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1、板式換熱器畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 板式換熱器畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 摘要 板式換熱器是一種高效緊湊的換熱設(shè)備,它被應(yīng)用到食品工業(yè)、冶金工業(yè)、機(jī)電工業(yè)、造紙工業(yè)、石油工業(yè)等領(lǐng)域。而且其類型、結(jié)構(gòu)和使用范圍還在不斷發(fā)展。焊接型板式換熱器的緊湊性好,重量輕、傳熱性能好、初始成本低特點(diǎn)。 板式換熱器的傳熱性能與板面的波紋形狀、尺寸及板面組合方式都有密切關(guān)系。對(duì)于任何一種新型結(jié)構(gòu)尺寸板片的傳熱及阻力特性,都只有通過(guò)實(shí)驗(yàn)計(jì)算測(cè)定。對(duì)于無(wú)相變傳熱,多數(shù)制造商都能提供關(guān)聯(lián)式;對(duì)于相變傳熱,絕大多數(shù)的產(chǎn)品,尚不能提供相應(yīng)的關(guān)聯(lián)式。 本文對(duì)板式換熱器的發(fā)展及應(yīng)用領(lǐng)域作

2、了簡(jiǎn)要的介紹,通過(guò)應(yīng)用板式換熱器的傳熱機(jī)理。對(duì)板式換熱器進(jìn)行了熱力計(jì)算和阻力計(jì)算,在滿足了校核條件下,設(shè)計(jì)了板式換熱器的基本結(jié)構(gòu)如框架形式,板片結(jié)構(gòu)及流程組合方式等結(jié)構(gòu)參數(shù)。確定了板片數(shù)為149的并聯(lián)式流程組合的板式換熱器,用Auto CAD繪制零件圖及總圖。 關(guān)鍵字: 板式換熱器;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);熱力計(jì)算;阻力計(jì)算;校核 Abstract Plate heat exchanger is a compact and efficient heat transfer equipment, it is applied to the food industry, metallurgical indus

3、try, 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 transfe

4、r 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 corr

5、elation; for the phase-change heat transfer, the vast majority of products, yet can not provide the corresponding correlationIn 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

6、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

7、the plates and combined with Auto CAD drawing parts diagram and assembly drawings. Keywords:Plate heat exchanger; Configuration design;Thermodynamic calculation;Resistance calculation;Check 目錄 1. 緒論 1 1.1 板式換熱器的學(xué)術(shù)背景及意義 1 1.2 我國(guó)設(shè)計(jì)制造應(yīng)用情況 3 1.3 國(guó)外著名廠家及其產(chǎn)品 4 1.4 板式換熱器的國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展 7

8、 2. 板片式換熱器的基本構(gòu)造 8 2.1 板片式換熱器的基本構(gòu)造 8 2.2 流程組合 9 2.3 框架型式 10 2.4板片 11 2.4.1 常用形式 12 2.4.2 混合人字板及性能 13 2.4.3 特種形式 14 2.5 密封墊片 15 2.6 焊接式板式換熱器 16 2.6.1 半焊式板式換熱器 16 2.6.2 全焊接式板式換熱器 16 3. 板式換熱器的性能特點(diǎn) 17 3.1 板式換熱器的主要優(yōu)點(diǎn) 17 3.2 板式換熱器的主要缺點(diǎn) 19 3.3 板式換熱器與管殼式換熱器的比較 20 4. 板式換熱器熱力及相關(guān)計(jì)算 21 4

9、.1 板式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算概述 21 4.2 傳熱過(guò)程 21 4.2.1 對(duì)流換熱 22 4.2.2 相變換熱 22 4.2.3導(dǎo)熱 23 4.3 熱力計(jì)算 24 4.3.1 一般設(shè)計(jì)要求 24 4.3.2 設(shè)計(jì)計(jì)算公式和曲線 26 4.3.3 確定總傳熱系數(shù)的途徑 31 4.4 設(shè)計(jì)工藝條件 32 4.4.1 計(jì)算綜述表 36 5. 經(jīng)濟(jì)與技術(shù)分析 42 5.1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析的原則 42 5.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析的標(biāo)準(zhǔn) 42 結(jié)論 43 致謝 44 參考文獻(xiàn) 45 1. 緒論 1.1 板式換熱器的學(xué)術(shù)背景及意義 目前板式換熱器已成為高

10、效、緊湊的熱交換設(shè)備,大量地應(yīng)用于工業(yè)中,它的發(fā)展已有一百多年的歷史。 1878年德國(guó)人發(fā)明了半片式換熱器,現(xiàn)在通常都稱作板式換熱器,它經(jīng)過(guò)了50余年的發(fā)展,至20世紀(jì)30年代,由薄金屬板壓制的板片組裝而成的板式換熱器間世,并將該換熱器應(yīng)用于工業(yè)中,顯示出了優(yōu)異的性能,從此就迅速地得到了廣泛的推廣應(yīng)用,成為緊湊、高效的換熱設(shè)備之一。 板式換熱器是以波紋板的新型高效換熱器。國(guó)外早在20世紀(jì)20年代就作為工藝設(shè)備引入食品工業(yè),40?50年代初開始用于化工領(lǐng)域。近十年來(lái),板式換熱器發(fā)展很迅速,現(xiàn)已廣泛用于食品、制藥、合成纖維、石油化工、動(dòng)力機(jī)械、船舶、動(dòng)力、供熱等各行業(yè)。目前我國(guó)的板式換熱器工廠

11、,課制造單板傳熱面積從0.04至1.3,波紋形式為水平平直波紋、人字形波紋、球形波紋、鋸齒形波紋、豎直形波紋的板式換熱器。 由于板式換熱器在制造上和使用上都有一些獨(dú)特之處,所以在工業(yè)上一經(jīng)使用成功之后就發(fā)展很快。到本世紀(jì)四十年代,已經(jīng)有幾個(gè)國(guó)家好幾個(gè)廠生產(chǎn)出許多種不同形狀和不同尺寸的板片。至于現(xiàn)在,世界上能生產(chǎn)板式換熱器的工廠已經(jīng)很多了,主要的生產(chǎn)廠不下三、四十個(gè)。幾個(gè)主要生產(chǎn)廠一般都有該廠獨(dú)特的板片波形。一般一個(gè)廠只生產(chǎn)有限幾種尺寸的板片。然后組槳成換熱面積大小不問(wèn)的換熱器。因?yàn)閺脑O(shè)計(jì)到制造成功一定波形的板片需要有較大的投資和較長(zhǎng)的時(shí)間,所以一般生產(chǎn)工廠不輕易改變板片的被形。 早期的板式

12、換熱器大都用于食品工業(yè),如牛奶、蛋液、啤酒等的加工過(guò)程中。這是由于早期扳片的單板面積較小,不能組成單臺(tái)面積較大的換熱器,所以只能用于處理物料流量較小的場(chǎng)合,隨著單板面積的增大,能組成的單臺(tái)板式換熱器的面積也相應(yīng)增大?，F(xiàn)在各制造廠競(jìng)相增大單板面積和組成大型的板式換熱器。 板式換熱器今后的發(fā)展趨勢(shì)是:提高操作溫度和操作壓力,加大處理量,擴(kuò)大使用范圍,研制采用新的結(jié)構(gòu)材料的制造工業(yè),而研制新的墊片材料易提高其使用溫度和使用壓力,將是其中的重點(diǎn)。 雖然板式換熱器有很多優(yōu)點(diǎn),而其現(xiàn)在發(fā)展很快,但它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)與制造上尚存在問(wèn)題。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,板式換熱器正不斷完善,應(yīng)用也日趨廣泛。 21世紀(jì)

13、我國(guó)的能源形勢(shì)是緊張的,我國(guó)和世界的能源消耗隨著人口的增長(zhǎng)和工業(yè)化的進(jìn)展將會(huì)快速增長(zhǎng);現(xiàn)在我們利用的主要一次能源(煤炭、石油、天然氣和核能)之中,除煤炭之外,其余三項(xiàng)已逐漸枯竭,其價(jià)格不可避免將持續(xù)增長(zhǎng);目前尚沒(méi)有發(fā)現(xiàn)能替代石油、天然氣、核能的一次能源,作為有效替補(bǔ)的能源有太陽(yáng)能和熱核反應(yīng),但前者成本費(fèi)高,后者尚有許多實(shí)質(zhì)的問(wèn)題沒(méi)有解決,尚不能達(dá)到實(shí)用階段;為了控制地球溫室效應(yīng),化石燃料的使用受到了各國(guó)輿論的強(qiáng)烈反對(duì)。綜上所述,在21世紀(jì)的上半個(gè)世紀(jì)之間,作為解決我國(guó)能源和環(huán)境問(wèn)題的重要措施之一是如何有效地利用好一次能源,其中主要研究的內(nèi)容是從一次能源轉(zhuǎn)移至二次能源、三次能源的高效率化;各階段

14、利用技術(shù)的先進(jìn)性和效率的提高;需求的平衡和能源的供給、消耗系統(tǒng)的改善等。上述所說(shuō)內(nèi)容的實(shí)質(zhì)是熱技術(shù),當(dāng)分析各項(xiàng)技術(shù)時(shí),我們將發(fā)現(xiàn),換熱技術(shù)是關(guān)鍵工藝之一。 近幾十年來(lái),板式換熱器的技術(shù)發(fā)展,可以歸納為以下幾個(gè)方面。 1:研究高效的波紋板片。初期的板片是銑制的溝道板,至三四十年代,才用薄金屬板壓制成波紋板,相繼出現(xiàn)水平平直波紋、階梯形波紋、人字形波紋等形式繁多的波紋片。同一種形式的波紋,又對(duì)其波紋的斷面尺寸??波紋的高度、節(jié)距、圓角等進(jìn)行大量的研究,同時(shí)也發(fā)展了一些特殊用途的板片; 2:研究適用于腐蝕介質(zhì)的板片、墊片材料及涂(鍍)層; 3:研究提高使用壓力和使用溫度; 4:發(fā)展大型板式

15、換熱器; 5:研究板式換熱器的傳熱和流體阻力; 6:研究板式換熱器提高換熱綜合效率的可能途徑。 1.2 我國(guó)設(shè)計(jì)制造應(yīng)用情況 我國(guó)板式換熱器的研究、設(shè)計(jì)、制造,開始于六十年代。1965年,蘭州石油化工機(jī)器廠根據(jù)一些資料設(shè)計(jì)、制造了單板換熱器面積為0.52的水平平直波紋板片的板式換熱器,這是我國(guó)首家生產(chǎn)的板式換熱器,供造紙廠、維尼綸廠等使用。八十年代初期,該廠又引進(jìn)了W.Schmidt公司的板式換熱器制造技術(shù),增加了板式換熱器的品種。 1967年,蘭州石油機(jī)械研究所對(duì)板片的六種波紋型式作了對(duì)比試驗(yàn),肯定了人字形波紋的優(yōu)點(diǎn),并于1971年制造了我國(guó)第一臺(tái)人字形波紋板片(單板換熱面積為0.

16、3)的板式換熱器,這對(duì)于我國(guó)板式換熱器采用波紋型式的決策起了重要的作用。1983年,蘭州石油機(jī)械研究所組織了板式換熱器技術(shù)交流會(huì),對(duì)板片的制造材料、板片波紋型式、單片換熱面積、板式換熱器的應(yīng)用等方面進(jìn)行了討論,促進(jìn)了我國(guó)板式換熱器的發(fā)展。國(guó)家石油鉆采煉化設(shè)備質(zhì)量監(jiān)測(cè)中心還對(duì)板式換熱器的性能進(jìn)行了大量的測(cè)定。 清華大學(xué)于八十年代初期,對(duì)板式換熱器的換熱、流體阻力和優(yōu)化等方面進(jìn)行了理論研究,認(rèn)為板式換熱器的換熱,以板間橫向繞流作為換熱物理模型,該校還對(duì)板式換熱器的熱工性能評(píng)價(jià)指標(biāo)及板式換熱器的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。近幾十年來(lái),他們還作了大量的國(guó)產(chǎn)板片的性能測(cè)定。 河北工學(xué)院就板式換熱器的流

17、體阻力問(wèn)題進(jìn)行了研究,認(rèn)為只有當(dāng)板片兩側(cè)的壓差相等或壓差很小時(shí),板片以自身的剛性使板間距保持在設(shè)計(jì)值上,否則板片會(huì)發(fā)生變形,致使板間距發(fā)生變化,出現(xiàn)受壓通道和擴(kuò)張通道。其次,他們把板式換熱器的流體阻力分解為板間流道阻力和角孔道阻力(包括進(jìn)、出口管)進(jìn)行整理,得到一種新的流體阻力計(jì)算公式。 天津大學(xué)對(duì)板式換熱器的兩相流換熱及其流體主力計(jì)算進(jìn)行了大量的研究,得出考慮因素比較全面的換熱計(jì)算公式。近年來(lái),研制了非對(duì)稱型的板式換熱器,進(jìn)行了國(guó)產(chǎn)板式換熱器的性能測(cè)定及優(yōu)化設(shè)計(jì)等工作。 華南理工大學(xué)、大連理工大學(xué)等高等院校和科研單位,也對(duì)板式換熱器的換熱、流體阻力理論或工程應(yīng)用方面作了很多有益的工作。

18、 進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái),我過(guò)的板式換熱器研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步,在借鑒國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的同時(shí),也逐漸形成了自己的一套設(shè)計(jì)開發(fā)模式,與世界領(lǐng)先技術(shù)的差距進(jìn)一步縮小。我國(guó)板式換熱器的制造廠家有四五十家、年產(chǎn)各種板式換熱器數(shù)千臺(tái)計(jì),但是我國(guó)的板式換熱器的應(yīng)用遠(yuǎn)不及國(guó)外,這與人們對(duì)板式換熱器的了解程度、使用習(xí)慣以及國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的水平有關(guān)。七十年代,板式換熱器主要應(yīng)用于食品、輕工、機(jī)械等部門;八十年代也僅僅是應(yīng)用到民用建筑的集中供熱;八十年代中期開始,在化工工藝流程中較苛刻的場(chǎng)合也出現(xiàn)了板式換熱器的身影。由于人們對(duì)板式換熱器工作原理、熱力計(jì)算、校驗(yàn)等不熟悉的原因,使得板式換熱器在開發(fā)到應(yīng)用的時(shí)間跨度上,花費(fèi)了較多的

19、時(shí)間。 1.3 國(guó)外著名廠家及其產(chǎn)品 現(xiàn)在,世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都制造板式換熱器,其產(chǎn)品銷往世界各地。最著名的廠家有英國(guó)APV公司、瑞典ALFA-LAVAL公司、德國(guó)GEA公司、美國(guó)OMEXEL公司、日本日阪制作所等。 (1)英國(guó)APV公司。APV公司的Richard Seligman博士于1923年就成功設(shè)計(jì)了第一臺(tái)工業(yè)性的板式換熱器。其在國(guó)外有20個(gè)聯(lián)合公司,遍及美、德、法、日、意、加等國(guó)。Seligman設(shè)計(jì)的板式換熱器板片為塞里格曼溝道板。三十年代后期,英國(guó)人Goodman提出的階梯形斷面的平直波紋,性能并不十分優(yōu)越。目前APV公司生產(chǎn)的板式換熱器波紋多屬人字形波紋,最大單板換熱

20、面積為2.2,單臺(tái)換熱器最大流量為2500。換熱器最高使用溫度為260、最大使用壓力為2.0MPa、最大的單臺(tái)換熱面積為1600。APV公司換熱器產(chǎn)品情況如表1-1: 表1-1APV公司主要的板式換熱器板式換熱器型號(hào) 最高工作 壓 力 單板換熱 面、 積 半片外型尺寸 長(zhǎng)X寬 X 單臺(tái)最多 板片 數(shù) 長(zhǎng)管尺寸 () SR1 1.03 0.0258 570X210 150 38 HMB 0.69 0.34 1114X318 187 51 SR35 1.55 0.34 1152X392 414 75 R40 1.37 0.38 1150X445 409 102,1

21、27,152 R55 2.06 0.52 1156X416 362 102 R56 0.93 0.52 1156X416 350 102 R106 0.69 1.078 1984X712 427 300 R235 0.83 2.2 2739X1107 729 400 (2)ALFA-LAVAL公司。ALFA-LAVAL公司制造的板式換熱器,其銷售遍布99個(gè)國(guó)家,從該公司于1930年生產(chǎn)的第一臺(tái)板式巴氏滅菌器開始,已有60多年的歷史。公司在1960年就采用了人字形波紋板片;1970年發(fā)展了釘焊板式換熱器;1980年對(duì)葉片的邊緣做了改造,以增強(qiáng)抗壓能力。該公司的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品性能:最高工作壓力

22、2.5MPa;最高工作溫度250℃;最大單臺(tái)流量3600;總傳熱系數(shù)3500-7500;每臺(tái)換熱面積0.1-2200;最大接管尺寸450mm。 (3)GEA AHLBORN公司。該公司現(xiàn)有Free-Flow和Varitherm兩個(gè)系列產(chǎn)品。前者抗壓能力差,后者為人字形波紋片。Free-Flow為弧形波紋板片,其結(jié)構(gòu)特殊,板片的斷面是弧狀,而且分割成幾個(gè)獨(dú)立的流道,相鄰兩板波紋之間無(wú)支點(diǎn),靠分割流道的墊片作支撐,以抗壓力差。顯而易見,這種板片的承壓能力較低。Varitherm為人字形波紋板片,一般情況下,同一外形尺寸和墊片中心線位置的板片,有縱向人字形和橫向人字形兩種形式。GEA AHLB

23、ORN的板式換熱器技術(shù)特性如表1-2: 表1-2 GEA AHLBORN公司主要板式換熱器技術(shù)特性 型號(hào) 板片 最高工作壓 力 最高工作溫 最大流量 波紋型式 外形尺寸長(zhǎng)X寬mm 單板換熱面積() Free-Flow 157 一列弧形 670X250 0.0915 ? ? 5159 二列弧形 1065X330 0.292 ? ?15161 三列弧形 ? 0.54 ? ?30 Varitherm 4P 縱人字形 510X128 0.00112 2.52601510 縱人字形 781X213 0.115 1.62503520 縱/橫人字形

24、 992X3360.26 1.625010040 縱/橫人字形 1392X4240.46 1.6250220402 縱/橫人字形 654X424 0.148 1.6250220405 縱/橫人字形 1091X4240.80 1.625022080 縱/橫人字形 1754X6100.81 1.6250500805 縱/橫人字形 1194X6100.40 1.6250500130 縱/橫人字形 2195X8101.28 1.6250 1500 1306 縱/橫人字形 1635X8100.81 1.6250 1500 1309 縱/橫人字形 2008X8101.41 1.6250 15

25、00 注:縱/橫人字形,指有縱向人字形和橫向人字形兩種波紋板片。 (4)W.Schmidt公司。公司早期生產(chǎn)截球形波紋片(sigma-20),因性能欠佳已不再生產(chǎn)。該公司的Sigma板片,除小面積的為水平平直波紋外,都為人字形波紋,而且同一單板面積和同一外形尺寸、墊片槽尺寸的板片有兩種人字角的人字形波紋,增加了組合形式,以適應(yīng)各種工況的需要。W.Schmidt公司的板式換熱器,一般工作壓力為1.6MPa,最小的單板換熱面積為0.035、最大的單板換熱面積為1.55。 (5)HISAKA日阪制作所公司。在1954年,公司研究成功EX-2型板片;現(xiàn)在,該公司有水平平直波紋板和人字形波紋板

26、兩種。其板式換熱器技術(shù)特性見表1-3: 表1-3 HISAKA公司板式換熱器技術(shù)特性 型號(hào) 單位換熱面積 處理量 最高工作壓力MPa 最高工作溫度 最大單臺(tái)換熱面積 水平平直波紋板片 EX-1 0.157 23 0.4 200 15 EX-15 0.314 140 1.2 200 60 EX-16 0.55 240 1.2 200 150 EX-11 0.71 460 1.2200 150 EX-12 0.8 883 1.0 200 260 人字形波紋板片 UX-01 0.087 36 1.5~2.0 200 5 UX-20 0.375 140 1.5~2.0200

27、100 UX-400.76540 1.5~1.8 200 250 UX-601.169001~1.3 200 500 UX-801.70 15201~1.3 200 800 1.4 板式換熱器的國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展 我國(guó)板式換熱器的研究,設(shè)計(jì),制造始于20世紀(jì)60年代。1965年,蘭州石油化工機(jī)械廠設(shè)計(jì)、制造了單板換熱面積為0.52的水平平直波紋板片的板式換熱器,這也是我國(guó)生產(chǎn)的第一臺(tái)板式換熱器,供造紙廠、維尼綸廠使用。80年代初期,該廠又引進(jìn)W.Schmidt公司的板式換熱器制造技術(shù),增加了產(chǎn)品的品種。1967年,蘭州石油機(jī)械研究所不同波紋板片做了對(duì)比實(shí)驗(yàn),肯定了人字形波紋的優(yōu)點(diǎn),并在

28、1971年制造了我國(guó)第一臺(tái)人字形波紋板片的板式換熱器,單片換熱面積為0.3,這對(duì)我國(guó)板式換熱器采用波紋形式的決策起了重要作用。 國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)板式換熱器也進(jìn)行了一系列的研究。如趙鎮(zhèn)南對(duì)板式換熱器速度場(chǎng)進(jìn)行了研究,他發(fā)現(xiàn)了板式換熱器速度場(chǎng)的流動(dòng)情況與W.Fouke所研究的相一致。在他的文獻(xiàn)中,趙鎮(zhèn)南還結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)闡明了板式換熱器人字形波紋板間的流動(dòng)方式以及波紋傾角對(duì)換熱器性能的重要影響,并得到以下結(jié)論: (1)人字波紋的傾斜角是影響板式換熱器性能最重要的一個(gè)幾何參數(shù),它通過(guò)改變流動(dòng)狀態(tài)來(lái)影響板片通道的傳熱和阻力特性; (2)在相同雷諾數(shù)和波紋參數(shù)下,大傾角板片的傳熱和阻力降均高于小傾角板片

29、,但在相同的通道阻力降下則無(wú)論大、小傾角,傳熱速率都基本相等; (3)對(duì)板式換熱器的具體工程應(yīng)用要力爭(zhēng)達(dá)到換熱、流量和阻力降三者之間的良好匹配。許淑惠、周明連等對(duì)板式換熱器進(jìn)行壓力分布和阻力特性進(jìn)行了研究,他們通過(guò)兩種形式板片的實(shí)驗(yàn)給出不同雷諾數(shù)下兩種板型:不同雷諾數(shù)下的壓差分布及各種通道中的流阻與比數(shù)的關(guān)系式,同時(shí)運(yùn)用流型顯示的方法揭示影響板式換熱器入口流體分布和壓力損失的原因。此外,周明連通過(guò)比較兩種板式換熱器發(fā)現(xiàn):具有相同波紋槽道的板式換熱器在流阻和傳熱方面有較大差距,通過(guò)流型觀測(cè)發(fā)現(xiàn)板式熱交換器的流量分布不均,偏流的存在降低了板式熱交換器的性能,增大了流阻;同時(shí)在測(cè)試壓力降的基礎(chǔ)上提

30、出單元流路分析的原理和方法,該方法能定量計(jì)算板武熱交挾器內(nèi)的流量分布。天津大學(xué)趙鎮(zhèn)南根據(jù)聯(lián)箱和分流聯(lián)葙流量分布解,對(duì)流量非均勻分布導(dǎo)致板式換熱器單相液一寢換熱和冷凝換熱時(shí)的傳熱性能變化作了模擬計(jì)算和深入分析,指出單相換熱時(shí),若冷、熱流體進(jìn)出口位于同一測(cè),各分支通道的傳熱量嚴(yán)重不均勻,但整機(jī)總傳熱量變化不大;當(dāng)進(jìn)出口分別位于換熱器兩側(cè)時(shí),傳熱分布的非均勻性會(huì)明顯改善,但總傳熱量會(huì)比流量均勻分布時(shí)明顯降低;作為冷凝器使用時(shí),流量的非均勻分布同樣導(dǎo)致其傳熱性能的變化,這時(shí)熱負(fù)荷的分布狀況將王要受允許壓降分配規(guī)律的制約。此外,國(guó)內(nèi)一些學(xué)者采用染色示蹤往對(duì)人字形波紋槽道和斜波紋槽道進(jìn)行了流型觀察,得到一

31、些有益結(jié)論。對(duì)傳熱單元的傳熱實(shí)驗(yàn)EM Sparrow采用的是恒壁溫加熱法,但國(guó)內(nèi)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)較難實(shí)現(xiàn),一般呆用大電流恒熱流法。在湍流換熱狀態(tài)下,兩者區(qū)別不大,后者更接近實(shí)際。采用局部組合通道內(nèi)的可視化及傳熱機(jī)理研究方法來(lái)推算整個(gè)板片的傳熱及流阻特性對(duì)開發(fā)板片有一定的指導(dǎo)意義。 2. 板片式換熱器的基本構(gòu)造 2.1 板片式換熱器的基本構(gòu)造 板式換熱器的結(jié)構(gòu)相對(duì)于板翅式換熱器、殼管式換熱器和列管式換熱器比較簡(jiǎn)單,它是由板片、密封墊片、固定壓緊板、活動(dòng)壓緊板、壓緊螺柱和螺母、上下導(dǎo)桿、前支柱等零部件所組成,板式換熱器基本構(gòu)造如圖2-1所示。 圖2-1 板式換熱器的基本構(gòu)造 2.2 流程組合

32、 為了使流體在板束之間按一定的要求流動(dòng),所有板片的四角均按要求沖孔,墊片按要求粘貼,然后有規(guī)律地排列起來(lái),形成流體的通道,稱為流程組合。(圖2-2 [a]、[b]、[c]是典型的排列方式)板束中板片的數(shù)量和排列方式,由設(shè)計(jì)確定。從圖可見,墊片不僅起到密封作用,還起到流體在板間流動(dòng)的導(dǎo)向作用。流程組合就是板片數(shù)量和排列方式的有機(jī)組合,并以數(shù)學(xué)形式表示為: (2-1) 式中:、 …?指從固定壓緊板開始,甲流體側(cè)流道數(shù)相等的流程數(shù);、…?、 …中的流道數(shù);、 、?指從固定壓緊板開始,乙流體側(cè)流道數(shù)相等的流程數(shù);、、? 、 、 中的流道數(shù)。 圖2-2流程組合方式 由于單流程并聯(lián)式流程的結(jié)

33、構(gòu)簡(jiǎn)單,所以本設(shè)計(jì)初選單流程并聯(lián)式流程組合方式進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。 2.3 框架型式 板式換熱器的框架多種多樣, 板式換熱器的框架多種多樣,如圖2-3所示,其中尤以(a)、(b)、更為常用。應(yīng)用于乳品等食品行業(yè)中的板式換熱器,常有兩種以上的介質(zhì)換熱,所以要設(shè)置中間隔板,中間隔板的數(shù)量視換熱介質(zhì)的數(shù)量而定,另外山于工作壓力不高,又需經(jīng)常拆卸清洗,所以常采用頂桿式。 圖2-3 框架主要形式及螺栓壓緊式板式換熱器結(jié)構(gòu) (a)普通式;(b)懸掛式;(c)頂桿式;(d)帶中間隔板式;(e)活動(dòng)壓緊板落地式;1-軸(上導(dǎo)梁);2-活動(dòng)壓緊板;3-板片;4-墊片;5-掛鉤;6-固定壓緊板;7-下導(dǎo)梁

34、2.4板片 選用板片是傳熱元件,一般由0.6~0.8mm的金屬板壓制成波紋狀,波紋板片上貼有密封墊圈。板片按設(shè)計(jì)的數(shù)量和順序安放在固定壓緊板和活動(dòng)壓緊板之間,然后用壓緊螺柱和螺母壓緊,上、下導(dǎo)桿起著定位和導(dǎo)向作用。固定壓緊板、活動(dòng)壓緊板、導(dǎo)桿、螺柱、螺母、前支桿可統(tǒng)稱為板式換熱器的框架;眾多的板片、墊片可稱為板束。分析以上的結(jié)構(gòu)和零部件的組成,可見其零部件品種少,且通用性極強(qiáng),這十分有利于成批生產(chǎn)及使用維修。 板片是板式換熱器的核心元件,冷、熱流體的換熱發(fā)生在板片上,所以它是傳熱元件,此外它又承受兩側(cè)的壓力差。從板式換熱器出現(xiàn)以來(lái),人們構(gòu)思出各種形式的波紋板片,以求得換熱效率高、流體阻力低

35、、承壓能力大的波紋板片。 2.4.1 常用形式 板片按波紋的幾何形狀區(qū)分,有水平平直波紋、人字形波紋、斜波紋等波紋板片;按流體在板間的流動(dòng)形式區(qū)分,有管狀流動(dòng)、帶狀流動(dòng)、網(wǎng)狀流動(dòng)的波紋板片。 常用板片如2-4所示: 圖2-4 兩種常用板片示圖 (a)人字波紋板;(b)水平平直波紋板 對(duì)于人字形波紋板片,人字角的大小對(duì)傳熱和流體阻力影響甚大。人字角大的板片傳熱系數(shù)高、流體阻力亦大;反之人字角小的板片傳熱系數(shù)和流體阻力都低些,圖2-5是人字角對(duì)傳熱影響的曲線示圖。 圖2-5 人字角對(duì)傳熱的影響 2.4.2 混合人字板及性能 利用人字角對(duì)傳熱的影響,很多制造廠將同一規(guī)格的板片

36、做成大人字角和小人字角兩種,如圖2-6所示。國(guó)外把大人字角的板片稱為H板片硬板Hard plate,小人字角的板片稱為L(zhǎng)板片軟板Soft plate一臺(tái)板式換熱器可全部用H板片組裝或全部用L板片組裝,也有有將H板片和L板片相間組裝、分段組裝,這樣組裝的板式換熱器性能介于前兩者之間,在某種意義上來(lái)說(shuō),相當(dāng)于第三種性能的板片,稱之為M板片,混合板片其實(shí)是圖2-6和圖2-7表示了組裝情況及其相應(yīng)的性能。在充分利用允許壓降的情況下,這種稱之為換熱混合設(shè)計(jì),其換熱面積可減少25~30 %。 圖2-6 大人字角板片(H板)和小人字角板片(L板) 以及三種組合的H、M、L流道示圖 圖

37、2-7 H、M、L流道性能示圖 為了提高板式換熱器工作壓力和工作溫度,全焊式和半焊式板式換熱器得到了發(fā)展,前者釬焊而成,是不可拆卸的板式換熱器,雖然提高了工作壓力和工作溫度,但喪失了板式換熱器的一些優(yōu)點(diǎn);后者則每?jī)蓮埌迤附釉谝黄鸪蔀楹附訂卧?然后組裝起來(lái),焊接單元之間用墊片密封,這樣焊接單元中的流道可承受較高的溫度和壓力,但不能拆卸,焊接單元之間的流道,能承受的壓力、溫度仍和一般的板式換熱一樣。 2.4.3 特種形式 為了適應(yīng)各種工程的需要,在傳統(tǒng)板式換熱器的基礎(chǔ)上相繼發(fā)展了一些特殊的板片及特殊的板式換熱器。 1便于裝卸墊片的板片 2用于冷凝器的板片 3用于蒸發(fā)器的板片 4板

38、管式板片 5雙層板片 6石墨材料板片 7寬窄通道的板片 2.5 密封墊片 板式換熱器的密封墊片是一個(gè)關(guān)鍵的零件。板式換熱器的工作溫度實(shí)質(zhì)上就是墊片能承受的溫度;板式換熱器的工作壓力也相當(dāng)程度上受墊片制約。從板式換熱器結(jié)構(gòu)分析,密封周邊的長(zhǎng)度將是換熱面積的6~8倍,超過(guò)了任何其它類型的換熱器。密封墊片是板式換熱器的重要構(gòu)件,對(duì)它的基本要求是耐熱、耐壓、耐介質(zhì)腐蝕。板式換熱器是通過(guò)壓板壓緊墊片,達(dá)到密封。為確?？煽康拿芊?必須在操作條件下密封面上保持足夠的壓緊力。板式換熱器由于密封周邊長(zhǎng),需用墊片量大,在使用過(guò)程中需要頻繁拆卸和清洗,泄漏的可能性很大。如果墊片材質(zhì)選擇不當(dāng),彈性不好,所用

39、的膠水不粘或涂的不勻,都可導(dǎo)致運(yùn)行中發(fā)生脫墊、伸長(zhǎng)、變形、老化、斷裂等。加之板片在制造過(guò)程中,有時(shí)發(fā)生翹曲,也可造成泄漏。一臺(tái)板式換熱器往往由幾十片甚至幾百片傳熱板片組成,墊片的中心線很難準(zhǔn),組裝時(shí)容易使墊片某段壓偏或擠出,造成泄漏,因此必須適當(dāng)增加墊片上下接觸面積。 墊片材料廣泛采用天然橡膠、腈橡膠、氯丁橡膠、丁苯橡膠、丁腈橡膠、硅橡膠和氟化橡 以下,最高不超過(guò)膠等。這些材料的安全使用溫度一般在以下,最高不超過(guò)(見表2-1)。對(duì)橡膠墊片除要求抗介質(zhì)腐蝕外,還應(yīng)保證下列機(jī)械性能: 抗張強(qiáng)度: 相對(duì)伸長(zhǎng): 邵氏硬度: 永久變形: 增減量: 壓縮變形: 上述橡膠墊片有不耐有機(jī)溶劑腐

40、蝕的缺點(diǎn)。目前國(guó)外有采用壓縮石棉墊片和壓縮石棉橡膠墊片,不僅抗有機(jī)溶劑腐蝕,而且可耐較高溫度,達(dá)。壓縮石棉墊片由于含橡膠量甚少,和橡膠墊片比幾乎是無(wú)彈性的,因此需要較高的密封壓緊力。其次當(dāng)溫度升高后,墊片的熱膨脹有助于更好密封。為了承受這種較大的密封壓緊力和熱膨脹力,框架和墊片必須有足夠的強(qiáng)度。 表2-1 板片的材料代號(hào) 墊片材料及代號(hào) 丁晴橡膠 三元乙丙橡膠 氟丁橡膠 硅橡膠 石棉纖維板 N E F Q A 適用溫度 -20~110-50~1500~180 -40~10020~250 2.6 焊接式板式換熱器 2.6.1 半焊式板式換熱器 半焊式板式換熱器的結(jié)構(gòu)是每?jī)蓮埐y板

41、焊接在一起,然后將它們組合在一起,彼此之間用墊片進(jìn)行密封。焊接在一起的板間通道走壓力較高的流體,用墊片密封的板間通道走壓力較低的流體,所以這種板式換熱器提高了其中一側(cè)的工作壓力。 2.6.2 全焊接式板式換熱器 為了使板式換熱器適用于高溫、高壓下工作,將板片互相焊接在一起,在六十年代就有此類產(chǎn)品。ALFA-LAVAL公司生產(chǎn)的Lamalla板式換熱器就是屬于全焊接式板式換熱器。但是這種結(jié)構(gòu)制造困難,板片破損后也無(wú)法修復(fù)。 3. 板式換熱器的性能特點(diǎn) 雖然人們進(jìn)行多方研究,以求提高工作壓力和工作溫度,但沒(méi)有獲得突破;而只是在產(chǎn)品大型化、使用工況多樣化方面取得了一定進(jìn)展,這就是現(xiàn)已可以制造

42、的大型板式換熱器和采用各種耐腐蝕材料制造的板式換熱器。表3-1列出了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外板式換熱器的一些技術(shù)參數(shù)。 表3-1板式換熱器的技術(shù)參數(shù) 項(xiàng)目 國(guó)外 國(guó)內(nèi) 最大單板面積, 4.75 2 最大單臺(tái)面積, 2200 ~1000 最高工作壓力,MPa 2.5 2.5 最高工作溫度 橡膠墊片 200 200 石棉墊片 250 250 單臺(tái)流量 3600 總體熱系數(shù) 3500~7500 3.1 板式換熱器的主要優(yōu)點(diǎn) (1)傳熱系數(shù)高 管殼式換熱器的結(jié)構(gòu),從強(qiáng)度方面看是很好的,但從換熱角度看并不理想,因?yàn)榱黧w在殼程中流動(dòng)時(shí)存在著折流板?殼體、折流板?換熱管、管束?殼體之間的旁路。通

43、過(guò)這些旁路的流體,并沒(méi)有充分地參與換熱。而板式換熱器,不存在旁路,而板片的波紋能使流體在較小的流速下產(chǎn)生湍流。所以板式換熱器有較高的傳熱系數(shù),一般情況下是管殼式換熱器的3~5倍,特別適用于迅速加熱和迅速冷卻的換熱過(guò)程。板式換熱器的板間流道,是一個(gè)截面多變、曲折的流道見。 圖3-1人字形板片流道截面的變化示圖 (2)對(duì)數(shù)平均溫差大 在管殼式換熱器中,兩種流體分別在殼程和管程內(nèi)流動(dòng),總體上是錯(cuò)流的流動(dòng)方式。如果進(jìn)一步分析,殼程為混合流動(dòng),管程是多股流動(dòng),所以對(duì)數(shù)平均溫差都應(yīng)采用修正系數(shù)。修正系數(shù)通常較小。流體在板式換熱器內(nèi)的流動(dòng),總體上是并流或逆流的流動(dòng)方式,其溫差修正系數(shù)一般大于0.8,通

44、常為0.95。 (3)占地面積小 板式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊,單位體積內(nèi)的換熱面積為管殼式換熱器的2~5倍,也不像管殼式換熱器那樣需要預(yù)留抽出管束的檢修場(chǎng)地,因此實(shí)現(xiàn)同樣的換熱任務(wù)時(shí),板式換熱器的占地面積約為管殼式換熱器的1/5~1/10。 (4)板式換熱器的板片厚度僅為0.4~0.8mm,管殼式換熱器的換熱管厚度為2.0~2.5mm;管殼式換熱器的殼體比板式換熱器的框架重得多。在完成同樣的換熱任務(wù)的情況下,板式換熱器所需要的換熱面積比管殼式換熱器的小。 (5)價(jià)格低 在使用材料相同的前提下,因?yàn)榭蚣芩枰牟牧陷^少,所以生產(chǎn)成本必然要比管殼式換熱器低。 (6)末端溫差小 管殼式換熱器,

45、在殼程中流動(dòng)的流體和換熱面交錯(cuò)并繞流,還存在旁流,而板式換熱器的冷、熱流體在板式換熱器內(nèi)的流動(dòng)平行于換熱面,且無(wú)旁流,這樣使得板式換熱器的末端溫差很小,對(duì)于水?水換熱可以低于1,而管殼式換熱器大約為5,這對(duì)于回收低溫位的熱能是很有利的。 (7)污垢系數(shù)低 板式換熱器的污垢系數(shù)比管殼式換熱器的污垢系數(shù)小得多,其原因是流體的劇烈湍流,雜質(zhì)不宜沉積;板間通道的流通死區(qū)小;不銹鋼制造的換熱面光滑、且腐蝕附著物少,以及清洗容易。 (8)多種介質(zhì)換熱 如果板式換熱器安裝有中間隔板,則一臺(tái)設(shè)備可以進(jìn)行三種或三種以上介質(zhì)的換熱。 (9)清洗方便 板式換熱器的壓緊板卸掉后,即可松開板束,卸下板片,進(jìn)

46、行機(jī)械清洗。 (10)容易改變換熱面積或流程組合 只需要增加(或減少)板片,即可達(dá)到需要增加(或減少)的換熱面積。 熱損失小 板式換熱器只有傳熱板的外殼板暴露在大氣中,因此散熱損失可以忽略不計(jì),也不需要保溫措施。而管殼式換熱器熱損失大,需要隔熱層。 (12)容量較小 是管殼式換熱器的10%~20%。 (13)不易結(jié)垢 由于內(nèi)部充分湍動(dòng),所以不易結(jié)垢,其結(jié)垢系數(shù)僅為管殼式換熱器的1/3~1/10。3.2 板式換熱器的主要缺點(diǎn) (1)工作壓力 單位長(zhǎng)度的壓力損失大 由于傳熱面之間的間隙較小,傳熱面上有凹凸,因此比傳統(tǒng)的光滑管的壓力損失大。 板式換熱器是靠墊片進(jìn)行密封的,密封

47、的周邊很長(zhǎng),而且角孔的兩道密封處的支撐情況較差,墊片得不到足夠的壓緊力,所以目前板式換熱器的最高工作壓力僅為2.5MPa;單板面積在1以上時(shí),其工作壓力往往低于2.5MPa。 (2)工作溫度 板式換熱器的工作溫度決定于密封墊片能承受的溫度。用橡膠類彈性墊片時(shí),最高工作溫度在200以下;用壓縮石棉絨墊片時(shí),最高工作溫度為250~260。 (3)固體介質(zhì) 板式換熱器的板間通道很窄,一般為3~5mm,當(dāng)換熱介質(zhì)中含有較大的固體顆粒或纖維物質(zhì),就容易堵塞板間通道。對(duì)這種換熱場(chǎng)合,應(yīng)考慮在入口安裝過(guò)濾裝置,或者選擇特殊的大間隙板式換熱器。 3.3 板式換熱器與管殼式換熱器的比較 各種換熱器都

48、有其優(yōu)缺點(diǎn),迄今為止,管殼式換熱器仍是用途最廣的換熱器,但在某些場(chǎng)合,采用板式換熱器更為優(yōu)越;各類板式換熱器也各有其優(yōu)缺點(diǎn),表3-2為板式換熱器和管殼式換熱器各種性能的比較。 表3-2 板式換熱器和管殼式換熱器的比較 項(xiàng)目 板式換熱器 管殼式換熱器 溫度交叉 能 不能 末端溫差 約1 5多種介質(zhì)操作 能 不能 管線連接 可集中在一個(gè)方位要幾個(gè)方位設(shè)在總傳熱系數(shù)比 3~5 1設(shè)備重量比1 3~10 滯液體積 小 大 占地面積 1 2~5 變更程數(shù) 可以改變流程組合不能 最高工作壓力, 2.5 決定于設(shè)計(jì) 對(duì)含顆粒較差固體 較差 可以 4. 板式換熱器熱力及相關(guān)計(jì)

49、算 4.1 板式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算概述 板式熱交換器的設(shè)計(jì)和其它熱交換器的設(shè)計(jì)一樣,分為設(shè)計(jì)計(jì)算和校核計(jì)算。一般設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí),換熱器的流程及尺寸都是待定值。介質(zhì)的初溫和終溫、流量等則預(yù)先給定。此外,還給定最大許用壓力損失流動(dòng)阻力。有了這些基本數(shù)據(jù)以及流體的物理性能之后,就可建立每段或一臺(tái)中流體的溫度變化圖,并按此算出乎均溫差、平均溫度和每一段中的熱負(fù)荷。 然后選擇一種認(rèn)為合適的板片,加熱側(cè)和被加熱側(cè)的雷諾數(shù)和努塞爾數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)時(shí)先給定板間通道中流體的流速的一次近似值,于是可以根據(jù)選定的板型的準(zhǔn)則方程式計(jì)算傳熱系數(shù)。根據(jù)熱負(fù)荷、平均溫差及傳熱系數(shù)就可算出需要的換熱面積,依此而求出所需的板片

50、一致。然后根據(jù)開始時(shí)所選的流速確定流體需要的總的通道橫斷面。這樣,由板片尺寸就可確定每一組中所需的并聯(lián)通道數(shù)和每一段中的組數(shù)。每一段中的組數(shù)和每一組中的板片數(shù)都應(yīng)湊成整數(shù)。這樣就可確定整個(gè)換熱器中的流動(dòng)系統(tǒng)。得到換熱器設(shè)計(jì)的第一近似方案。 有了第一方案的系統(tǒng)之后,就可以用相應(yīng)的阻力系數(shù)和準(zhǔn)則關(guān)系式計(jì)算出每一組和整臺(tái)換熱器的阻力損失,并與給定的壓力損失作比較。 如果所得的總阻力值超過(guò)許用的數(shù)值,則必須將流速取低一些重新計(jì)算。流速取低,將使傳熱系數(shù)降低,換熱面積增大,每一組中的板片數(shù)要增多,而總的組數(shù)則可能減少。新的結(jié)果再與許用阻力相比,如不合適就再重顏計(jì)算,一直到滿意為止。如果所得的阻力遠(yuǎn)低于

51、給定值,這意味著換熱的效能很差,這對(duì)應(yīng)增加流體的流速,即換熱器設(shè)計(jì)也須重新計(jì)算。上述方法是先作熱力計(jì)算,然后定設(shè)備結(jié)構(gòu),最后進(jìn)行阻力計(jì)算。用這種方法計(jì)算板式換熱器的最大缺點(diǎn)是沒(méi)有將熱力計(jì)算和阻力計(jì)算直接聯(lián)系起來(lái);它是先假定一個(gè)流速而后進(jìn)行計(jì)算。 4.2 傳熱過(guò)程 板式換熱器中冷、熱流體之間的換熱一般都是通過(guò)流體的對(duì)流換熱(或相變換熱)、垢層及板片的導(dǎo)熱來(lái)完成的,由于參與傳熱的流體通常都是液體而不是氣體,故不存在輻射換熱。 4.2.1 對(duì)流換熱 對(duì)流和導(dǎo)熱都是傳熱的基本方式。對(duì)于工程上的傳熱過(guò)程,流體總是和固體壁面直接相接觸的。因此,熱量的傳遞一方面是依靠流體質(zhì)點(diǎn)的不斷運(yùn)動(dòng)的混合,即所謂

52、的對(duì)流作用;另一方面依靠由于流體和壁面以及流體各處存在溫差面造成的導(dǎo)熱作用。這種對(duì)流和導(dǎo)熱同時(shí)存在的過(guò)程,稱為對(duì)流換熱。 由于引起流體流動(dòng)的原因不同而使對(duì)流換熱的情況有很大的差異,所以將對(duì)流換熱分為兩大類。一類是自然對(duì)流(或稱自由流動(dòng))換熱,即因流體各部分溫度不同引起的密度差異所產(chǎn)生的流動(dòng)換熱,如:空氣沿散熱器表面的自然對(duì)流換熱;另一類是強(qiáng)制對(duì)流(或稱為強(qiáng)迫流動(dòng))換熱,即流體在泵或風(fēng)機(jī)等外力作用下流動(dòng)時(shí)的換熱,如:熱水在泵的驅(qū)動(dòng)下,在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的換熱。一般情況下,強(qiáng)制流動(dòng)時(shí),流體的流速高于自由流動(dòng)時(shí),所以強(qiáng)制流動(dòng)的對(duì)流換熱系數(shù)高。如:空氣的自由流動(dòng)換熱系數(shù)約為5~25W /m ,而它的強(qiáng)制流

53、動(dòng)傳熱系數(shù)為10~100W /m 。 影響對(duì)流換熱的因素很多,如流體的物性(比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、密度、粘度等),換熱器表面形狀、大小,流體的流動(dòng)方式,都會(huì)影響對(duì)流換熱,而且情況很復(fù)雜。在傳熱計(jì)算上為了方便,建立了以下的對(duì)流換熱量的計(jì)算公式(牛頓冷 卻公式):4-1 式中: Q-換熱量,; -對(duì)流換熱系數(shù),W /m ; -分別為壁面溫度與流體溫度,。 A-換熱面積,。 有該公式可見,影響對(duì)流換熱的因素都被歸結(jié)到對(duì)流換熱系數(shù)中,對(duì)流換熱系數(shù)數(shù)值上的大小反映了對(duì)流換熱的強(qiáng)弱。 4.2.2 相變換熱 在對(duì)流換熱中發(fā)生著蒸汽的凝結(jié)或液體的沸騰(或蒸發(fā))的換熱過(guò)程,統(tǒng)稱為相變換熱。由于在這類

54、換熱過(guò)程中,同時(shí)發(fā)生著物態(tài)的變化,情況要比單相流體中的對(duì)流換熱復(fù)雜得多,所以,相變換熱問(wèn)題成為一個(gè)獨(dú)立的研究領(lǐng)域,而一般的對(duì)流換熱問(wèn)題也就僅指單相流體而言。 (1)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,在壁面上就會(huì)發(fā)生凝結(jié)。蒸汽釋放出汽化潛熱而凝結(jié)成液體,這種放熱現(xiàn)象稱為凝結(jié)換熱。 按照蒸汽在壁面上的凝結(jié)形式不同,可分為兩種凝結(jié)。一種為膜狀凝結(jié),即凝結(jié)液能很好地潤(rùn)濕壁面,凝結(jié)液以顆粒狀液珠的形式附著在壁面上,如水蒸汽在有油的壁面上凝結(jié)情況。膜狀凝結(jié)時(shí)所釋放出來(lái)的潛熱必須通過(guò)凝結(jié)膜才能供給較低溫度的壁面,顯然,這層液膜成為一項(xiàng)熱阻。而珠狀凝結(jié)時(shí),換熱是在蒸汽與液珠表面和蒸汽與

55、裸露的冷壁間進(jìn)行的,所以膜狀凝結(jié)傳熱系數(shù)要比珠狀凝結(jié)傳熱系數(shù)低,如:水蒸汽在大氣壓下,膜狀凝結(jié)傳熱系數(shù)約為,但是在工業(yè)過(guò)程中,一般都是膜狀凝結(jié),除非對(duì)壁面進(jìn)行預(yù)處理或在蒸汽中加入促進(jìn)劑。 (2)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(guò)程,稱為沸騰換熱,這是一種流體由液相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀嗟膿Q熱過(guò)程。 液體在受熱表面上的沸騰可分為大空間沸騰(池沸騰)和有限空間沸騰(強(qiáng)迫對(duì)流沸騰)。不論哪種沸騰,又都有過(guò)冷沸騰和飽和沸騰之分。過(guò)冷沸騰是在液體主流溫度低于相應(yīng)壓力下的飽和溫度而加熱壁面溫度已超過(guò)飽和溫度的條件下所發(fā)生的沸騰現(xiàn)象。飽和沸騰則是液體的主流溫度超過(guò)了飽和溫度,從加熱壁面產(chǎn)生的氣泡不再

56、被液體重新凝結(jié)的沸騰。 4.2.3導(dǎo)熱 在板式換熱器中,板片及垢層的傳熱均屬于導(dǎo)熱。由于板片及垢層的厚度和板面尺寸相比很小,所以導(dǎo)熱過(guò)程可認(rèn)為是沿厚度方向的一維導(dǎo)熱,其計(jì)算公式為: (4-2) 式中: Q-換熱量,;-導(dǎo)熱系數(shù),W /m? ; -導(dǎo)熱溫差,;A-換熱面積,。 4.3 熱力計(jì)算 熱力計(jì)算的目的在于使所設(shè)計(jì)的換熱器在服從傳熱方程式的基礎(chǔ)撒謊能夠滿足熱負(fù)荷所應(yīng)具有的換熱面積、傳熱系數(shù)、總傳熱系數(shù)、平均溫差等綜合方面的計(jì)算。 4.3.1 一般設(shè)計(jì)要求 (1)板間流速 流體在板間流動(dòng),其流速是不均勻的,在主流線上的流速,約為平均流速的4~5倍,在一個(gè)流程內(nèi)每個(gè)流道的流

57、速也不均勻(見圖4-1)。為使流體在板間流動(dòng)時(shí),處于充分的湍流狀態(tài),宜取板間的平均流速0.3~0.8。流速低于0.2時(shí)流體就達(dá)不到湍流狀態(tài)且會(huì)形成較大的死角區(qū),流速過(guò)高則會(huì)導(dǎo)致阻力降劇增。具體設(shè)計(jì)時(shí),可以先確定一個(gè)流速,計(jì)算其阻力降是否在給定的范圍內(nèi);也可按給定的壓力降求出流速的初選值。在阻力降容許的情況下取大值,以提高對(duì)流傳熱膜系數(shù),從而減小換熱面積,節(jié)省設(shè)備投資。 圖4-1 并聯(lián)U型和Z型流程板間流道的流體流速變化圖 (2)流程組合 一般來(lái)說(shuō),對(duì)于一般對(duì)稱型流道的板式換熱器,兩流體的體積流量大致相當(dāng)時(shí),應(yīng)盡可能按等程布置;如果兩側(cè)流量相差懸殊時(shí),則流量小的一側(cè)可采取多流程布置。程數(shù)宜

58、少,冷、熱介質(zhì)等程,逆向流動(dòng)布置,這樣的流程組合,溫差修正系數(shù)較大。(見圖4-1)并聯(lián)U型的流程組合也常常被采用,因?yàn)檫@種流程組合,可把冷、熱流體的進(jìn)、出口接管,都集中到固定壓緊板上,拆卸清洗時(shí),可不拆卸外部接管。對(duì)用于冷凝和蒸發(fā)的工況,只能采用單程,且被冷凝的流體應(yīng)從上而下,便于排出冷凝液;對(duì)于蒸發(fā)的工況,則相反,蒸發(fā)的介質(zhì)采用單程,由下而上,使蒸汽從上部排出。 (3)板片選擇 恰當(dāng)?shù)膯伟迕娣e,可得到較好的流程組合,使得程數(shù)少,流體阻力小。角孔的尺寸與單板面積有一定的內(nèi)在聯(lián)系,為使流體通過(guò)角孔流道不致?lián)p失過(guò)多壓力,一般取流體在角孔中的流速為4~6,表4-1列出了單板面積和處理量的關(guān)系,表

59、中流體通過(guò)角孔以6計(jì)算的。 表4-1 單板面積與處理量的關(guān)系 單板面積,0.1 0.2 0.3 0.5 0.8 角孔直徑, 40~50 65~90 80~100 125~170 175~200 單臺(tái)最大理量, 27~42 71~137 108~170 265~380 520~680 (4)材料選擇 板片的原材料厚度為0.6~0.8,壓制成波紋板后允許有25%的減薄量.于是最薄處的厚度為0.45~0.6,對(duì)板片采用表面防腐措施是難以奏效的,因此一定要選用耐腐蝕的材料進(jìn)行制造。 墊片材料既要耐溫又要耐腐蝕。各種墊片材料容許的適用溫度。 波紋板的型式,應(yīng)按工藝條件進(jìn)行選擇,人字形

60、波紋板片是廣為采用的板片,人字角大的板片如:,稱為H板片,適用于允許阻力損失較大,而要求傳熱效率高的場(chǎng)合;人字角小的板片如,稱為L(zhǎng)板片,適用于對(duì)阻力損失限制極嚴(yán)的場(chǎng)合。水平平直波紋板片則適用于對(duì)傳熱效率、阻力損失都適中的場(chǎng)合。對(duì)于兩種換熱流體,其流量差別甚大,則應(yīng)考慮選用非對(duì)稱流道或稱寬窄間隙流道的板片來(lái)組裝板式換熱器。對(duì)于兩換熱流體的對(duì)數(shù)溫度很大,流量差亦很大的換熱工況,選用長(zhǎng)寬比較小的波紋板較為理想。 (5)流體的選取 單相換熱時(shí),逆流具有最大的平均傳熱溫差。在一般換熱器的工程設(shè)計(jì)中都盡量把流體布置為逆流。對(duì)板式換熱器來(lái)說(shuō),要做到這一點(diǎn),兩側(cè)必須為等程。若安排為不等程,則順逆流需交替出

61、現(xiàn),此時(shí)的平均傳熱溫差將明顯小于純逆流時(shí)。在相變換熱時(shí)順流布置與逆流布置平均溫差的區(qū)別比單相換熱時(shí)小,但由于這時(shí)牙尖大小與流向有密切關(guān)系,所以相對(duì)流向的選擇將主要考慮壓降因素,其次才是平均溫差。其中要特別注意的是,有相變的流體除不宜采用多程外,還要求要從板片的上部進(jìn),下部出,以便排除冷凝液體。 (6)并聯(lián)流道數(shù)的選取 一程中并聯(lián)流道數(shù)的數(shù)目視給定流量及選取的流速而定,流速的高低受制于允許壓降,在可能的最大流速以內(nèi),并聯(lián)流道數(shù)目取決于流量的大小。 (7)單板面積的選擇 單板面積過(guò)小,則板式換熱器的板片數(shù)多,也使得占地面積增大,程數(shù)增多,導(dǎo)致阻力降增大;反之,雖然占地面積和阻力降減小了,卻難以保證板間通道必要的流