热交换器原理与设计第3章-高效间壁式热交换器

何谓紧凑型热交换器？(compactheatexchanger)应用在一些关键或特殊部位、场合。衡量紧凑程度的指标是：m2/m3达到700m2/m3称为紧凑式换热器。3高效间壁式热交换器换热器是由两块条形金属板卷成同心螺旋组合件，通道的交错边缘焊接密封或两边各配一个端盖密封。主要有可拆式和不可拆式两大类。3.1螺旋板式热交换器3.1.1基本构造和工作原理(a)结构简图(b)实物图图3.1螺旋板式热交换器(可拆式)定距柱螺旋板回转支座头盖垫片切向接管图3.2螺旋板式热交换器的三种型式Ⅰ型Ⅱ型Ⅲ型图3.3流道的密封根据我国现行行业标准JB/T4751—2003，螺旋板式换热器的型号表示法为：可拆换热器区别代码：D—堵死型G—贯通型不可拆不标注通道间距，mm公称直径，mm板宽，m公称换热面积，m2公称压力，MPa材质代号，C－碳钢，S－不锈钢L－螺旋板换热器型式代号：K－可拆，B－不可拆特点1.传热效率高，比管式高0.5~1倍。紧凑性达到：100m2/m32.逆流传热，两端温差小。3.不易结垢，“自洁”作用，容易清洗。5成本低。缺点：密封比较困难。3.1.2设计计算1)换热系数α的计算(1)湍流时(Re6000)α=0.023λ/deRe0.8Prm(1+3.54de/Dm)，W/(m2·℃)(3.1)(2)层流时(Re2000)W/(m2·℃)(3.3)(3)过渡流至湍流(Re1000)Nu=Pr0.25(μ/μw)0.17[0.0315Re0.8-6.65*10-7(lt/b)1.3](λ/de)(3.4)当Re30000时，式中(lt/b)的影响可忽略。(4)蒸汽冷凝时W/(m2·℃)(3.5)0.2tpeλlMcdλ8.4α-1/32l3l2l-1/3lgρλμμ4Γ1.88α图3.4凝结换热系数计算曲线(5)蒸汽冷凝冷却时(3.6)(6)沸腾传热时核态沸腾时，沸腾换热系数用下式计算1/9l1/31/32/3ll5/3lpl2l23lμ4ΓgHrλμcμgrλ0.67α2.223.220.33vl0.31l0.69plsΔt1ρρσpλrc0.225cα2)传热系数K的计算(3.7)221ii1α1λδRα11K(3.8)l51.50.00318)(b0.55gbHMρΙΙlΙΙΙ10Ι2ΙΙ3Δp293)流体压降的计算螺旋板换热器的总阻力可分为三部分：弯曲通道的阻力，定距柱的影响及进出口的局部阻力。(3.9)对于蒸汽，轴向流动冷凝时，可用下式计算其压降：(3.10)蒸汽螺旋向流动冷凝时，压降的计算式为(3.11)2ρw39.23n0.15lRe3.58dlΔp2s0.25e1dHμGd0.0462ρ2GΔpee0.2e2图3.5不等通道螺旋体4)换热面积及螺旋通道几何尺寸的计算(1)螺旋体的绘制(2)螺旋板长度计算(3)螺旋体的有效圈数ne(4)螺旋体的最大外径D螺旋板式热交换器设计计算[例3.1]3.2板式热交换器3.2.1构造和工作原理传热板片是关键部件：★使流体低速下发生强烈湍流，强化传热；★提高板片刚度，能耐较高压力。图3.8我国板式热交换器国家标准的板片波纹形式流体的单边流和对角流图3.11密封垫片材料名称适用场合304,316,316L氯离子含量不高的一般流体哈氏合金HastelloyC-276,C-22氧化性酸，如硫酸，混酸工业纯钛TA1海水等氯离子含量高的液体钛钯合金TA9还原酸，如次氯酸耐酸钢RS-2强酸，如浓硫酸、硝酸等254SMO海水等氯离子含量高的液体传热板片材料及适用介质其他类型板式热交换器的结构图3.12板式蒸发器图3.13板式冷凝器板片图3.14流体在板间通道中三维流动图3.15板式热交换器中的三种流体换热板式热交换器的型号表示法单板公称换热面积是指经圆整后的单板计算换热面积按国标GB16409—1996，板式热交换器的型号按如下格式表示：框架结构形式代号垫片材料代号换热器换热面积，m2设计压力，MPa单板公称换热面积，m2板片波纹形式代号板片换热器代号（B,BL,或BZ）材料名称适用温度适用介质丁腈橡胶-20~120℃水、油类、烃、醛等三元乙丙-50~150℃水、一般有机酸、碱等氟橡胶-20~250℃有机溶液、酸、碱、醇食品、医药橡胶-20~120℃食品、医药氯丁橡胶-40~100℃碱及部分酸硅橡胶-65~230℃部分油类、酒精密封材料及适用介质目前世界上板式热交换器所达到的主要技术指标如下(可拆式)：最大板片面积：4.67～0.475m2，最大角孔尺寸：450mm以上，最大处理量：5000m3/h，最高工作压力：2.8MPa，最高工作温度：橡胶垫片—150℃，压缩石棉垫片—260℃，压缩石棉橡胶垫片—360℃，最佳传热系数：7000W/(m2·℃)(水水，无垢阻)，紧凑性：250～1000m2/m3，金属消耗量：16kg/m2。型号\技术参数BR005BR01BR02BR035BR05BR07BR09BR13单板有效热面积m20.0530.10.230.350.520.660.851.3外形尺寸mm500x170660x2501000x3301215x4001440x5001660x5001770x6202140x820板片厚度mm0.5～0.70.6～1板片材料SUS304、316、316L、RS-2、HastelloyC-276、TAI、H68、Hsn62-1角孔直径mm405065100150150170250平均板间距mm33.23.53.53.83.83.83.8平均流道截面积m20.000420.0006560.000980.0012250.00170.00170.002150.00284当量直径m0.0060.00640.0070.0070.00760.00760.00760.0076板式换热器板片主要技术参数型号/技术参数BR005BR01BR02BR035BR05BR07BR09BR13最高使用压力MPa2.5使用温度范围oC-19～250装机有效面积台m20.5～51～103～3015～6030～14050～20060～25090～650最大处理量液体（气体)m3/h30(300)70(700)100(1000)200(2000)300(3000)300(3000)600(6000)1200(12000)传热系数(水-水)W/m2.k≤6500≤6100≤5800最大热交换量(水-水)MW0.6161630355090接管公称直径mm405065100150150175250设备最大质量kg7028059014502520270049809800板式换热器整机主要技术参数1、高效换热板片的波纹结构，使流体在板间流动时不断改变流向和速度，形成剧烈湍流，在低流速下可获得高的传热系数。相同工况传热系数比管壳式高6~7倍。2、结构紧凑板片表面的波纹增加了有效换热面积，紧凑性达到：300m2/m3，约为管壳式的2~5倍；体积为管壳式的1/5~1/10；重量是管壳式的1/5左右。3、清洗、检修方便板面光洁，湍流冲击力强，结垢倾向小，一旦结垢，用化学或手工清洗也很方便。4、操作灵活可增/减板片数或改变流程组合适应新的换热要求。5、通用性与防腐从通常的水到有一定粘度的液体以及含小颗粒的悬浮液都可处理；钛材可用于防腐。板式热交换器特点4×14×11×41×41×42×2流程×通道(甲)流程×通道(乙)（a）串联（b）并联（c）混联3.2.2流程组合及传热、压降计算图3.17板式热交换器的1×4流程组合示意图2×21×7.1×3+1×4传热计算板式热交换器的传热面积是扣除不参与部分(板片的角孔及密封垫片等)后板片的展开面积，即有效传热面积。平均温差Δtm按纯逆流情况下对数平均温差Δtlm,c，再乘以修正系数Ψ：Δtm=ΨΔtlm,c传热系数K的计算：2211α1rrλδα1K1液体名称污垢热阻矿化水或蒸馏水0.0000017软水0.0000034硬水0.0000086处理过的冷却水0.0000069沿海海水或港湾水0.000086大洋的海水0.000052河水、运河水、井水等0.000086机器夹套水0.0000103润滑油0.0000034~0.0000086植物油0.000017~0.000052有机溶剂0.0000017~0.00000103水蒸气0.0000017一般工艺流体0.0000017~0.00000103表3.2板式热交换器中的污垢热阻值m2·℃/W图3.18板式热交换器的温差修正系数(LMTD法)图3.19温差修正系数(NTU法)对流换热系数一、无相变情况下，一般板片两侧为传热相似(3.19)流体被加热时：m=0.4流体被冷却时：m=0.3C、n随板片、流体和流动类型不同而不同：C=0.15~0.4;n=0.65~0.85;m=0.3~0.45;Z=0.05~0.2(黏度修正项的指数)。0.14wfmfnffμμPrCReNu二、有相变时，相变换热系数计算很复杂☆凝结换热：重力控制区(凝液膜雷诺数Relf临界雷诺数，约150~500)：(3.23)剪切力控制区(Relf临界雷诺数)：(3.24)☆沸腾换热(3.25)式中αl可按式(3.19)计算。1/3fnlfcPrCReNupgl0.33lnlc)/ρ(ρPr/H)C(ReNulbbαFα压力损失计算国产板式热交换器用于无相变换热时的压力降计算通常以欧拉数Eu与雷诺数Re之间准则关系式给出：Eu=bRed(3.27)式中系数b和指数d随板式换热器具体结构而定。由Eu=Δp/ρw2，可求多程时压降为：Δp=mEuρw2=mbRedρw2(3.28)m为流程数；w为工质在流道中的流速，m/s。通道形状de备注传热计算阻力计算套管热交换器d2–d1d1—内管外径d2—外管内径板式热交换器2b2Lb/(L+b)L—板有效宽B—板间距螺旋板式热交换器2b2Hb/(H+b)H—板有效宽b—通道间距当量直径de附录B12122dddNe=F/FpNt=Ne+2←计算值Nt=m1n1+m2n2+1←实际值3.2.3板式热交换器的热力计算程序设计板式热交换器设计计算[例3.2]3.3板壳式热交换器结构：板壳式热交换器由板管束和壳体两部分组成。将全焊式板管束组装在压力容器(壳体)内，是介于管壳式和板式热交换器之间的一种换热器。性能：既具有板式热交换器传热效率高、结构紧凑及重量轻的优点，又具有管壳式热交换器耐高温高压、密封性能好及安全可靠等优点，较好地解决了耐温、抗压与结构紧凑、高效传热之间的矛盾。特点：传热系数达到管壳式的2～3倍；流阻较小，一般压降不超过0.5bar；同样换热条件下结构紧凑，体积仅为管壳式的30%左右。图3.23板壳式热交换器结构简图b)板管结构c)板管束端面a)整体结构项目板壳式换热器立管式换热器传热面积m2350518热流进口温度℃478478热流出口温度℃120130冷流进口温度℃9292冷流出口温度℃430410总阻力降MPa0.05080.047热端温差℃4868冷端温差℃2838总传热系数W/m2·K666.8200容器直径mm10001000设计高度mm1015417500设备质量t13.528有效热负荷kW51594660表3.3换热器参数对比图3.25大型焊接板壳式热交换器图3.26板片及其流道a)板片组b)反应产物流道板c)混合进料流道板3.3.2几种典型的板壳式热交换器1）Packinox公司板壳式换热器图3.28LBQ大型板壳式热交换器结构2）国产LBQ大型板壳式热交换器图3.29径向流动板壳式热交换器结构简图3）径