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1、 板式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算 姓名： 指導(dǎo)教師： 1 1. 板式換熱器的研究背景和發(fā)展 2. 板式換熱器的結(jié)構(gòu)和原理 3. 板式換熱器的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用 4. 板式換熱器的計(jì)算 主要內(nèi)容 2 板式熱交換器是近幾十年來得到發(fā)展和廣泛應(yīng)用的 一種新型高效、緊湊的熱交換器。它由一系列互相 平行、具有波紋表面的薄金屬板相疊而成，比螺旋 板式熱交換器更為緊湊，傳熱性能更好。 應(yīng)用面很廣，適宜用于醫(yī)藥、食品、制酒、飲料合 成纖維、造船、化工等工業(yè)，并且隨著板型、結(jié)構(gòu) 上的改進(jìn)，正在進(jìn)一步擴(kuò)大它的應(yīng)用領(lǐng)域。 國內(nèi)的生產(chǎn)廠家有蘭州石油機(jī)械研究所板式換熱器廠、天津 太平洋板式換熱器有限公司。 我國在板式熱交換器的設(shè)

2、計(jì)與 制造上也已達(dá)到較高的水平。 國外著名的生產(chǎn)廠家有瑞典 AFLA-LAVAI公司、 英國 APV 公司、日本日阪制作所等。 1. 板式換熱器的研究背景和發(fā)展 3 板式換熱器按構(gòu)造分為可拆卸 （密封墊式）、釬焊式兩類 ， 以可拆卸式的應(yīng)用為最廣。它 們的工作原理基本相同。 可拆卸板式換熱器由三個(gè)主要 部件： 傳熱板片、密封墊片、 壓緊裝置及其他一些部件等組 成。 2. 板式換熱器結(jié)構(gòu)和原理 3 4 2. 板式換熱器結(jié)構(gòu)和原理 在固定壓緊板上，交 替地安放一張板片和一個(gè) 墊片，然后安放活動(dòng)壓緊 板，旋緊壓緊螺栓即構(gòu)成 板式換熱器。 各傳熱板片按一定的 順序相疊即形成板片間的 流道，冷、熱流體在

3、板片 兩側(cè)各自的流道內(nèi)流動(dòng)， 通過傳熱板片進(jìn)行熱交換。 5 2. 板式換熱器結(jié)構(gòu)和原理 傳熱板 片 板片 以人字形波紋板和水平平直波紋板為應(yīng)用最 廣。 傳熱板片是板式熱交換器的關(guān)鍵件。它的設(shè)計(jì)主 要考慮兩方面因素 : (1) 使流 體在低速下發(fā)生強(qiáng)烈湍流，以強(qiáng)化傳熱； (2) 提高板片剛度，能耐較高的壓力。 不銹鋼 SUS304/316/316L/310S/904 凈水、河水、食用油、礦物 質(zhì) SM0254 稀硫酸、無機(jī)水溶液 鈦及鈦鈀 合金 海水、鹽水、鹽化 鎳 Ni200 高溫、高濃度苛性鈉 哈氏合金 C276/D205/B2G 濃硫酸、鹽酸、磷酸 鉬 Mo254 稀硫酸、無機(jī)水溶液 石墨

4、 鹽酸、中濃度硫酸、磷酸、 氟酸 板片材料 6 2. 板式換熱器結(jié)構(gòu)和原理 傳熱板片 7 2. 板式換熱器結(jié)構(gòu)和原理 密封墊片 安裝于密封槽中，防止流體的外漏和兩流體之間內(nèi)漏，運(yùn) 行中承受壓力和溫度，而且受著工作流體的侵蝕，在多次拆裝 后還應(yīng)具有良好的彈性。為了能及時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)漏，在密封墊片上 開有凹槽（ 信號孔 ），出現(xiàn)泄漏，流體將首先由此泄出。 墊片材質(zhì) 材質(zhì) 適用流體 適用最高溫度 丁腈橡膠 水、海水、礦物質(zhì)、鹽水 110-140 丁苯橡膠 一般非油介質(zhì) 180 丁基橡膠 有機(jī)酸、無機(jī)酸、濃堿液 140 三元乙丙 橡 膠 熱水、蒸汽、酸、堿 150-170 氟橡膠 高溫水、酸、堿、有機(jī)溶 劑

5、 180 氯丁橡膠 酸、堿、礦物質(zhì)、潤滑油 130 硅橡膠 食品、油、脂肪、酒精 180-220 石棉 常見流體 250-260 7 8 2. 板式換熱器結(jié)構(gòu)和原理 壓緊裝置 它包括固定與活動(dòng)的 壓緊板、壓緊螺栓 。 它用 于將墊片壓緊，產(chǎn)生足夠密封力，使得熱 交換器在工作時(shí)不發(fā)生泄漏，通過旋緊螺栓來 產(chǎn)生壓緊力。 框架形式 板式熱交換器有多種框架形式 ：雙支撐框 架式、懸臂 式、帶中間隔板雙支撐框架式 等 。 雙支撐框架式 懸臂式 帶中間隔板雙撐框架 式 9 2. 板式換熱器結(jié)構(gòu)和原理 流程組合 為了滿足傳熱和壓力降的要求，對于板式熱交換器可進(jìn)行多 種方式的流程和流道數(shù)的配置。 流程： 在相

6、同的流體相同流動(dòng)方向的一組平行流動(dòng)通道 流道： 相鄰的兩個(gè)板組成的間隙內(nèi)的介質(zhì)流動(dòng)通道。 流體的流動(dòng)可以是 串聯(lián)、并聯(lián)（這時(shí)形成純逆流）和混聯(lián)（一種流 體為 并聯(lián)，而另一種流體為串聯(lián)）。 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 。 10 2. 板式換熱器結(jié)構(gòu)和原理 3.板式換熱器的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用 板式換熱器的優(yōu)點(diǎn) 1.傳熱系數(shù) 高 不存在旁路，板片相互顛倒，流體在流經(jīng)相鄰兩板間的通道時(shí)形成復(fù) 雜三維旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，能使流體以較低的雷諾數(shù)在板片中形成急劇湍流，熱傳導(dǎo)快，傳熱 系數(shù)高 2.修正系數(shù)大，冷、熱流體流動(dòng)平行于表面，沒有旁路，冷、熱流體之間的溫度非常 接近，溫差極小，對數(shù)平均溫

7、差大，末端溫差小 3.結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，重量輕 4.容易改變換熱面積和流程，適應(yīng)性強(qiáng)方便地增加或減少幾板，就可以實(shí)現(xiàn)增大或減 小傳熱面積的目的；改變板片的布置，可以變化流程組合，適合于新的換熱條件 5.內(nèi)部充分湍流，所以易于擴(kuò)散，不易結(jié)垢；只要螺栓松動(dòng)，可以輕松地打開并取出 板片，清洗或更換板片，易清潔，易維護(hù)，安全 6.板式換熱器只有板片外面和墊片暴露在大氣中，熱量損失小，通常在 1左右 板式換熱器的缺點(diǎn) 1.容量較小，是管殼式換熱器的 10%20%。 2.工作壓力，溫度不宜過大，有可能泄露 3.單位長度的壓力損失大 傳熱面間的間隙較小，傳熱面上有凹凸?fàn)畈y，因此壓力損 失大。 4.易堵

8、塞 板片間通道很窄，一般只有 25mm，當(dāng)換熱介質(zhì)中含有較大的固體顆?；蚶w 維質(zhì)，就容易堵塞板間通道 11 板式換熱器的應(yīng)用 化學(xué)工業(yè)，食品工業(yè)，冶金工業(yè)，石油工業(yè)，礦山，電廠，核電廠， 海上石油平臺(tái)，機(jī)械工業(yè)，生活污水處理，醫(yī)藥，化工，造紙，紡 織，船舶，供熱等領(lǐng)域，可加熱，冷卻，蒸發(fā)，濃縮，殺菌，熱回 收等。 12 3.板式換熱器的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用 板式換熱器類型的選擇 板式換熱器種類較多，每種都有相適應(yīng)的工況，工程設(shè)計(jì)中應(yīng)首先對此作選擇。 溫度在 200 以上，壓力大于 2Mpa，可以選擇釬焊式板式換熱器 對于拆卸比較頻繁的，可選用可拆式換熱器 選擇板片 主要考慮需要達(dá)到的換熱效果以及壓降要

9、求： 若承壓要求在 1.2Mpa以上，大多數(shù)情 況下選擇人字形波紋 若壓降要求較小而對換熱效果要求不高，可選用平直形波紋 對于壓降與換熱效果都有一定要求的工況，還可以選擇熱混合板片 流程組合的選擇 板型對稱、冷熱介質(zhì)流量相當(dāng)?shù)那闆r，宜采用等程布 置，使介質(zhì)流向?yàn)槿媪鳎?兩側(cè)流量相差較大時(shí)，流量小的一側(cè)應(yīng)采用多 程 布置，以提高流速，增強(qiáng)換熱效 果； 一般情況下，在選擇流程時(shí)，盡可能采用單程 (全并聯(lián) )，使設(shè)備在使用時(shí)拆卸維 修都比較方 便。若要采用多流程，各流程中通常安排相同的流道數(shù)。 流道數(shù)的確定受板間流速的影響，而板間流速的選取有一定的范圍，同時(shí)還受到 允許 壓降的制約。當(dāng)板間流速一定

10、時(shí)，流道數(shù)的多少取決于流量的大小 13 4.板式換熱器的計(jì)算 單板面積的選擇 選擇合理的單片面積，能夠避免總板片數(shù)過多或過少。板片過多會(huì)使設(shè)備占 地面 太大；過少，可能會(huì)使流程數(shù)增多，壓降增大；同時(shí)單片面積的大小在一定程度上還 與角孔大小有關(guān)。 板間流速的選擇 在通常情況下，板間流速選取范圍在 0.2 1.0 m/s，在壓降容許的情況下取大值， 以 獲得更好的換熱效果，從而減小換熱面積。 4.板式換熱器的計(jì)算 換熱器采用等程布置，介質(zhì)的流向能夠?qū)崿F(xiàn)全逆流，獲得最大的平均溫差； 當(dāng)兩側(cè)不等程時(shí)。逆流和順流會(huì)交替出現(xiàn)。 流向的選擇 14 根據(jù)介質(zhì)的物理、化學(xué)特性進(jìn)行選擇，主要考慮溫度和腐蝕情 況。

11、 板片的原材料厚度為 0.60.8mm，壓制成波紋板后允 許有 25%的 減薄量，于是最薄處為 0.450.6mm，因此選用耐腐蝕的材料。 密封墊片材料的選擇 密封墊既要耐溫又要耐腐蝕，硬度一般應(yīng)在 6590邵氏硬度，壓 縮永久變形量不大于 10%，抗拉強(qiáng)度 8MPa，延伸率 200% 板片材料的選擇 4.板式換熱器的計(jì)算 15 4.板式換熱器的計(jì)算 對數(shù)平均溫差法（ LMTD）計(jì)算過程 （ 1）已知冷水的 流量 190t/h， 冷熱水的 進(jìn)出口溫度95/55 ,10/50 。 （ 2）查冷、熱側(cè)的密度 、比熱容 Cp、導(dǎo)熱系數(shù) 、運(yùn)動(dòng)粘度 普 朗特?cái)?shù) Pr （ 3）求換熱量 Q 式中： G

12、質(zhì)量流量， kg/s； 下標(biāo) 1、 2 熱、冷介質(zhì) 下標(biāo) 、 進(jìn)、出口位置 （ 4）求熱側(cè)的流量 16 2 2 2 2()pQ G C t t 1 11( - ) QG C t t （ 6）選擇板式換熱器型號（主要是單片面積及形式） （ 7）假設(shè)該型號換熱器的 流程組合， 即假定 流程數(shù) m,流道數(shù) n 17 tmax t1 t2 tmin t1 t2 4.板式換熱器的計(jì)算 （ 5）計(jì)算對數(shù)平均 溫差 tm ， 修正系數(shù) 取值 m a x m in m a x m in ln lm ttt t t 單通流道截面積 fd 0.000161m2 板片厚度 0.7mm 波紋深度 3.8mm 單片換熱

13、面積 Fd 0.502m2 板片尺寸 1490 485mm 板片平均間隙 b 3.8mm 板片當(dāng)量直徑 de 7.6mm 18 G n f W 式中： n 單程中并聯(lián)通道數(shù)； f 板片通道截面積， m2； （ 9）計(jì)算冷熱介質(zhì)的 Re 和 Nu （ 10）計(jì)算冷、熱介質(zhì)的 對流傳熱系 數(shù) Nu de 3.板式換熱器的計(jì)算 （ 8）計(jì)算冷、熱介 質(zhì)的板間 流速 W 0 . 6 6 5 1u = 0 . 2 5 1 7 R e P r 0 . 3 0 . 4mN m m熱 ； 冷R e = eWd （ 12）計(jì)算換熱面積 F F Q K t m 將理論值 F，與預(yù)計(jì)值 Fm相比較，通常認(rèn)為兩者誤差

14、值在 5%以內(nèi)時(shí)， 計(jì)算結(jié)果正確 19 4.板式換熱器的計(jì)算 （ 11）計(jì)算總換熱系 數(shù) K 12 12 111 / ( ) p K r r 1 1 2 2( 1 )mdF F m n m n 20 4.板式換熱器的計(jì) 算 （ 13） 計(jì)算冷、熱介質(zhì)的 歐拉數(shù) Eu （ 14）計(jì)算壓降 P 計(jì)算出的壓降值應(yīng)小于 0.5Mpa這主要考慮在 角孔處以及流向改變時(shí)產(chǎn)生壓降 若實(shí)際壓降超過允許值時(shí)，應(yīng)改變板型或者流程 組合，重新進(jìn)行傳熱及壓降計(jì)算。 0.05 81351.42 R eEu 根據(jù)換熱介質(zhì)種類和設(shè)計(jì)溫度和壓力等，框架選擇雙支撐 框架；板片選用蘭州石油機(jī)械研究所 BR05A型板片，波紋為 雙 人字型，材料為 SUS304； 墊片材料選用三元乙丙橡膠。 選擇單流程并聯(lián)流程組合，流道數(shù)為 74。 進(jìn)行熱力計(jì)算、阻力計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及校核，確定了總 傳熱系數(shù) 2878W/(m2K)可拆卸板式換熱器。 21 謝 謝 觀 看