板式换热器热力计算及分析整合.docx

1、板式换热器热力计算及分析整合第一章 概 论1.1 综 述1.1.1 板式换热器发展简史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。德国在 1878 年发明了板式换热器，并获得专利，到 1886 年，由法国 M.Malvazin 首次设计出沟道板板式换热器，并在葡萄酒生产中用于灭菌。 APV 公司的 R.Seligman 在 1923 年成功地设计了可以成批生产的板式换热器， 开始时 是运用很多铸造青铜板片组合在一起，很像板框式压滤机。 1930 年以后，才有 不锈钢或铜薄板压制的波纹板片板式换热器， 板片四周用垫片密封， 从此板式换 热器

2、的板片， 由沟道板的形式跨入了现代用薄板压制的波纹板形式， 为板式换热 器的发展奠定了基础。与此同时，流体力学与传热学的发展对板式换热器的发展做出了重要的贡献， 也是板式换热器设计开发最重要的技术理论依据。如： 19 世纪末到 20 世纪初， 雷诺（Reynolds）用实验证实了层流和紊流的客观存在， 提出了雷诺数一一为流动阻力和损失奠定了基础。 此外， 在流体、传热方面有杰出贡献的学者还有瑞利（Reyleigh ）、普朗特（Prandtl ）、库塔（Kutta ）、儒可夫斯基（冰 yKOBCKu） 钱学森、周培源、吴仲华等。通过广泛的应用与实践，人们加深了对板式换热器优越性的认识，随着应用

3、领域的扩大和制造技术的进步， 使板式换热器的发展加快， 目前已成为很重要的 换热设备。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

4、的可能途径。1.1.2 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

5、 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

6、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

7、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

8、度上，花费了较多的时间。1.1.3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。(一):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Goodmaife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

9、换热器称为 Paraflow，其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板式换热器最高工作压力(MPa)单板换热面积(m2)半片外型尺寸长X宽(mm X mm)单台最多长管尺寸(mr)型号板 片数SR11.030.0258570X21015038HMB0.690.341114X31818751SR351.550.341152X39241475R401.370.381150X4454

10、09102,127,152R552.060.521156X416362102R560.930.521156X416350102R1060.691.0781984X712427300R2350.832.22739X1107729400板式换热器型 号最高工作压力(MPa)单板换热2面积(m)半片外型尺寸长X宽(mm X mm)单台最多板 片数长管尺寸(mr)（表1-1续）(2) : ALFA-LAVAL公司。ALFA-LAVAI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

11、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250E ;最大单台流量3600mVh ;总传 热系数35007500W/(m)K);每台换热面积0.12200韦；最大接管尺寸450mm(3) ：GEA AHLBOR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。

12、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 AHLBOR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型号板片最咼工作压 力（MPa）最咼工作温 度（C）最大流量3（m /h）波纹型式外形尺寸 长x宽（mm）单板换热面积（吊）Free-Flow157一列弧形670X2500.0915一一5159二列弧形1065X3300.292一一15161三列弧形一0.54一一30Varitherm4P纵人字形510X1280.001122.52601510纵人字形781X21

13、30.1151.62503520纵/横人字形992X3360.261.625010040纵/横人字形1392X4240.461.6250220402纵/横人字形654X4240.1481.6250220405纵/横人字形1091X4240.801.625022080纵/横人字形1754X6100.811.6250500805纵/横人字形1194X6100.401.6250500130纵/横人字形2195X8101.281.625015001306纵/横人字形1635X8100.811.625015001309纵/横人字形2008X8101.411.62501500注：纵/横人字形，指有纵向人字

14、形和横向人字形两种波纹板片。（四） ：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。（五） ：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

15、器技术特性见 表 1-3 :表1-3 HISAKA公司板式换热器技术特性型号单位换热面 积(m2)处理量3 (m /h)最咼工作压 力(MPa)最咼工作温 度(C)最大单台换热面积(m2)备注水平平直波纹板片EX-10.157230.420015EX-150.3141401.220060EX-160.552401.2200150EX-110.714601.2200150EX-120.88831.0200260人字形波纹板片UX-010.087361.52.02005UX-200.3751401.52.0200100H.LUX-400.765401.51.8200250H.LUX-601.169

16、0011.3200500H.LUX-801.70152011.3200800H.L注：H.L-为有两种不同人字角的板片。(六)：OMEXEL欧梅塞尔)公司。OMEXEL公司提供的板式换热器包含拼装 式、钎焊式、“宽间隙”自由流、双壁式、半焊式、多段式等系列，作为一家成 功的板式换热器公司，所提供的交换热方案也是综合性的。公司所生产的产品符合压力容器规范和质量保证体系 ：美国ASME日本JIS标准美国3A卫生标准中国 GB16409-1996IS09001/14001/18000OMEXEL公司产品提供的材料、材质特性(表 1-4、表 1-5、表 1-6、表 1-7)：表1-4板片材质不锈钢 A

17、ISI304/316/316L净水、河川水、食用油、矿物质SM0254稀硫酸、无机水溶液钛及钛钯海水、盐水、盐化镍咼温、咼浓度苛性钠哈氏合金浓硫酸、盐酸、磷酸钼稀硫酸、无机水溶液石墨盐酸、中浓度硫酸、磷酸、氟酸表1-5垫片材质丁腈橡胶水、海水、矿物质、盐水110-140 C三元乙丙胶热水、蒸汽、酸、碱150-170 C氟橡胶高温水、酸、碱、有机溶剂180 C氯丁橡胶酸、碱、矿物质、润滑油130 C硅橡胶食品、油、脂肪、酒精180-220 C石棉260 C表1-6框架材质标准碳钢特殊包不锈钢/全不锈钢表1-7接口材质标准SS不锈钢村套特殊定情橡胶三元乙丙胶哈氏合金钛及其他合金藉由各国公司的发展情

18、况不难发现， 板式换热器的整个发展，其最终目的都 是围绕着如何提高热交换效率。早期的发展由于技术限制，主要发展的就是结构、 板型，通过优化、热力计算及分析，这些优化的方法都是可行的。进入现代以后， 板式换热器的发展着重于材料的选择以及结构上的细节优化。1.2板式换热器基本构造1.2.1整体结构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，如图1-1所示：图1-1板式换热器结构示意图Rullci AKHiitilyPfate Pack前支杆上导杆 CdiTyiM t$arM

19、ovable naves- 活功压寒板HxbcI coer固定压蹶扳GUdE Bn 导杆Frame toot板或按蛊器證力计第及強祈()板片为传热元件，垫片为密封元件，垫片粘贴在板片的垫片槽内。粘贴好垫 片的板片，按一定的顺序(如图1-1所示，冷暖板片交叉放置)置于固定压紧板 和活动压紧板之间，用压紧螺柱将固定压紧板、板片、活动压紧板夹紧。压紧板、 导杆、压紧装置、前支柱统称为板式换热器的框架。按一定规律排列的所有板片， 称为板束。在压紧后，相邻板片的触点互相接触，使板片间保持一定的间隙，形 成流体的通道。换热介质从固定压紧板、活动压紧板上的接管中出入，并相间地 进入板片之间的流体通道，进行热

20、交换。图1-1所示板式换热器为可拆式板式换热器，其原理就是在上导杆处安装了 活动滑轮、顶压装置，在增减板片的时候，可以通过该滑轮调节换热器内可安装 板片数量，顶压装置加固整体结构牢固性；而对于一些小型的板式换热器，则没 有该装置，而是直接地将固定压紧板和活动压紧板通过导杆固定连接起来， 这种结构没有清洗空间，清洗、检查时，板片不能挂在导杆上，虽然这样的结构轻便 简易，但对大型的、需经常清洗的板式换热器不太适用。对于要进行两种以上介质换热的板式换热器，则需要设置中间隔板。在乳品加工的巴氏灭菌器中，为了增加在灭菌温度下乳品的停留时间，通常需要在灭菌器的特定位置上安装延迟板。为了节约占地面积，APV

21、公司和ALFA-LAVA公司开发应用了一种双框架结构， 该结构有两种形式，第一种是公用一个检修空间，左右各设一个固定压紧板，中 间设两个活动压紧板；第二种是共用中间的固定压紧板， 左、右各设一个活动压 紧板。双框架的结构，可视为两台板式换热器装在一起。1.2.2流程组合方式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 1-2a、b、c是典型的排列方式）流程组合的表示方式为：式中：M,M2，-MNi，Nmi，m，mni，n2，-ni从固定压紧板开始，甲流体侧流道数相等的流程数;M, M,M中的流道数；

22、从固定压紧板开始，乙流体侧流道数相等的流程数; :mi，m2，m中的流道数。图1-2典型的流程组合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。（一） 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。（二） 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

23、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1.2.4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68倍，超过了任何 其它类型的换热器。1.2.5焊接式板式换热器（一）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

24、其中一侧的工 作压力。（二）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。1.2.6 再生式冷却系统 再生式冷却系统，就板式换热器本身而言，和普通的板式换热器没有差别， 只是在管线上增加了换向阀，并进行自动控制，变换两流体的流向，使之反洗， 以清除积存在板片上的杂质。1.3 板式换热器的优缺点及应用1.3.1 优缺点 人们通过科学研究和生产实践，对板式换热器的特点有了深刻的了解，并总 结出一系列优缺点，通常

25、是和管壳式换热器加以比较，共归纳为以下几点：（一）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 35 倍。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

26、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 25 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 1/51/10 。4：重量轻板式换热器的板片厚度仅为 0.60.8mm,管壳式换热器的换热管厚度为 2.02.5mm；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

27、,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，对于水一水换热可以低于 1C,而管壳式换热器大约为5C,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

28、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。（二）缺点1：工作压力在 2.5MPa 以下 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1吊以上时，其工作压力往往低于 2.5MPa2:工作温度在250C以下 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；

29、用压缩石棉绒垫片 （Caf）时，最高工作温度为250260C。3:不宜于进行易堵塞通道的介质的换热板式换热器的板间通道很窄，一般为 35mm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，或采用再生冷却系统。1.3.2 应用板式换热器早期只应用于牛奶高温灭菌、 果汁加工、啤酒酿造等轻工业部门。 随着制造技术的提高， 出现了耐腐蚀的板片材料和耐温、 耐腐蚀的垫片材料， 板 片也逐渐大型化。 现代的板式换热器广泛地应用于各种工业中， 进行液液、 气 液、汽液，换热和蒸发、冷凝等工艺过程。诸如:化学工业、食品工业、冶 金工业、石油工业、电站、核电站、海洋石油平台、机械工业、污水处理、民用 建筑工业等。1.4 产品质量及产生的问题板式换热器的零部件品种少，标准化、通用化程度高，所以制造工艺很容易 实现规范化。国外大型的板式换热器制造厂都有自己的质量标准，但均不公开对外。目前 尚无板式换热器制造的国际标准或通用的先进标准。 这就给产品的质量控制带来 了问题。我国根据自己的生产、使用实践，并分析了国外产品的质量，制定了专业标