇 11 3.5 橡膠密封墊材質(zhì)及安裝方式 11 3.5.1 材質(zhì)的選擇 11 3.5.2 安裝方式的選擇 11 3.5.3 合理選用板片材質(zhì) 12 4 傳熱工藝計(jì)算 13 4.1 設(shè)計(jì)條件 13 4.2 符號(hào) 13 4.3 已知參數(shù) 14 4.4 板片的選取 14 4.4.1 總熱負(fù)荷的計(jì)算 14 4.4.2 板片的選取 15 4.5 總傳熱系數(shù)K的計(jì)算 16 4.5.1 裕量要求 16 4.5.2 BR0.3的主要幾何參數(shù)及相關(guān)關(guān)聯(lián)式 16 4.5.3 K值的計(jì)算 17 5 板式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核 23 5.1 符號(hào) 23 5.2 已知參數(shù) 24 5.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核 25 5.3.1 板片 25 5.3.2 壓緊板設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核 25 5.3.3 夾緊螺柱設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核 28 5.3.4 導(dǎo)桿設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核 29 5.4 墊片 31 5.5 支柱設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核 32 5.6 開孔補(bǔ)強(qiáng) 33 5.6.1 補(bǔ)強(qiáng)及補(bǔ)強(qiáng)方法判別 33 結(jié) 論 35 參考文獻(xiàn) 36 DESIGN OF HEAT EXCHANGER FOR HEAT RECOVERY IN CHP SYSTEMS 37 I 緒論 1 緒論 1.1 板式換熱器簡(jiǎn)介 換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器。換熱器是實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設(shè)備?？刹鹦栋迨綋Q熱器是一種高效節(jié)能型換熱備，具有傳熱效率高，質(zhì)量輕，占地面積小，易于維修等諸多優(yōu)點(diǎn)。它可以用石墨、陶瓷、玻璃等非金屬材料以及不銹鋼、鈦、鉭、鋯等金屬材料制成。但是用石墨、陶瓷、玻璃等材料制成的有易碎、體積大、導(dǎo)熱差等缺點(diǎn)，用鈦、鉭、鋯等稀有金屬制成的換熱器價(jià)格過于昂貴，不銹鋼則難耐許多腐蝕性介質(zhì)，并產(chǎn)生晶間腐蝕。 板式換熱器是由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成的一種新型高效換熱器。各種板片之間形成薄矩形通道，通過板片進(jìn)行熱量交換。它與常規(guī)的管殼式換熱器相比，在相同的流動(dòng)阻力和泵功率消耗情況下，其傳熱系數(shù)要高出很多，在適用的范圍內(nèi)有取代管殼式換熱器的趨勢(shì)。 板式換熱器是液—液、液—汽進(jìn)行熱交換的理想設(shè)備。它具有換熱效率高、熱損失小、結(jié)構(gòu)緊湊輕巧、占地面積小、安裝清洗方便、應(yīng)用廣泛、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。在相同壓力損失情況下，其傳熱系數(shù)比管式換 熱器高3-5倍，占地面積為管式換熱器的三分之一，熱回收率可高達(dá)90%以上。板式換熱器廣泛應(yīng)用于冶金、石油、化工、食品、制藥、船舶、紡織、造紙等行業(yè)，是加熱、冷卻、熱回收、快速滅菌等用途的優(yōu)良設(shè)備。 板式換熱器的型式主要有框架式（可拆卸式）和釬焊式兩大類，板片形式主要有人字形波紋板、水平平直波紋板和瘤形板片三種。 對(duì)于可拆卸式板式換熱器 ,墊片的密封性決定了整個(gè)換熱器的性能。墊片經(jīng)多次松開和壓緊容易損壞，需要更換。墊片是用機(jī)械或粘接的方式嵌入溝槽的。板式換熱器屬于壓力容器，必須定期檢查，檢查腐蝕狀態(tài)，如有腐蝕，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，必須修理，當(dāng)腐蝕嚴(yán)重，不可能修復(fù)，必須更換新件。板式換熱器一經(jīng)選定，便不可隨便作它用，否則會(huì)造成嚴(yán)重后果。 我國(guó)可拆卸板式換熱器經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，已經(jīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，在有些方面已接近國(guó)際先進(jìn)水平，但仍然有較大差距。 1.2 板式換熱器的基本結(jié)構(gòu) 平板式換熱器由一組長(zhǎng)方形的薄金屬傳熱板片構(gòu)成，用框架將板片夾緊組裝于支架上。兩個(gè)相鄰板片的邊緣襯以墊片壓緊密封。墊片的材質(zhì)通常采用各種橡膠或壓縮石棉等組成，根據(jù)不同的處理介質(zhì)選用。板片四個(gè)角上開有圓孔，墊片疊加組裝后構(gòu)成流體的通道。溫度不同的流體介質(zhì)分別從板片的兩側(cè)流過，從而通過墊片進(jìn)行熱交換。 平板式換熱器的板片一般比較薄，其厚度一般為0.5-3mm，其表面通常分別壓制成各種波紋型或槽型，既可以增強(qiáng)板片的強(qiáng)度，同時(shí)也可以改變流體的流動(dòng)狀態(tài)，增強(qiáng)流體的湍流程度，提高換熱效率。 平板式換熱器可以用于處理從水到粘度的液體，可用于加熱、冷卻、冷凝、蒸發(fā)等過程。在化工行業(yè)中用于冷卻氨水、工業(yè)處理廢水、冷卻合成樹脂等；在食品工業(yè)中，廣泛用于食品的加熱殺菌和冷卻；在生活設(shè)施中可用于制冷、加熱；同時(shí)，板式換熱器還廣泛用于制堿、制酸、染料、鋼鐵、機(jī)械、電力、造紙、制藥、紡織等行業(yè)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，平板式換熱器可以得到更為廣泛的應(yīng)用。 換熱板片的尺寸，常見的寬度為200-1000mm，板高可達(dá)2000mm，兩板之間的間距一般為4-6mm，板片的數(shù)目可以根據(jù)需要的換熱能力進(jìn)行增減，這也是平板式換熱器較其他換熱器的優(yōu)點(diǎn)。板片的形式有很多種類，最常用的有水平平直波紋板結(jié)構(gòu)、人字形板片結(jié)構(gòu)等。其中波紋的截面形狀又分為三角形、梯形。 流體的流向與波紋成一定的傾角或垂直，形成曲折流動(dòng)，增強(qiáng)流動(dòng)的擾動(dòng)。平板式換熱器的主要優(yōu)點(diǎn)：1.在低流速下可以獲得高的傳熱系數(shù)；2.熱效率高；3.結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小，很小的空間就可以提供較大的換熱面積，單位體積內(nèi)具有的換熱面積是列管式換熱器的1.7倍以上；4.成本低。 1.3 平板式換熱器的特點(diǎn) 1、平板式換熱器的缺點(diǎn)主要是由于受結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和墊圈材質(zhì)的限制，操作壓力和溫度較低，而且由于板間的間隙小，所處理的容量也有限。一般其操作壓力應(yīng)控制在1.5MPa以下；對(duì)合成橡膠墊圈，其適用溫度應(yīng)不高于130℃，對(duì)壓縮石棉墊圈，其適用溫度應(yīng)不高于250℃。 板式換熱器是將板片以疊加的形式裝在固定壓緊板、活動(dòng)壓緊板中間，然后用夾緊螺栓夾緊而成（見圖1-1）。 圖1-1板式換熱器 2、主要零部件、材質(zhì)和技術(shù)條件 板式換熱器主要由板片、密封墊片、固定封頭（頭蓋）、夾緊螺栓、掛架等組成。 換熱墊片：主要起換熱作用，按各種介質(zhì)的腐蝕性能與不同的工藝條件而采用不同的耐腐蝕材料，主要有鍍鋅鋼板、銅、不銹鋼、鈦材等，一般寬長(zhǎng)比為1：3較適宜。 （A）密封墊片：主要起密封作用，材質(zhì)是根據(jù)介質(zhì)的腐蝕性能及溫度來選用，常用的有合成橡膠如乙丙膠、氯丁橡膠和丁晴橡膠以及石棉橡膠，其形狀根據(jù)板片結(jié)構(gòu)而定。安裝一般用各種膠粘劑接在換熱板片的溝槽內(nèi)，適用壽命一般為1-2年。橡膠密封墊片的主要技術(shù)要求包括耐高溫、低溫，尤其是在高溫時(shí)應(yīng)選用特種耐高溫橡膠；永久變形小；無毒。 （B）封頭（頭蓋）：有固定封頭和活動(dòng)封頭，主要起夾緊板片確保密封的作用。封頭一般采用碳素鋼，對(duì)腐蝕性介質(zhì)可加耐蝕襯里，也有少部分用鑄鐵。一般來講，工藝介質(zhì)的出口短管全部安裝在固定封頭一側(cè)，以便于拆裝、清洗。 （C）掛架：主要起支撐換熱片的作用，使其拆卸、清洗和組裝方便。一般采用碳素鋼，通常都設(shè)有軌道，也可以配置起吊掛鉤、滑輪等拆裝設(shè)施。 1.4 板式換熱器的應(yīng)用場(chǎng)合 a.制冷：用作冷凝器和蒸發(fā)器。 b.暖通空調(diào)：配合鍋爐使用的中間換熱器、高層建筑中間換熱器等。 c.化學(xué)工業(yè)：純堿工業(yè)，合成氨，酒精發(fā)酵，樹脂合成冷卻等。 d.冶金工業(yè)：鋁酸鹽母液加熱或冷卻，煉鋼工藝?yán)鋮s等。 e.機(jī)械工業(yè)：各種淬火液冷卻，減速器潤(rùn)滑油冷卻等。 f.電力工業(yè)：高壓變壓器油冷卻，發(fā)電機(jī)軸承油冷卻等。 g.造紙工業(yè)：漂白工藝熱回收，加熱洗漿液等。 h.紡織工業(yè)：粘膠絲堿水溶液冷卻，沸騰硝化纖維冷卻等。 i.食品工業(yè)：果汁滅菌冷卻，動(dòng)植物油加熱冷卻等。 j.油脂工藝：皂基常壓干燥，加熱或冷卻各種工藝用液。 k.集中供熱：熱電廠廢熱區(qū)域供暖，加熱洗澡用水。 l.其他：石油、醫(yī)藥、船舶、海水淡化、地?zé)崂谩? 1.5 板式換熱器選型時(shí)應(yīng)注意的問題 1.5.1 板型選擇 板片型式或波紋式應(yīng)根據(jù)換熱場(chǎng)合的實(shí)際需要而定。對(duì)流量大允許壓降小的情況，應(yīng)選用阻力小的板型，反之選用阻力大的板型。根據(jù)流體壓力和溫度的情況，確定選擇可拆卸式，還是釬焊式。確定板型時(shí)不宜選擇單板面積太小的板片，以免板片數(shù)量過多，板間流速偏小，傳熱系數(shù)過低，對(duì)較大的換熱器更應(yīng)注意這個(gè)問題（見圖1-2）。 圖1-2板型選擇 1.5.2 流程和流道的選擇 流程指板式換熱器內(nèi)一種介質(zhì)同一流動(dòng)方向的一組并聯(lián)流道，而流道指板式換熱器內(nèi)，相鄰兩板片組成的介質(zhì)流動(dòng)通道。一般情況下，將若干個(gè)流道按并聯(lián)或串聯(lián)的型式連接起來，以形成冷、熱介質(zhì)通道的不同組合。 流程組合形式應(yīng)根據(jù)換熱和流體阻力計(jì)算，在滿足工藝條件要求下確定。盡量使冷、熱水流道內(nèi)的對(duì)流換熱系數(shù)相等或接近，從而得到最佳的傳熱效果。因?yàn)樵趥鳠岜砻鎯蓚?cè)對(duì)流換熱系數(shù)相等或接近時(shí)傳熱系數(shù)獲得較大值。雖然板式換熱器各板間流速不等，但在換熱和流體阻力計(jì)算時(shí)，仍以平均流速進(jìn)行計(jì)算。由于“U”形單流程的接管都固定在壓緊板上，拆裝方便。 1.5.3 壓降校核 在板式換熱器的設(shè)計(jì)選型使，一般對(duì)壓降有一定的要求，所以應(yīng)對(duì)其進(jìn)行校核。如果校核壓降超過允許壓降，需重新進(jìn)行設(shè)計(jì)選型計(jì)算，直到滿足工藝要求為止。 1.6 結(jié)構(gòu)原理 可拆卸板式換熱器[1]是由許多沖壓有波紋薄板按一定間隔，四周通過墊片密封，并用框架和壓緊螺旋重疊壓緊而成，板片和墊片的四個(gè)角孔形成了流體的分配管和匯集管，同時(shí)又合理地將冷熱流體分開，使其分別在每塊板片兩側(cè)的流道中流動(dòng)，通過板片進(jìn)行熱交換，見圖1-3。 圖1-3板式換熱器流程圖 板式換熱器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)： 1)、高效節(jié)能：其換熱系數(shù)在3000-4500kcal/m20Ch，比管殼式換熱器的熱效率高3～5倍。 2)、結(jié)構(gòu)緊湊：板式換熱器板片緊密排列，與其他換熱器類型相比，板式換熱器的占地面積和占用空間較少，面積相同換熱量的板式換熱器僅為管殼式換熱器的1/5。 3)、容易清洗拆裝方便：板式換熱器靠夾緊螺栓將夾固板板片夾緊，因此拆裝方便，隨時(shí)可以打開清洗，同時(shí)由于板面光潔，湍流程度高，不易結(jié)垢。 4）、使用壽命長(zhǎng)：板式換熱器采用不銹鋼或鈦合金板片壓制，可耐各種腐蝕介質(zhì)，膠墊可隨意更換，并可方便在、拆裝檢修。 5）、適應(yīng)性強(qiáng)：板式換熱器板片為獨(dú)立元件，可按要求隨意增減流程，形式多樣；可適用于各種不同的、工藝的要求。 6）、不串液，板式換熱器密封槽設(shè)置泄液液道，各種介質(zhì)不會(huì)串通，即使出現(xiàn)泄露，介質(zhì)總是向外排出。近年來，板式換熱器技術(shù)日益成熟，其換熱效率高，體積小，重量輕，污垢系數(shù)低，拆卸方便，板片品種多，適用范圍廣，在供熱行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。板式換熱器按組裝方式分為可拆式、焊接式、釬焊式、板殼式等。 47 板式換熱器國(guó)內(nèi)外研究（設(shè)計(jì)）概況及發(fā)展趨勢(shì) 2 板式換熱器國(guó)內(nèi)外研究（設(shè)計(jì)）概況及發(fā)展趨勢(shì) 2.1 應(yīng)用前景 余熱利用為代表的中溫及高溫領(lǐng)域內(nèi)（100℃以上）的余熱回收利用技術(shù)已經(jīng)比較成熟,但很少有關(guān)于較低溫度下（100℃及以下）的余熱回收利用的文章。 板式換熱器作為一種在化工，煉油，動(dòng)力，食品，輕工，原子能，制藥，機(jī)械及其它各工業(yè)領(lǐng)域廣泛使用的設(shè)備，它的研究倍受重視，而制造工藝進(jìn)一步機(jī)械化和自動(dòng)化以及采用各種新技術(shù)，在換熱器方面將占有重要的地位。由于它的可靠性高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緊湊，能承受較高的壓力，造價(jià)低，適用范圍廣的特點(diǎn)，使其雖受到其他新型的換熱器的挑戰(zhàn)，卻促進(jìn)了其自身的發(fā)展。由于板片間流通的當(dāng)量直徑小，板形波紋使截面變化復(fù)雜，流氣的擾動(dòng)作用激化，在較低流速下即可達(dá)到湍流，具有較高的效率，還可用于處理從水到高粘度的液氣的加熱、冷卻、冷凝、蒸發(fā)等過程。 我國(guó)可拆卸板式換熱器主要應(yīng)用于城市集中供熱、石油、化工、輕工、冶金和電力等行業(yè)中溫度、壓力、介質(zhì)不是非?？量痰墓r，其中每年用于城市集中供熱的可拆卸板式換熱器臺(tái)數(shù)約占產(chǎn)品總數(shù)的70%。盡管近幾年新的板型不斷問世,應(yīng)用領(lǐng)域隨之拓展，如高NTU值板片的問世，使我國(guó)產(chǎn)品進(jìn)入了傳熱溫差1℃的制冷空調(diào)領(lǐng)域；寬間隙板片的問世，使我國(guó)產(chǎn)品進(jìn)入了酒精、制糖等粘性、顆粒性介質(zhì)行業(yè)。但在核電、冶金、電力、船舶等大型產(chǎn)品及特殊板材需求量較大的領(lǐng)域仍然應(yīng)用較少，主要原因是高技術(shù)含量產(chǎn)品的品種規(guī)格不全、質(zhì)量性能水平低、可靠性不高以及工藝選型計(jì)算不準(zhǔn)確等。 2.2 研究狀況 自進(jìn)入21世紀(jì)以來,常規(guī)對(duì)稱形、非對(duì)稱形、高NTU型（淺密波紋型）、免粘型、寬流道型、板式蒸發(fā)器、板式冷凝器等國(guó)外已有的可拆卸板式換熱器均已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化,且已成功應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。在設(shè)備結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和創(chuàng)新方面，采用新技術(shù)，連續(xù)提供增強(qiáng)熱傳遞的激勵(lì)，利用擾動(dòng)促進(jìn)物等等。并且在設(shè)備結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和創(chuàng)新方面，近年來新型材料換熱器的研究和推廣應(yīng)用發(fā)展也很快。在設(shè)計(jì)方法和計(jì)算方面，計(jì)算機(jī)應(yīng)用于換熱器的設(shè)計(jì)，并對(duì)設(shè)計(jì)計(jì)算的一些修正，比如運(yùn)用SW6-1998 V3.5及PVCAD進(jìn)行工藝計(jì)算。生產(chǎn)制造工藝方面，擴(kuò)大標(biāo)準(zhǔn)系列，進(jìn)一步組織專業(yè)化生產(chǎn)。它的主要研究有：物性模擬研究、分析設(shè)計(jì)的研究、大型化及能耗研究、強(qiáng)化技術(shù)研究、新材料研究、控制污垢及腐蝕的研究、振動(dòng)與防振措施的研究。 目前，國(guó)內(nèi)80%的企業(yè)仍以生產(chǎn)技術(shù)含量不高的常規(guī)普通型產(chǎn)品為主，與國(guó)際先進(jìn)水平相比，我國(guó)產(chǎn)品在特殊品種方面還較缺乏，如性能先進(jìn)的新型板式蒸發(fā)器、超大處理量的板式冷凝器以及特殊用途的激光半焊接產(chǎn)品等。國(guó)內(nèi)只有個(gè)別企業(yè)開發(fā)了DN400、DN450或DN500的大角孔、大處理量的板式換熱器，但尚未形成系列，產(chǎn)量有限，且產(chǎn)品的性能水平、可靠性仍有待提高，尤其是受平板硫化機(jī)的限制，無法生產(chǎn)單張板片面積大于3.0 m2的墊片。而國(guó)外單張板片的最大換熱面積已達(dá)到3.8 m2，板片最小厚度為0.4 mm，單臺(tái)換熱器最大換熱面積可達(dá)3000 m2（國(guó)內(nèi)為1500 m2），單臺(tái)換熱器組裝板片數(shù)可達(dá)1000張（國(guó)內(nèi)為600張）。板式冷凝器角孔最大公稱直徑為1400 mm，蒸汽處理量可達(dá)40104m/h；板式蒸發(fā)器角孔最大公稱直徑為700 mm，介質(zhì)蒸發(fā)量已達(dá)100 t/h。 2.3 發(fā)勢(shì)展趨 板式換熱器將繼續(xù)提高設(shè)備的傳熱效率，促進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)的緊湊性，加強(qiáng)生產(chǎn)制造的標(biāo)準(zhǔn)激烈化和專業(yè)化，并在廣泛的范圍內(nèi)繼續(xù)向大型化的方向發(fā)展。 由于板式換熱器具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，彈性大和使用材料范圍廣等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。今后仍將在廣泛的領(lǐng)域內(nèi)得到繼續(xù)發(fā)展。尤其在高溫，高壓和大型化的場(chǎng)合下，更有其廣闊的發(fā)展前途。但為了加強(qiáng)其傳熱效率，在高溫和高壓的條件下，采用電焊焊接式的翅片管的結(jié)構(gòu)將會(huì)得到重視和發(fā)展。 各種新型高效緊湊式換熱器的應(yīng)用范圍內(nèi)，尤其是處理強(qiáng)腐蝕介質(zhì)而需要使用貴重金屬材料的場(chǎng)合下，新型高效緊湊式換熱器將進(jìn)一步取代管殼式換熱器。 換熱器的發(fā)展動(dòng)向主要有：物性模擬研究、分析設(shè)計(jì)的研究、大型化及能耗研究、強(qiáng)化技術(shù)研究、新材料研究、控制污垢及腐蝕的研究、振動(dòng)與防振措施的研究。 焊接板式換熱器可分為半焊式、組件式及全焊式。常規(guī)板式換熱器的總體結(jié)構(gòu)為散裝式，其特點(diǎn)是兩側(cè)流道可全部打開進(jìn)行清洗，缺點(diǎn)是兩側(cè)流體壓差不能太大，溫度不宣過高。半焊式是采用專門的焊接工藝將每?jī)蓮埌迤孛芊獠酆冈谝黄穑缓笤賹⒚繉?duì)焊好的板片用墊片組裝起來，這樣可使密封周邊減少一半，但組焊板片內(nèi)部不能用機(jī)械方法清洗，可用化學(xué)方法清洗；組件式是將若干板片預(yù)焊在一起，再用密封墊片組裝起來，該結(jié)構(gòu)可用于2.5 MPa，400℃和潔凈介質(zhì)的換熱；全焊式是將所有板片焊成一個(gè)整體，只能用于不易結(jié)垢的介質(zhì)進(jìn)行換熱，最大優(yōu)點(diǎn)是可承受較高溫度和壓力，沒有墊片泄漏的顧慮。 板式換熱器的優(yōu)化 3 板式換熱器的設(shè)計(jì) 提高板式換熱器的效能是一個(gè)綜合經(jīng)濟(jì)效益問題，應(yīng)通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。提高換熱器的傳熱率和降低換熱器的阻力應(yīng)同時(shí)考慮，而且應(yīng)合理選用板片材質(zhì)和橡膠密封墊材質(zhì)及安裝方法，保證設(shè)備安全運(yùn)行，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法 3.1 提高傳熱效率 板式換熱器是間壁傳熱式換熱器，冷流體通過換熱器板片傳熱，流體與板片直接接觸，傳熱方式為熱傳導(dǎo)和對(duì)流傳熱。提高板式換熱器傳熱效率的關(guān)鍵是提高傳熱系數(shù)和對(duì)數(shù)平均溫差。 提高換熱器傳熱系數(shù)只有同時(shí)提高板片冷熱兩側(cè)的表面熱系數(shù)，減小垢層熱阻，選用熱導(dǎo)率高的板片，減小板片的厚度，才能有效提高換熱器的傳熱系數(shù)。 3.11 提高板片的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 由于板式換熱器的波紋能使流體在較小的流速下產(chǎn)生湍流，因此能獲得較高的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與板片波紋的幾何結(jié)構(gòu)及介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。板片的波形包括人字形、平直形、球形等。經(jīng)過多年的研究和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，波紋斷面形狀為三角形的人字形板片具有較高的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，且波紋的夾角越大，板間流道內(nèi)介質(zhì)流速越高，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)越大。 3.12 減小污垢層熱阻 減小換熱器的污垢層熱阻的關(guān)鍵是防止板片結(jié)構(gòu)。板片結(jié)構(gòu)厚度為1 mm時(shí)，傳熱系數(shù)降低約10%。因此，必須注意監(jiān)測(cè)換熱器冷熱兩端的水質(zhì)，防止板片結(jié)構(gòu)，并防止水中雜物附著在板片上。有些供熱單位為防止盜水及鋼件腐蝕，在供熱介質(zhì)中添加藥劑，因此必須注意水質(zhì)和黏性藥劑引起雜物玷污換熱器板片。如果水中有黏性雜物，應(yīng)采用專用過濾器進(jìn)行處理。選用藥劑時(shí)，宜選擇無黏性的藥劑。 3.1.3 選用導(dǎo)熱率高的板片 板片材質(zhì)可選擇奧氏體不銹鋼、鈦合金、鋼合金等。不銹鋼的導(dǎo)熱性能好，熱導(dǎo)率約14.4W/(mk)，強(qiáng)度高，沖壓性能好，不易被氧化，價(jià)格比鈦合金和銅合金低，但其耐氯離子腐蝕的能力差。 3.1.4 減小板片厚度 板片的設(shè)計(jì)厚度與其耐腐蝕性能無關(guān)，與換熱器的承壓能力有關(guān)。板片加厚，能提高換熱器的承壓能力。采用人字形板片組合時(shí)，相鄰板片互相倒置，波紋相互接觸，形成了密度大、分布均勻的指點(diǎn)，板片角及邊緣密封結(jié)構(gòu)已逐步完善，使換熱器具有很好的承壓能力。在滿足換熱器承壓能力的前提下，應(yīng)盡量選用較小的板片厚度。 3.2 提高對(duì)數(shù)平均溫差 板式換熱器流型有逆流、順流和混合流型。在相同工況下，逆流時(shí)對(duì)數(shù)平均溫差最大，順流時(shí)最小，混合流型介于二者之間。提高換熱器對(duì)數(shù)平均溫差的方法為盡可能采用逆流或接近逆流的混合流型，盡可能提高熱側(cè)流體的溫度，降低冷側(cè)流體的溫度。 3.3 進(jìn)出口管位置的確定 對(duì)于單流程布置的板式換熱器，為檢修方便，流體進(jìn)出口管應(yīng)盡可能布置在換熱器固定端一側(cè)。介質(zhì)的溫差越大，流體的自然對(duì)流越強(qiáng)，形成的滯留帶的影響越明顯，因此介質(zhì)進(jìn)出口位置應(yīng)按熱流體上進(jìn)下出，冷流體下進(jìn)上出布置，以減小滯留帶的影響，提高傳熱效率。 3.4 降低換熱器阻力的方法 提高板間流道內(nèi)介質(zhì)的平均流速，可提高傳熱系數(shù)，減小換熱器面積。但提高流速，將加大換熱器的阻力，提高循環(huán)泵的耗電量和設(shè)備造價(jià)，通過提高流速獲得稍高的傳熱系數(shù)不經(jīng)濟(jì)。當(dāng)冷熱介質(zhì)流量比較大時(shí)，可采用以下方法降低換熱器的阻力，并保證有較高的傳熱系數(shù)。 3.4.1 采用熱混合板 熱混合板的板片兩面波紋幾何結(jié)構(gòu)相同，板片按人字形波紋的夾角分為硬板和軟板，夾角大于90（一般120左右）為硬板，夾角小于90（一般79左右）為軟板。熱混合板硬板的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)高，流體阻力大，軟板則相反。硬板和軟板進(jìn)行組合，可組成高、中、低三種特性的流道，滿足不同工況的要求。 冷熱介質(zhì)流量比較大時(shí)，采用熱混合板比采用對(duì)稱型單流程的換熱器可減少板片面積。熱混合板冷熱兩側(cè)的角孔直徑通常相等，冷熱介質(zhì)流量比過大時(shí)，冷介質(zhì)一側(cè)的壓力損失很大。另外，熱混合板設(shè)計(jì)技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)精確匹配，往往導(dǎo)致節(jié)省板片面積有限。因此，冷熱介質(zhì)流量比過大時(shí)不宜采用熱混合板。 3.4.2 采用非對(duì)稱型板式換熱器 對(duì)稱型板式換熱器有板片兩面波紋幾何結(jié)構(gòu)相同的板片組成，形成冷熱流道流通截面積相等的板式換熱器。非對(duì)稱型板式換熱器根據(jù)冷熱流體的傳熱特性和壓力降要求，改變板片兩面波形幾個(gè)結(jié)構(gòu)，形成冷熱流道截面積不等的板式換熱器，寬流道一側(cè)的角直徑較大。非對(duì)稱型板式換熱器的傳熱系數(shù)下降微小，且壓力降大幅減小。冷熱介質(zhì)流量比較大時(shí)，采用非對(duì)稱型單流程比采用對(duì)稱型單流程的換熱器可減少板片面積15%-30%。 3.4.3 采用多流程組合 當(dāng)冷熱介質(zhì)流量較大時(shí)，可以采用多流程組合布置，小流量一側(cè)采用較多的流程，以提高流速，獲得較高的傳熱系數(shù)。大流量一側(cè)采用較小的流程，以降低換熱器阻力。多流程組合出現(xiàn)混合流型，平均傳熱溫差稍低。采用多流程組合的板式換熱器的固定端板和活動(dòng)端板均有接管，檢修時(shí)工作量大。 3.4.4 設(shè)換熱器旁通管 當(dāng)冷熱介質(zhì)流量比較大時(shí)，可在大流量一側(cè)換熱器出口之間設(shè)旁通管，減少進(jìn)入換熱器流程，降低阻力。為便于調(diào)節(jié)，在旁通管上應(yīng)安裝調(diào)節(jié)閥。該方式應(yīng)采用逆流布置，使冷介質(zhì)出換熱器的溫度較高，保證換熱器出口合流后的冷介質(zhì)溫度能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。設(shè)換熱器旁通管可保證換熱器有較高的傳熱系數(shù)，降低換熱器阻力，但調(diào)節(jié)略繁。 3.4.5 板式換熱器形式的選擇 換熱器板間流道內(nèi)介質(zhì)平均流速以0.3-0.6 m/s為宜，阻力以不大于100 kPa為宜。根據(jù)不同冷熱介質(zhì)流量比，可參照表3-1選用不同形式的板式換熱器，表中非對(duì)稱型板式換熱器流道截面積比為2。采用對(duì)稱型或非對(duì)稱型、單流程或多流程板式換熱器，均可設(shè)置換熱器旁通管，但應(yīng)經(jīng)詳細(xì)的熱力計(jì)算。 表3-1 不同形式的板式換熱器選用 板式換熱器形式 冷熱介質(zhì) 流量比 熱介質(zhì)進(jìn)、出口溫度（/℃） 冷介質(zhì)進(jìn)、出口溫度（/℃） 對(duì)稱型單流程 1.0-1.4 110/80 70/95 熱混合板 1.4-1.7 120/80 70/95 非對(duì)稱型單流程 1.7-2.8 130/80 70/95 對(duì)稱型多流程 2.8-3.6 150/80 70/95 非對(duì)稱型多流程 3.6-7.0 120/70 50/60 3.5 橡膠密封墊材質(zhì)及安裝方式 3.5.1 材質(zhì)的選擇 水—水換熱器中，冷熱介質(zhì)對(duì)橡膠密封墊均無腐蝕性。選用橡膠密封墊材質(zhì)的關(guān)鍵是耐溫和密封性能，選擇合理的密封墊。 3.5.2 安裝方式的選擇 橡膠密封墊常用安裝方式為粘接式、卡扣式。粘接式是在換熱器組裝時(shí)，將橡膠密封墊用膠水粘接在板片密封槽內(nèi)?？凼绞菗Q熱器組裝時(shí)，利用橡膠密封墊和板片邊緣的卡扣結(jié)構(gòu)，將橡膠密封墊固定在板片密封槽內(nèi)。由于卡扣式安裝工作量很小，換熱器拆卸時(shí)橡膠密封墊損壞率低，而且不存在膠水中可能含有的氯離子造成對(duì)板片的腐蝕，因此使用較多。 3.5.3 合理選用板片材質(zhì) 不銹鋼板片可能產(chǎn)生腐蝕失效的現(xiàn)象有點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕、晶間腐蝕、均勻腐蝕等，應(yīng)力腐蝕的發(fā)生率較高。由氯離子引起的應(yīng)力腐蝕最多，板片材質(zhì)可根據(jù)介質(zhì)中的氯離子質(zhì)量濃度按表3-2選用，表中304、316代表的不銹鋼材料牌號(hào)為0Cr18Ni9、0Cr7Ni2Mo2，TA1代表鈦合金。 表3-2 常用板材材質(zhì)在含氯介質(zhì)中的適用范圍 氯離子質(zhì)量濃度（mg/L） 介質(zhì)溫度（℃） 60 80 120 130 10 304 304 304 316 25 304 304 316 316 50 304 316 316 TA1 80 316 316 316 TA1 150 316 316 TA1 TA1 300 316 TA1 TA1 TA1 ＞300 TA1 TA1 TA1 TA1 傳熱工藝計(jì)算 4 傳熱工藝計(jì)算 4.1 設(shè)計(jì)條件 （1）處理能力：52t/h熱污水 （2）設(shè)備型式：板式換熱器 （3）操作條件： 1熱污水：入口溫度90℃，出口溫度35℃ 2冷卻介質(zhì)：自來水，入口溫度25℃，出口溫度70℃ 3容許壓強(qiáng)降：不大于1MPa 4每年按330天計(jì)，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行 4.2 符號(hào) A—所需換熱面積，mm2； As—單通道橫截面積，mm2； cp—比熱容，kJ/(kgK)； de—當(dāng)量直徑，m； DN—角孔直徑，m； K—總傳熱系數(shù)，W/(m2K)； —理論總傳熱系數(shù)，W/(m2K)； —實(shí)際總傳熱系數(shù)，W/(m2K)； N—總板片數(shù)； Ne—有效傳熱板片數(shù)； n—程內(nèi)流道數(shù)； ΔP—壓降，； Q—總熱負(fù)荷，kW； q—體積流量，m3/h； —污垢層熱阻，(m2K)/W； T1—原水進(jìn)口溫度，℃； T2—原水出口溫度，℃； —原水平均溫度，℃； t—溫度，℃； t1—冰水進(jìn)口溫度，℃； t2—冰水出口溫度，℃； —冰水平均溫度，℃； Δtm—平均溫差，℃； α—傳熱系數(shù)，W/(m2K)； δ—板片厚度，m； λ—板片導(dǎo)熱系數(shù)，W/(mK)； μ—?jiǎng)恿φ扯龋琍as； ν—運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s； ρ—密度，kg/m3； υ—角孔流速，m/s； ω—板間流速，m/s； Eu—?dú)W拉數(shù)； Nu—努塞爾數(shù)； Pr—普朗特?cái)?shù)； Re—雷諾數(shù)。 4.3 已知參數(shù) 單通道橫截面積：As=0.0018m2； 當(dāng)量直徑：de =10.7mm； 原水體積流量：qk=52m3/h； 原水側(cè)污垢層熱阻[2]：=0.000043(m2K)/W； 冰水側(cè)污垢層熱阻[2]：=0.000034(m2K)/W； 原水進(jìn)口溫度：T1=90℃； 原水出口溫度：T2=35℃； 冰水進(jìn)口溫度：t1=25℃； 冰水出口溫度：t2=70℃； 板片厚度：δ=1.2mm； 板片導(dǎo)熱系數(shù)[2]：λ=16.3W/(mK)； 角孔流速：υ=5m/s。 4.4 板片的選取 4.4.1 總熱負(fù)荷的計(jì)算[2] 以熱污水側(cè)為熱側(cè)，冷清水側(cè)為冷側(cè)。 由板式換熱器工程設(shè)計(jì)手冊(cè)查得所需物性參數(shù)如表4-1[1]所示。 表4-1 部分溫度下水的物性參數(shù) 溫度 t (℃) 密度 ρ (kg/m3) 比熱容 cp (kJ/(kgK)) 導(dǎo)熱系數(shù) λ (W/(mK)) 動(dòng)力粘度 μ10－6 (Pas) 運(yùn)動(dòng)粘度 υ10－6 (m2/s) 40 50 60 70 992.2 988.1 983.2 977.8 4.174 4.174 4.178 4.178 0.634 0.648 0.659 0.668 689.476 582.685 474.951 354.823 0.656 0.574 0.469 0.382 熱污水平均溫度℃ 冷清水平均溫度℃ 用差值法計(jì)算得熱污水、冷清水平均溫度下的物性參數(shù)如表4-2所示。 總熱負(fù)荷： 式（2-1） 冷清水體積流量： 式（2-2） 4.4.2 板片的選取 角孔直徑[3]，一般取流速υ=5m/s。將數(shù)據(jù)代入可得： 式（2-3） 式（2-4） 表4-2原水、冰水平均溫度下的物性參數(shù) 溫度 t (℃) 密度 ρ (kg/m3) 比熱容 cp (kJ/(kgK)) 導(dǎo)熱系數(shù) λ (W/(mK)) 動(dòng)力粘度 μ10－6 (Pas) 運(yùn)動(dòng)粘度 υ10－6 (m2/s) 62.5 47.5 981.8 989.1 4.178 4.174 0.662 0.644 419.1 616.8 0.409 0.618 綜合最大處理量=52t/h、設(shè)計(jì)壓力pc=1MPa及角孔最大通徑=60.63等因素，且依據(jù)“同孔徑型號(hào)盡量選單板面積小”的原則，選擇板片型號(hào)[3]為BR0.3的板片。 4.5 總傳熱系數(shù)K的計(jì)算 4.5.1 裕量要求 根據(jù)工況，換熱面積裕量要求（即總傳熱系數(shù)的裕量）： 裕量= 式（2-5） 對(duì)于本設(shè)計(jì)，裕量要求為25%～35%。 4.5.2 BR0.3的主要幾何參數(shù)及相關(guān)關(guān)聯(lián)式 對(duì)流傳熱關(guān)聯(lián)式[1]： (160<<800) (160<<800) 壓降關(guān)聯(lián)式[1]： (3700<<12000) (2600<<8000) BR0.3的主要幾何參數(shù)如表4-3所示。 表4-3 BR0.3的主要幾何參數(shù)[3] 名稱 波紋形式 單位 實(shí)測(cè)參數(shù) 人字形128 板片厚度 波紋深度 波紋法向節(jié)距 板間距 當(dāng)量直徑 單片有效傳熱面積 單流道截面積 板片材料 板片外形尺寸 mm mm mm mm mm m2 m2 mm 1.2 6 18 6 10.7 0.3 0.0018 11503601.2 4.5.3 K值的計(jì)算[3] 初估所需換熱面積，平均溫差為：（見圖4-1逆流平均溫差） ℃ 式（2-6）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或從有關(guān)參考書籍、有關(guān)性能測(cè)定的試驗(yàn)報(bào)告中，選用與工藝條件相仿、設(shè)備類型類似的換熱器的總傳熱系數(shù)值作為初設(shè)值。 圖4-1逆流平均溫差 表4-4列出了一般情況下板式換熱器的總傳熱系數(shù)值。 表4-4 板式換熱器的經(jīng)驗(yàn)總傳熱系數(shù)K值[4] 物 料 水-水 水蒸汽(或熱水)-油 冷水-油 油-油 氣-水 K(W/(m2℃)) 2900～4650 870～930 400～580 175～350 28～58 1)假設(shè)K=3000W/(m2K),需換熱面積為： A= ==75.28m2 Ne=75.28/0.3≈251 因此，需用單板面積為0.3m2的板片約251片。 N=Ne+2=251+2=253 流道分布：作為冷卻器一般將熱側(cè)靠近壓緊板。本設(shè)計(jì)流程為單程設(shè)計(jì)，總流道數(shù)=N－1,故總共有252個(gè)流道，其中熱流道有126個(gè)，冷流道有126個(gè)。 熱側(cè)流速：m/s 式（2-7） 冷側(cè)流速：m/s 式（2-8） 在此提前核算壓降是否超過允許值。 式（2-9） 式（2-10）壓降: MPa MPa 均小于壓降允許值。 計(jì)算兩側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)。 熱側(cè)： 式（2-11） W/(m2K) (m2K)/W 冷側(cè)： 式（2-12） W/(m2K) (m2K)/W 板片導(dǎo)熱熱阻： (m2K)/W 總傳熱系數(shù)： 式（2-13） =3088W/(m2K) 裕量： 100%=2.93%＜25%，假設(shè)K=3000W/(m2K)不合適。 需重新假設(shè)K值。 2)假設(shè)K=3500W/(m2K),需換熱面積為： A= ==64.53m2 Ne=64.53/0.3≈215 因此，需用單板面積為0.31m2的板片約215片。 N=Ne+2=215+2=217 流道分布：總流道數(shù)=N－1,故總共有216個(gè)流道，其中熱流道有108個(gè)，冷流道有108個(gè)。 熱側(cè)流速： m/s 在此提前核算壓降是否超過允許值。 壓降： MPa＞0.08MPa 熱側(cè)壓降大于允許值。需重新設(shè)K值。 3)假設(shè)K=3200W/(m2K),需換熱面積為： A= ==70.58m2 Ne=70.58/0.3≈235 因此，需用單板面積為0.3m2的板片約235片。 N=Ne+2=235+2=237 流道分布：總流道數(shù)=N－1,故總共有236個(gè)流道，其中熱流道有118個(gè)，冷流道118個(gè)。 熱側(cè)流速：m/s 為避免返工，在此提前核算壓降是否超過允許值。 壓降： MPa＞0.08MPa 熱側(cè)壓降大于允許值。需重新設(shè)K值。 4)假設(shè)K=3100W/(m2K),需換熱面積為： A= ==72.58m2 Ne=72.58/0.3≈243 因此，需用單板面積為0.3m2的板片約243片。 N=Ne+2=243+2=245 流道分布：總流道數(shù)=N－1,故總共有244個(gè)流道，其中熱流道有122個(gè)，冷流道有122個(gè)。 熱側(cè)流速：m/s 冷側(cè)流速：m/s 為避免返工，在此提前核算壓降是否超過允許值。 壓降： MPa＜0.08 MPa MPa＜0.08MPa 均小于壓降允許值。 計(jì)算兩側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)。 熱側(cè)： W/(m2K) (m2K)/W 冷側(cè)： W/(m2K) (m2K)/W 板片導(dǎo)熱熱阻： (m2K)/W 總傳熱系數(shù)： =4023W/(m2K) 裕量： 100%=29.8%＜35%，故假設(shè)K=3100W/(m2K)合適。 綜上： 換熱面積A=72.8m2 總傳熱系數(shù)K=3100 可拆式板式換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算書 工藝條件 冷側(cè) 熱側(cè) 介質(zhì)名稱 冷清水 熱污水 流量 m3/h 51.67 52 熱負(fù)荷 Kw 3259 溫度 進(jìn)→出 ℃ 25→70 90→35 流體類型 液 液 液 液 密度 Kg/m3 989.1 981.8 比熱 KJ/kg.℃ 4.174 4.178 導(dǎo)熱系數(shù) W/m.℃ 0. 644 0.62 動(dòng)力粘度 x10-6 Pa.S 616.8 419.1 對(duì)數(shù)平均溫差 ℃ 14.43 計(jì)算換熱面積 m2 72.85 計(jì)算傳熱系數(shù) W/m2.K 4023 板片材料 密封膠墊材料 橡膠 板片數(shù) 243 壓力降 MPa 0.08 0.08 流程組合 Counter flow 1x122 1x122 框架 設(shè)計(jì)壓力 MPa 1 試驗(yàn)壓力 MPa 設(shè)計(jì)溫度 ℃ 板式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核 5 板式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核 5.1 符號(hào)[5] Aa—預(yù)緊狀態(tài)下，需要的最小夾緊螺柱總截面積，以螺紋小徑計(jì)算或以無螺紋部分的最小直徑計(jì)算，取較小值,mm2； Ab—實(shí)際使用的夾緊螺柱總截面積，以螺紋小徑計(jì)算或以無螺紋部分的最小直徑計(jì)算，取較小值,mm2； Am—需要的夾緊螺柱總截面積,mm2； Ap—工作狀態(tài)下，需要的最小夾緊螺柱總截面積，以螺紋小徑計(jì)算或以無螺紋部分的最小直徑計(jì)算，取較小值,mm2； a2—被墊片槽中心線包容的板片投影面積, mm2； B—墊片有效密封寬度,mm； b—板間距,mm； b1—固定壓緊板內(nèi)側(cè)至中間隔板自重作用點(diǎn)的距離，mm； b2—固定壓緊板內(nèi)側(cè)至活動(dòng)壓緊板自重作用點(diǎn)的距離，mm； C1—中間隔板自重作用點(diǎn)至支柱內(nèi)側(cè)間的距離，mm； C2—活動(dòng)壓緊板自重作用點(diǎn)至支柱內(nèi)側(cè)間的距離，mm； d—夾緊螺柱小徑或無螺紋部分的最小直徑，取較小值，mm； E—設(shè)計(jì)溫度下，上導(dǎo)桿材料的彈性模量，Mpa； F0—作用于a2上的流體靜壓力，N； Fp—工作狀態(tài)下，需要的最小墊片壓緊力， N； F1—中間隔板自重，N； F2—活動(dòng)壓緊板自重，N； f—上導(dǎo)桿受載所引起跨度中點(diǎn)的撓度，mm； f1—上導(dǎo)桿自重所引起的跨度中點(diǎn)的撓度，mm； f2—板片及所充介質(zhì)(水或其它流體取密度大者)重力所引起的上導(dǎo)桿跨度中點(diǎn)的撓度，mm； f3—中間隔板自重所引起的上導(dǎo)桿跨度中點(diǎn)的撓度，mm； f4—活動(dòng)壓緊板自重所引起的上導(dǎo)桿跨度中點(diǎn)的撓度，mm； H—上下導(dǎo)桿內(nèi)側(cè)間的距離，mm； J—上導(dǎo)桿慣性矩，mm4； L—夾緊尺寸，固定壓緊板內(nèi)側(cè)至活動(dòng)壓緊板內(nèi)側(cè)間的距離，mm,按下式計(jì)算：L=(S0+b)NP+n1S2 L1—導(dǎo)桿長(zhǎng)度(固定壓緊板內(nèi)側(cè)至支柱內(nèi)側(cè)間的距離)，mm； L2—夾緊螺柱長(zhǎng)度，mm； l—墊片中心線的展開長(zhǎng)度，mm； l1—墊片長(zhǎng)度，mm； m—墊片系數(shù)，橡膠：m=1；石棉：m=2； NP—板片總數(shù)； n—夾緊螺柱數(shù)量； n1—中間隔板數(shù)量； P—設(shè)計(jì)壓力，； q1—上導(dǎo)桿自重均布載荷，N/mm； q2—板片及所充介質(zhì)(水或其它流體取密度大者)所引起的均布載荷，N/mm； S0—板片厚度，mm； S1—壓緊板厚度，mm； S2—中間隔板厚度，mm； S3—墊片名義厚度，mm； Wa—預(yù)緊狀態(tài)下，需要的最小夾緊螺柱載荷(即預(yù)緊狀態(tài)下，需要的最小墊片壓緊力)，N； Wp—工作狀態(tài)下，需要的最小夾緊螺柱載荷,N； y—墊片比壓力，橡膠：y=1.4MPa；石棉：y=1.1； [σ]b—常溫下夾緊螺柱材料的許用應(yīng)力，； [σ]bt—設(shè)計(jì)溫度下夾緊螺柱材料的許用應(yīng)力，； δ—夾緊螺柱上的螺母與墊圈厚度之和，。 5.2 已知參數(shù) 板片厚度：S0=1.2 墊片中心線的展開長(zhǎng)度：l=3020 墊片有效密封寬度：B=8 被墊片槽中心線包容的板片投影面積：a2=399510 設(shè)計(jì)壓力：P=1 板間距：b=6 板片總數(shù)：NP=244 中間隔板數(shù)量：n1=0 中間隔板厚度：S2=0 墊片系數(shù)：=1 墊片比壓力：y=1.4 5.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核 5.3.1 板片 1）板片[6]厚度不應(yīng)小于1.2。 2）板片兩端應(yīng)有對(duì)稱的懸掛定位結(jié)構(gòu)。 由傳熱計(jì)算：選取的BR0.3型板片，其厚度為1.2。 板片設(shè)有懸掛定位結(jié)構(gòu)，故符合要求。 5.3.2 壓緊板設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核 1）壓緊板要有足夠的剛性，壓緊板厚度的選取[5] (見表5-1)； 表5-1壓緊板厚度 單板公稱換熱 面積(m2) 在設(shè)計(jì)壓力下的壓緊板厚度() 設(shè)計(jì)壓力() 0.6 1.0 1.6 2.0 2.5 0.1 0.3 0.5 0.7 0.8 1.0 2.0 25 35 45 50 55 60 80 25 40 50 55 60 65 80 30 50 55 60 65 70 80 30 50 55 60 － － － 35 55 60 － － － － 設(shè)計(jì)壓力1MPa，單板公稱換熱面積0.3m2，并且考慮到強(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)性，由上表： 選取壓緊板的厚度為40mm。 2）壓緊板厚度校核[7]： 預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小夾緊螺柱載荷Wa按式（3-1）計(jì)算： Wa=lBy 式（3-1） 故： Wa=302081.4=33824N 工作狀態(tài)下需要的最小夾緊螺柱載荷Wp按式(3-2)計(jì)算： Wp=F0+FP 式（3-2） 式中： F0=a2P 式（3-3） FP=2LBmP 式（3-4） 故： F0=3995101=399510N L=(1.2+6) 244+00=439.2mm 故： FP=2439.2811=7027.2N WP=339510+70