板式換熱器設計

本 科 畢 業(yè) 設 計 論 文題 目 板式換熱器設計 系 別 專 業(yè)班 級 學生姓名 指導老師 本科畢業(yè)設計（論文）任務書題 目板式換熱器設計姓 名1.畢業(yè)設計（論文）課題的主要任務：（1）設計的主要任務換熱器在節(jié)能、能量轉換，能量回收，以及新能源利用領域里的重要性日益增加。換熱器也是工業(yè)和科研中廣泛應用的換熱設備之一，其設計過程要利用到傳熱學和流體力學的知識。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。該課題要求首先對各種換熱器進行比較，然后選擇一種結構合理、經(jīng)濟耐用的換熱器，完成相關的設計、計算，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)學生將實際知識利用于工程實踐的能力。（2）設計的主要目的培養(yǎng)學生綜合運用課程及有關選修課程基礎理論和基本知識去完成板式換熱器的設計任務的實踐能力（3）設計目標設計的設備必須在技術上是可行的，經(jīng)濟上是合理的，環(huán)境上是友好的。（4）設計條件處理能力：52t/h熱污水設備型式：板式換熱器操作條件： 熱污水：入口溫度90，出口溫度35 冷卻介質：自來水，入口溫度25，出口溫度70 容許壓強降：不大于1MPa 每年按330天計，每天24小時連續(xù)運行2.課題的具體工作內容（原始數(shù)據(jù)、技術要求、工作要求）：（1）查閱相關文獻資料，了解換熱器的設計基本方法；（2）對板式換熱器的各種類型進行比較，然后選擇一種結構合理、經(jīng)濟耐用的換熱器，作為研究對象；（3）根據(jù)板式換熱器的特點，完成相關的設計計算，流道的選擇等，寫出設計過程；A .計算總傳熱系數(shù)B .計算傳熱面積（4）換熱器核算（5）完成板式換熱器的設計全過程；（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（論文字數(shù)，圖紙規(guī)格、數(shù)量，實物樣品，外文翻譯字數(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印刷符號的英文翻譯。4.主要參考文獻：（1）王毅過程裝備測試技術M北京：北京大學出版社，2010（2）馬履中機械原理與設計北京：機械工業(yè)出版社，2009（3）余建祖編著換熱器原理與設計北京航空航天大學出版社，2006（4）沙拉、賽庫里克著程林譯換熱器設計技術北京，機械工業(yè)出版社，2010（5）蘭州石油機械研究所板式換熱器人字形波紋板片試驗總結報告J，1972（6）錢頌文等換熱器設計手冊M北京：化學工業(yè)出版社，2002（7）楊崇麟板式換熱器工程設計手冊M北京：機械工業(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）常春梅國內可拆卸板式換熱器現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢石油化工設備2008，9（37，5）（10）趙曉文，蘇俊林板式換熱器的研究現(xiàn)狀及進展冶金能源2011，1（11）張曉鋒淺談板式換熱器科技情報開發(fā)與經(jīng)濟2009，10（12）鄒同華，杜建通板式換熱器設計選型及使用中應注意的問題設計與安裝（13）李永新，楊峰，陳文強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 日指導教師（簽名）：接受任務日期： 年 月 日學生（簽名）：系審批意見：負責人簽字： 年 月 日 摘 要摘 要本設計是以板式換熱器為設計對象，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)能型換熱設備,具有傳熱效率高 ,質量輕 ,占地面積小 ,易于維修等諸多優(yōu)點。板式換熱器的設計主要包括傳熱設計和框架結構設計。傳熱設計主要是根據(jù)介質和工況條件確定版式換熱器的型號及板片的型號和介質的流動方式，而確定板片的型號關鍵是總傳熱系數(shù)K值的計算；框架結構設計是根據(jù)介質的性質、板片的尺寸和有關資料設計固定壓緊板，活動壓緊板，上、下導桿，夾緊螺柱等零部件的尺寸和材料，并根據(jù)有關標準規(guī)定校核各零部件的強度、穩(wěn)定性。關鍵詞：板式換熱器，總傳熱系數(shù)K，壓緊板ABSTRACTThis 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, pressureplateI目錄目錄摘 要IABSTRACTII1 緒論11.1 板式換熱器簡介11.2 板式換熱器的基本結構11.3 平板式換熱器的特點21.4 板式換熱器的應用場合31.5 板式換熱器選型時應注意的問題41.5.1 板型選擇41.5.2 流程和流道的選擇41.5.3 壓降校核51.6 結構原理52 板式換熱器國內外研究（設計）概況及發(fā)展趨勢72.1 應用前景72.2 研究狀況72.3 發(fā)勢展趨83 板式換熱器的設計93.1 提高傳熱效率93.11 提高板片的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)93.12 減小污垢層熱阻93.1.3 選用導熱率高的板片93.1.4 減小板片厚度93.2 提高對數(shù)平均溫差103.3 進出口管位置的確定103.4 降低換熱器阻力的方法103.4.1 采用熱混合板103.4.2 采用非對稱型板式換熱器103.4.3 采用多流程組合113.4.4 設換熱器旁通管113.4.5 板式換熱器形式的選擇113.5 橡膠密封墊材質及安裝方式113.5.1 材質的選擇113.5.2 安裝方式的選擇113.5.3 合理選用板片材質124 傳熱工藝計算134.1 設計條件134.2 符號134.3 已知參數(shù)144.4 板片的選取144.4.1 總熱負荷的計算144.4.2 板片的選取154.5 總傳熱系數(shù)K的計算164.5.1 裕量要求164.5.2 BR0.3的主要幾何參數(shù)及相關關聯(lián)式164.5.3 K值的計算175 板式換熱器結構設計及強度校核235.1 符號235.2 已知參數(shù)245.3 結構設計及強度校核255.3.1 板片255.3.2 壓緊板設計及強度校核255.3.3 夾緊螺柱設計及強度校核285.3.4 導桿設計及強度校核295.4 墊片315.5 支柱設計及強度校核325.6 開孔補強335.6.1 補強及補強方法判別33結 論35參考文獻36DESIGN OF HEAT EXCHANGER FOR HEAT RECOVERY IN CHP SYSTEMS37I緒論1 緒論1.1 板式換熱器簡介換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，又稱熱交換器。換熱器是實現(xiàn)化工生產(chǎn)過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設備?？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，質量輕，占地面積小，易于維修等諸多優(yōu)點。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、導熱差等缺點，用鈦、鉭、鋯等稀有金屬制成的換熱器價格過于昂貴，不銹鋼則難耐許多腐蝕性介質，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，在適用的范圍內有取代管殼式換熱器的趨勢。板式換熱器是液液、液汽進行熱交換的理想設備。它具有換熱效率高、熱損失小、結構緊湊輕巧、占地面積小、安裝清洗方便、應用廣泛、使用壽命長等特點。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90%以上。板式換熱器廣泛應用于冶金、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。對于可拆卸式板式換熱器 ,墊片的密封性決定了整個換熱器的性能。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，當腐蝕嚴重，不可能修復，必須更換新件。板式換熱器一經(jīng)選定，便不可隨便作它用，否則會造成嚴重后果。我國可拆卸板式換熱器經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，已經(jīng)有了長足的進步，在有些方面已接近國際先進水平，但仍然有較大差距。1.2 板式換熱器的基本結構平板式換熱器由一組長方形的薄金屬傳熱板片構成，用框架將板片夾緊組裝于支架上。兩個相鄰板片的邊緣襯以墊片壓緊密封。墊片的材質通常采用各種橡膠或壓縮石棉等組成，根據(jù)不同的處理介質選用。板片四個角上開有圓孔，墊片疊加組裝后構成流體的通道。溫度不同的流體介質分別從板片的兩側流過，從而通過墊片進行熱交換。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，既可以增強板片的強度，同時也可以改變流體的流動狀態(tài)，增強流體的湍流程度，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；在生活設施中可用于制冷、加熱；同時，板式換熱器還廣泛用于制堿、制酸、染料、鋼鐵、機械、電力、造紙、制藥、紡織等行業(yè)。隨著技術的不斷發(fā)展，平板式換熱器可以得到更為廣泛的應用。換熱板片的尺寸，常見的寬度為200-1000mm，板高可達2000mm，兩板之間的間距一般為4-6mm，板片的數(shù)目可以根據(jù)需要的換熱能力進行增減，這也是平板式換熱器較其他換熱器的優(yōu)點。板片的形式有很多種類，最常用的有水平平直波紋板結構、人字形板片結構等。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，增強流動的擾動。平板式換熱器的主要優(yōu)點：1.在低流速下可以獲得高的傳熱系數(shù)；2.熱效率高；3.結構緊湊，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1、平板式換熱器的缺點主要是由于受結構強度和墊圈材質的限制，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。一般其操作壓力應控制在1.5MPa以下；對合成橡膠墊圈，其適用溫度應不高于130，對壓縮石棉墊圈，其適用溫度應不高于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、材質和技術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，一般寬長比為1：3較適宜。（A）密封墊片：主要起密封作用，材質是根據(jù)介質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)板片結構而定。安裝一般用各種膠粘劑接在換熱板片的溝槽內，適用壽命一般為1-2年。橡膠密封墊片的主要技術要求包括耐高溫、低溫，尤其是在高溫時應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，對腐蝕性介質可加耐蝕襯里，也有少部分用鑄鐵。一般來講，工藝介質的出口短管全部安裝在固定封頭一側，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，通常都設有軌道，也可以配置起吊掛鉤、滑輪等拆裝設施。1.4 板式換熱器的應用場合a.制冷：用作冷凝器和蒸發(fā)器。b.暖通空調：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，煉鋼工藝冷卻等。e.機械工業(yè)：各種淬火液冷卻，減速器潤滑油冷卻等。f.電力工業(yè)：高壓變壓器油冷卻，發(fā)電機軸承油冷卻等。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、地熱利用。1.5 板式換熱器選型時應注意的問題1.5.1 板型選擇板片型式或波紋式應根據(jù)換熱場合的實際需要而定。對流量大允許壓降小的情況，應選用阻力小的板型，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，對較大的換熱器更應注意這個問題（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一種介質同一流動方向的一組并聯(lián)流道，而流道指板式換熱器內，相鄰兩板片組成的介質流動通道。一般情況下，將若干個流道按并聯(lián)或串聯(lián)的型式連接起來，以形成冷、熱介質通道的不同組合。流程組合形式應根據(jù)換熱和流體阻力計算，在滿足工藝條件要求下確定。盡量使冷、熱水流道內的對流換熱系數(shù)相等或接近，從而得到最佳的傳熱效果。因為在傳熱表面兩側對流換熱系數(shù)相等或接近時傳熱系數(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算時，仍以平均流速進行計算。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計選型使，一般對壓降有一定的要求，所以應對其進行校核。如果校核壓降超過允許壓降，需重新進行設計選型計算，直到滿足工藝要求為止。1.6 結構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，板片和墊片的四個角孔形成了流體的分配管和匯集管，同時又合理地將冷熱流體分開，使其分別在每塊板片兩側的流道中流動，通過板片進行熱交換，見圖1-3。圖1-3板式換熱器流程圖板式換熱器的設計特點：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35倍。2)、結構緊湊：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，隨時可以打開清洗，同時由于板面光潔，湍流程度高，不易結垢。4）、使用壽命長：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，膠墊可隨意更換，并可方便在、拆裝檢修。5）、適應性強：板式換熱器板片為獨立元件，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置泄液液道，各種介質不會串通，即使出現(xiàn)泄露，介質總是向外排出。近年來，板式換熱器技術日益成熟，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板式換熱器國內外研究（設計）概況及發(fā)展趨勢2 板式換熱器國內外研究（設計）概況及發(fā)展趨勢2.1 應用前景余熱利用為代表的中溫及高溫領域內（100以上）的余熱回收利用技術已經(jīng)比較成熟,但很少有關于較低溫度下（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，動力，食品，輕工，原子能，制藥，機械及其它各工業(yè)領域廣泛使用的設備，它的研究倍受重視，而制造工藝進一步機械化和自動化以及采用各種新技術，在換熱器方面將占有重要的地位。由于它的可靠性高，結構簡單，緊湊，能承受較高的壓力，造價低，適用范圍廣的特點，使其雖受到其他新型的換熱器的挑戰(zhàn)，卻促進了其自身的發(fā)展。由于板片間流通的當量直徑小，板形波紋使截面變化復雜，流氣的擾動作用激化，在較低流速下即可達到湍流，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。我國可拆卸板式換熱器主要應用于城市集中供熱、石油、化工、輕工、冶金和電力等行業(yè)中溫度、壓力、介質不是非常苛刻的工況，其中每年用于城市集中供熱的可拆卸板式換熱器臺數(shù)約占產(chǎn)品總數(shù)的70%。盡管近幾年新的板型不斷問世,應用領域隨之拓展，如高NTU值板片的問世，使我國產(chǎn)品進入了傳熱溫差1的制冷空調領域；寬間隙板片的問世，使我國產(chǎn)品進入了酒精、制糖等粘性、顆粒性介質行業(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域仍然應用較少，主要原因是高技術含量產(chǎn)品的品種規(guī)格不全、質量性能水平低、可靠性不高以及工藝選型計算不準確等。2.2 研究狀況自進入21世紀以來,常規(guī)對稱形、非對稱形、高NTU型（淺密波紋型）、免粘型、寬流道型、板式蒸發(fā)器、板式冷凝器等國外已有的可拆卸板式換熱器均已實現(xiàn)國產(chǎn)化,且已成功應用于不同的領域。在設備結構的改進和創(chuàng)新方面，采用新技術，連續(xù)提供增強熱傳遞的激勵，利用擾動促進物等等。并且在設備結構的改進和創(chuàng)新方面，近年來新型材料換熱器的研究和推廣應用發(fā)展也很快。在設計方法和計算方面，計算機應用于換熱器的設計，并對設計計算的一些修正，比如運用SW6-1998 V3.5及PVCAD進行工藝計算。生產(chǎn)制造工藝方面，擴大標準系列，進一步組織專業(yè)化生產(chǎn)。它的主要研究有：物性模擬研究、分析設計的研究、大型化及能耗研究、強化技術研究、新材料研究、控制污垢及腐蝕的研究、振動與防振措施的研究。目前，國內80%的企業(yè)仍以生產(chǎn)技術含量不高的常規(guī)普通型產(chǎn)品為主，與國際先進水平相比，我國產(chǎn)品在特殊品種方面還較缺乏，如性能先進的新型板式蒸發(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。國內只有個別企業(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的限制，無法生產(chǎn)單張板片面積大于3.0 m2的墊片。而國外單張板片的最大換熱面積已達到3.8 m2，板片最小厚度為0.4 mm，單臺換熱器最大換熱面積可達3000 m2（國內為1500 m2），單臺換熱器組裝板片數(shù)可達1000張（國內為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40104m/h；板式蒸發(fā)器角孔最大公稱直徑為700 mm，介質蒸發(fā)量已達100 t/h。2.3 發(fā)勢展趨板式換熱器將繼續(xù)提高設備的傳熱效率，促進設備結構的緊湊性，加強生產(chǎn)制造的標準激烈化和專業(yè)化，并在廣泛的范圍內繼續(xù)向大型化的方向發(fā)展。由于板式換熱器具有結構堅固，彈性大和使用材料范圍廣等獨特的優(yōu)點。今后仍將在廣泛的領域內得到繼續(xù)發(fā)展。尤其在高溫，高壓和大型化的場合下，更有其廣闊的發(fā)展前途。但為了加強其傳熱效率，在高溫和高壓的條件下，采用電焊焊接式的翅片管的結構將會得到重視和發(fā)展。各種新型高效緊湊式換熱器的應用范圍內，尤其是處理強腐蝕介質而需要使用貴重金屬材料的場合下，新型高效緊湊式換熱器將進一步取代管殼式換熱器。換熱器的發(fā)展動向主要有：物性模擬研究、分析設計的研究、大型化及能耗研究、強化技術研究、新材料研究、控制污垢及腐蝕的研究、振動與防振措施的研究。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構為散裝式，其特點是兩側流道可全部打開進行清洗，缺點是兩側流體壓差不能太大，溫度不宣過高。半焊式是采用專門的焊接工藝將每兩張板片沿密封槽焊在一起，然后再將每對焊好的板片用墊片組裝起來，這樣可使密封周邊減少一半，但組焊板片內部不能用機械方法清洗，可用化學方法清洗；組件式是將若干板片預焊在一起，再用密封墊片組裝起來，該結構可用于2.5 MPa，400和潔凈介質的換熱；全焊式是將所有板片焊成一個整體，只能用于不易結垢的介質進行換熱，最大優(yōu)點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 板式換熱器的設計提高板式換熱器的效能是一個綜合經(jīng)濟效益問題，應通過技術經(jīng)濟比較后確定。提高換熱器的傳熱率和降低換熱器的阻力應同時考慮，而且應合理選用板片材質和橡膠密封墊材質及安裝方法，保證設備安全運行，延長設備使用壽命。優(yōu)化設計方法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，傳熱方式為熱傳導和對流傳熱。提高板式換熱器傳熱效率的關鍵是提高傳熱系數(shù)和對數(shù)平均溫差。提高換熱器傳熱系數(shù)只有同時提高板片冷熱兩側的表面熱系數(shù)，減小垢層熱阻，選用熱導率高的板片，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構及介質的流動狀態(tài)有關。板片的波形包括人字形、平直形、球形等。經(jīng)過多年的研究和實驗發(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，板間流道內介質流速越高，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鍵是防止板片結構。板片結構厚度為1 mm時，傳熱系數(shù)降低約10%。因此，必須注意監(jiān)測換熱器冷熱兩端的水質，防止板片結構，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，在供熱介質中添加藥劑，因此必須注意水質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，應采用專用過濾器進行處理。選用藥劑時，宜選擇無黏性的藥劑。3.1.3 選用導熱率高的板片板片材質可選擇奧氏體不銹鋼、鈦合金、鋼合金等。不銹鋼的導熱性能好，熱導率約14.4W/(mk)，強度高，沖壓性能好，不易被氧化，價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計厚度與其耐腐蝕性能無關，與換熱器的承壓能力有關。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，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，板片角及邊緣密封結構已逐步完善，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，應盡量選用較小的板片厚度。3.2 提高對數(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，逆流時對數(shù)平均溫差最大，順流時最小，混合流型介于二者之間。提高換熱器對數(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，盡可能提高熱側流體的溫度，降低冷側流體的溫度。3.3 進出口管位置的確定對于單流程布置的板式換熱器，為檢修方便，流體進出口管應盡可能布置在換熱器固定端一側。介質的溫差越大，流體的自然對流越強，形成的滯留帶的影響越明顯，因此介質進出口位置應按熱流體上進下出，冷流體下進上出布置，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介質的平均流速，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)泵的耗電量和設備造價，通過提高流速獲得稍高的傳熱系數(shù)不經(jīng)濟。當冷熱介質流量比較大時，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構相同，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。冷熱介質流量比較大時，采用熱混合板比采用對稱型單流程的換熱器可減少板片面積。熱混合板冷熱兩側的角孔直徑通常相等，冷熱介質流量比過大時，冷介質一側的壓力損失很大。另外，熱混合板設計技術難以實現(xiàn)精確匹配，往往導致節(jié)省板片面積有限。因此，冷熱介質流量比過大時不宜采用熱混合板。3.4.2 采用非對稱型板式換熱器對稱型板式換熱器有板片兩面波紋幾何結構相同的板片組成，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結構，形成冷熱流道截面積不等的板式換熱器，寬流道一側的角直徑較大。非對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。冷熱介質流量比較大時，采用非對稱型單流程比采用對稱型單流程的換熱器可減少板片面積15%-30%。3.4.3 采用多流程組合當冷熱介質流量較大時，可以采用多流程組合布置，小流量一側采用較多的流程，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端板均有接管，檢修時工作量大。3.4.4 設換熱器旁通管當冷熱介質流量比較大時，可在大流量一側換熱器出口之間設旁通管，減少進入換熱器流程，降低阻力。為便于調節(jié)，在旁通管上應安裝調節(jié)閥。該方式應采用逆流布置，使冷介質出換熱器的溫度較高，保證換熱器出口合流后的冷介質溫度能達到設計要求。設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介質平均流速以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，表中非對稱型板式換熱器流道截面積比為2。采用對稱型或非對稱型、單流程或多流程板式換熱器，均可設置換熱器旁通管，但應經(jīng)詳細的熱力計算。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流量比熱介質進、出口溫度（/）冷介質進、出口溫度（/）對稱型單流程1.0-1.4110/8070/95熱混合板1.4-1.7120/8070/95非對稱型單流程1.7-2.8130/8070/95對稱型多流程2.8-3.6150/8070/95非對稱型多流程3.6-7.0120/7050/603.5 橡膠密封墊材質及安裝方式3.5.1 材質的選擇水水換熱器中，冷熱介質對橡膠密封墊均無腐蝕性。選用橡膠密封墊材質的關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，將橡膠密封墊用膠水粘接在板片密封槽內?？凼绞菗Q熱器組裝時，利用橡膠密封墊和板片邊緣的卡扣結構，將橡膠密封墊固定在板片密封槽內。由于卡扣式安裝工作量很小，換熱器拆卸時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板片的腐蝕，因此使用較多。3.5.3 合理選用板片材質不銹鋼板片可能產(chǎn)生腐蝕失效的現(xiàn)象有點蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕、晶間腐蝕、均勻腐蝕等，應力腐蝕的發(fā)生率較高。由氯離子引起的應力腐蝕最多，板片材質可根據(jù)介質中的氯離子質量濃度按表3-2選用，表中304、316代表的不銹鋼材料牌號為0Cr18Ni9、0Cr7Ni2Mo2，TA1代表鈦合金。表3-2 常用板材材質在含氯介質中的適用范圍氯離子質量濃度（mg/L）介質溫度（）6080120130103043043043162530430431631650304316316TA180316316316TA1150316316TA1TA1300316TA1TA1TA1300TA1TA1TA1TA1傳熱工藝計算4 傳熱工藝計算4.1 設計條件（1）處理能力：52t/h熱污水（2）設備型式：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：自來水，入口溫度25，出口溫度70 3容許壓強降：不大于1MPa 4每年按330天計，每天24小時連續(xù)運行4.2 符號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程內流道數(shù)；P壓降，；Q總熱負荷，kW；q體積流量，m3/h；污垢層熱阻，(m2K)/W；T1原水進口溫度，；T2原水出口溫度，；原水平均溫度，；t溫度，；t1冰水進口溫度，；t2冰水出口溫度，；冰水平均溫度，；tm平均溫差，；傳熱系數(shù)，W/(m2K)；板片厚度，m；板片導熱系數(shù)，W/(mK)；動力粘度，Pas；運動粘度，m2/s；密度，kg/m3；角孔流速，m/s；板間流速，m/s；Eu歐拉數(shù)；Nu努塞爾數(shù)；Pr普朗特數(shù)；Re雷諾數(shù)。4.3 已知參數(shù)單通道橫截面積：As=0.0018m2；當量直徑：de =10.7mm；原水體積流量：qk=52m3/h；原水側污垢層熱阻2：=0.000043(m2K)/W； 冰水側污垢層熱阻2：=0.000034(m2K)/W；原水進口溫度：T1=90；原水出口溫度：T2=35；冰水進口溫度：t1=25；冰水出口溫度：t2=70；板片厚度：=1.2mm；板片導熱系數(shù)2：=16.3W/(mK)；角孔流速：=5m/s。4.4 板片的選取4.4.1 總熱負荷的計算2以熱污水側為熱側，冷清水側為冷側。由板式換熱器工程設計手冊查得所需物性參數(shù)如表4-11所示。表4-1 部分溫度下水的物性參數(shù)溫度t()密度(kg/m3)比熱容cp(kJ/(kgK)導熱系數(shù)(W/(mK)動力粘度106(Pas)運動粘度106(m2/s)40506070992.2988.1983.2977.84.1744.1744.1784.1780.6340.6480.6590.668689.476582.685474.951354.8230.6560.5740.4690.382熱污水平均溫度冷清水平均溫度用差值法計算得熱污水、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=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(kg/m3)比熱容cp(kJ/(kgK)導熱系數(shù)(W/(mK)動力粘度106(Pas)運動粘度106(m2/s)62.547.5981.8989.14.1784.1740.6620.644419.1616.80.4090.618綜合最大處理量=52t/h、設計壓力pc=1MPa及角孔最大通徑=60.63等因素，且依據(jù)“同孔徑型號盡量選單板面積小”的原則，選擇板片型號3為BR0.3的板片。4.5 總傳熱系數(shù)K的計算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） 對于本設計，裕量要求為25%35%。4.5.2 BR0.3的主要幾何參數(shù)及相關關聯(lián)式對流傳熱關聯(lián)式1： (160<<800) (160<<800)壓降關聯(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測參數(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mmmmmmmmmmm2m2mm1.2618610.70.30.001811503601.24.5.3 K值的計算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)驗或從有關參考書籍、有關性能測定的試驗報告中，選用與工藝條件相仿、設備類型類似的換熱器的總傳熱系數(shù)值作為初設值。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)2900465087093040058017535028581)假設K=3000W/(m2K),需換熱面積為： A= =75.28m2 Ne=75.28/0.3251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靠近壓緊板。本設計流程為單程設計，總流道數(shù)=N1,故總共有252個流道，其中熱流道有126個，冷流道有126個。熱側流速：m/s 式（2-7）冷側流速：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。計算兩側的對流傳熱系數(shù)。熱側： 式（2-11） W/(m2K) (m2K)/W冷側： 式（2-12）W/(m2K) (m2K)/W板片導熱熱阻： (m2K)/W總傳熱系數(shù)： 式（2-13）=3088W/(m2K)裕量： 100%=2.93%25%，假設K=3000W/(m2K)不合適。需重新假設K值。 2)假設K=3500W/(m2K),需換熱面積為： A= =64.53m2 Ne=64.53/0.3215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)=N1,故總共有216個流道，其中熱流道有108個，冷流道有108個。熱側流速： m/s在此提前核算壓降是否超過允許值。壓降： MPa0.08MPa 熱側壓降大于允許值。需重新設K值。3)假設K=3200W/(m2K),需換熱面積為： A= =70.58m2 Ne=70.58/0.3235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)=N1,故總共有236個流道，其中熱流道有118個，冷流道118個。熱側流速：m/s為避免返工，在此提前核算壓降是否超過允許值。壓降： MPa0.08MPa熱側壓降大于允許值。需重新設K值。4)假設K=3100W/(m2K),需換熱面積為： A= =72.58m2 Ne=72.58/0.3243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)=N1,故總共有244個流道，其中熱流道有122個，冷流道有122個。熱側流速：m/s冷側流速：m/s為避免返工，在此提前核算壓降是否超過允許值。壓降： MPa0.08 MPaMPa0.08MPa均小于壓降允許值。計算兩側的對流傳熱系數(shù)。熱側：W/(m2K) (m2K)/W冷側：W/(m2K) (m2K)/W板片導熱熱阻： (m2K)/W總傳熱系數(shù)： =4023W/(m2K)裕量： 100%=29.8%35%，故假設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計計算書工藝條件冷側熱側介質名稱冷清水熱污水流量m3/h51.6752熱負荷Kw3259溫度 進出25709035流體類型液液液液密度Kg/m3989.1981.8比熱KJ/kg.4.1744.178導熱系數(shù)W/m.0. 6440.62動力粘度x10-6 Pa.S616.8419.1對數(shù)平均溫差14.43計算換熱面積m272.85計算傳熱系數(shù)W/m2.K4023板片材料密封膠墊材料橡膠板片數(shù)243壓力降MPa0.080.08流程組合Counter flow1x1221x122框架設計壓力MPa1試驗壓力MPa設計溫度板式換熱器結構設計及強度校核5 板式換熱器結構設計及強度校核5.1 符號5Aa預緊狀態(tài)下，需要的最小夾緊螺柱總截面積，以螺紋小徑計算或以無螺紋部分的最小直徑計算，取較小值,mm2；Ab實際使用的夾緊螺柱總截面積，以螺紋小徑計算或以無螺紋部分的最小直徑計算，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，以螺紋小徑計算或以無螺紋部分的最小直徑計算，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固定壓緊板內側至中間隔板自重作用點的距離，mm；b2固定壓緊板內側至活動壓緊板自重作用點的距離，mm；C1中間隔板自重作用點至支柱內側間的距離，mm；C2活動壓緊板自重作用點至支柱內側間的距離，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設計溫度下，上導桿材料的彈性模量，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活動壓緊板自重，N；f上導桿受載所引起跨度中點的撓度，mm；f1上導桿自重所引起的跨度中點的撓度，mm；f2板片及所充介質(水或其它流體取密度大者)重力所引起的上導桿跨度中點的撓度，mm；f3中間隔板自重所引起的上導桿跨度中點的撓度，mm；f4活動壓緊板自重所引起的上導桿跨度中點的撓度，mm；H上下導桿內側間的距離，mm；J上導桿慣性矩，mm4；L夾緊尺寸，固定壓緊板內側至活動壓緊板內側間的距離，mm,按下式計算：L=(S0+b)NP+n1S2 L1導桿長度(固定壓緊板內側至支柱內側間的距離)，mm；L2夾緊螺柱長度，mm；l墊片中心線的展開長度，mm；l1墊片長度，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設計壓力，；q1上導桿自重均布載荷，N/mm；q2板片及所充介質(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預緊狀態(tài)下，需要的最小夾緊螺柱載荷(即預緊狀態(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；b常溫下夾緊螺柱材料的許用應力，；bt設計溫度下夾緊螺柱材料的許用應力，；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設計壓力：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=1.45.3 結構設計及強度校核5.3.1 板片1）板片6厚度不應小于1.2。2）板片兩端應有對稱的懸掛定位結構。由傳熱計算：選取的BR0.3型板片，其厚度為1.2。板片設有懸掛定位結構，故符合要求。5.3.2 壓緊板設計及強度校核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)在設計壓力下的壓緊板厚度()設計壓力()0.61.01.62.02.50.10.30.50.70.81.02.025354550556080254050556065803050556065708030505560355560設計壓力1MPa，單板公稱換熱面積0.3m2，并且考慮到強度和經(jīng)濟性，由上表： 選取壓緊板的厚度為40mm。2）壓緊板厚度校核7：預緊狀態(tài)下需要的最小夾緊螺柱載荷Wa按式（3-1）計算： 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