板式换热器工程设计技术.pdf1

板式换热器工程设计技术华东理工大学化工机械研究所PlateHeatExchanger王学生教授21.板式换热器设计方法2.板式换热器压降分析3.确定换热器有效度的求解方法4.板式换热器及其组件的选择5.HTRI计算主要内容31.板式换热器设计方法板式换热器工程设计技术4板式热交换器是近几十年来得到发展和广泛应用的一种新型高效、紧凑的热交换器。它由一系列互相平行、具有波纹表面的薄金属板相叠而成，比螺旋板式热交换器更为紧凑，传热性能更好。应用面很广，适宜用于医药、食品、制酒、饮料合成纤维、造船、化工等工业，并且随着板型、结构上的改进，正在进一步扩大它的应用领域。国外著名的生产厂家有瑞典AFLA-LAVAI公司、英国APV公司、日本日阪制作所等。我国在板式热交换器的设计与制造上也已达到较高的水平。1.板式换热器设计方法5板式热交换器按构造分为可拆卸（密封垫式）、焊接式和板壳式三类，以密封垫式的应用为昀广。它们的工作原理基本相同。可拆卸板式热交换器由三个主要部件：传热板片、密封垫片、压紧装置及其他一些部件等组成。1.板式换热器设计方法1.1构造和工作原理61.板式换热器设计方法1.1构造和工作原理在固定压紧板上，交替地安放一张板片和一个垫圈，然后安放活动压紧板，旋紧压紧螺栓即构成一台板式热交换器。各传热板片按一定的顺序相叠即形成板片间的流道，冷、热流体在板片两侧各自的流道内流动，通过传热板片进行热交换71.板式换热器设计方法传热板片为满足不同传热场合的需要，人们已研发出多种多样的波纹板片，以人字形波纹板和水平平直波纹板为昀广。传热板片是板式热交换器的关键件。它的设计主要考虑两方面因素:(1)使流体在低速下发生强烈湍流，以强化传热；(2)提高板片刚度，能耐较高的压力。81.板式换热器设计方法传热板片91.板式换热器设计方法密封垫片安装于密封槽中，防止流体的外漏和两流体之间内漏，运行中承受压力和温度，而且受着工作流体的侵蚀，在多次拆装后还应具有良好的弹性。双道密封能更好地防止内漏，为了能及时发现内漏，在密封垫圈上开有凹槽（信号孔），出现泄漏，流体将首先由此泄出。101.板式换热器设计方法压紧装置它包括固定与活动的压紧板、压紧螺栓。它用于将垫片压紧，产生足够密封力，使得热交换器在工作时不发生泄漏，通过旋紧螺栓来产生压紧力。板式热交换器有多种框架形式：双支撑框架式、悬臂式、带中间隔板双支撑框架式等。111.板式换热器设计方法1.2流程组合为了满足传热和压力降的要求，对于板式热交换器可进行多种方式的流程和通道数的配置。流程：某一种介质在换热器中流动方向的数量，流动方向每改变一次就增加一个流程。通道：每个流程中某一介质按同方向流动的通道数量。121.板式换热器设计方法1.2流程组合流体的流动可以是串联、并联（这时形成纯逆流）和混联（一种流体为并联，而另一种流体为串联）。流程可以是单流程或多流程，两流体的流程数可以相等或不相等。两流体的流程中通道数一定要相等。131.板式换热器设计方法1.2流程组合141.板式换热器设计方法1.2流程组合板式换热器内流程与通道的配置方式常以下列数学形式表示：式中：M1，M2，…Mi：从固定压紧板开始，甲流体侧流道数相同的流程数；N1，N2，…Ni：对应于M1，M2，…Mi中的流道数；m1，m2，…mi：从固定压紧板开始，乙流体侧流道数相同的流程数；n1，n2，…ni：对应于m1，m2，…mi中的流道数。151.板式换热器设计方法1.2流程组合下图表示了流程组合的实例，其中横线上方（1×4）表示甲流体为单流程、四通道，横线下方（2×2）表示乙流体为两流程、两通道。161.板式换热器设计方法1.3传热计算传热计算的基本方程式，需要注意，由于板片的角孔及密封垫片等处并不参与传热，板片又是波纹形的，其传热面积应该是扣除不参与部分后板片的展开面积，即有效传热面积。平均温差Δtm的计算是按纯逆流情况下对数平均温差值Δt1m再乘以修正系数ψ，即，1hicottt2hocittt温度相同时，逆流布置获得的对数平均温差昀大1212ln(/)mlttttt171.板式换热器设计方法1.3传热计算修正系数ψ可由图查取：温差修正系数(LMTD法时)温差修正系数(NTU法时)181.板式换热器设计方法1.3传热计算传热系数K的计算，在已知两侧对流换热系数及垢阻条件下，仍用以往常用的公式，即式中，δ与λ分别为板片厚及其导热系数；r1、r2为板片两侧的污垢热阻；α1、α2为板片两侧传热系数。191.板式换热器设计方法1.3传热计算介质在板式换热器中一般呈湍流状态流动，通常用以下准则方程式来计算对流给热系数α1、α2式中C、m、n值随板片、流体和流动的类型不同而不同。C、n通常有一定的范围，C在0.15~0.4；n在0.65~0.85；m在0.3~0.45（一般流体被加热时，m=0.4；被冷却时，m=0.3）201.板式换热器设计方法1.3传热计算雷诺数Re可按下计算:Rede式中：de——板片的当量直径，m；ν——介质的运动粘度，m2/s；ω——介质的流速，m/s。4422ALbdebUL当量直径de为:式中：L——板有效宽，m；b——板间距，m；相比板片宽度而言，板间距可忽略不计211.板式换热器设计方法1.3传热计算普朗特数Pr可按下计算:式中：Cp——介质的比热，J/(kg·K)；μ——介质的动力粘度，Pa·s；λ——介质的热导率，W/(m·K)。努塞尔数Nu为:式中：α——对流传热系数，W/(m2·K)。PrpCedNu221.板式换热器设计方法1.3传热计算有相变时，板式热交换器内流体的相变换热系数计算很复杂，目前还没有公认的计算方式。冷凝过程较为复杂，影响冷凝的因素较多，天津大学王中铮提出了一种计算方法:式中：Rel——冷凝液雷诺数，与气相和液相的流量有关；H——受凝液膜厚度影响的无因次参数；ρl/ρv——两相中液体和气体的密度比。0.33Re()Pr()npllvNuCH231.板式换热器设计方法1.3传热计算沸腾换热的准则方程，可参考ChenJC的给热系数计算式:式中：S——核沸腾影响系数，在泡状流区S=1，在块状流区S=0~1，在环状流区S=0；α′——池沸腾给热系数；α″——两相强制对流给热系数。S242.板式换热器压降分析板式换热器工程设计技术252.板式换热器压降分析2.1压力降的影响因素介质在进出口处的压降主要来自于介质流动所遇到的阻力。阻力主要来自三个方面：介质本身的特性，与粘度有关，当介质的粘度越大，阻力越大；板片的特性，与板型或结构参数有关，表面粗糙度越大，板片较长、波纹深度较浅、节距较小都会使介质遇到的阻力加大；介质流动的特性，与流速有关、流速越高，遇到的阻力越大。262.板式换热器压降分析2.2压力降的准则方程对于板式热交换器用于无相变换热时的压力降计算通常是以欧拉数Eu与雷诺数Re之间准则关系式给出的：式中，系数b和指数d随板式换热器的具体结构而定，指数d应为负值。272.板式换热器压降分析2.2压力降的准则方程式中：ΔP——介质的压降，Pa；ρ——介质的密度，kg/m3；ω——介质在流道中的流速，m/s。乘以流程数m，即：由于，可求得多程时压降需282.板式换热器压降分析2.2压力降的准则方程式中：L——板有效宽，m；b——板间距，m；若板片两侧的流通截面不等，则应按其实际的流通截面A及湿周边U来分别计算两侧流道的当量直径。在计算板式热交换器压降时的Re值时，当量直径de应按下式计算：292.板式换热器压降分析2.2压力降的准则方程压降准则关系式中系数b及指数d随板型不同其差异很大。实际运行中由于板片两侧流道的压力相差较大时可能引起板片的较大变形。不同的流程、角孔组成的通道内的阻力不同。因此该计算式只能适用于较理想的情况。303.板式换热器热力计算方法板式换热器工程设计技术313.板式换热器热力计算方法3.1计算方法简介板式换热器的选型热力计算目前有两种方法：对数平均温差法（LMTD）温度效率-传热单元数法（ε-NTU）除知道物性参数及准则方程外，还需查阅相关图表获得相应参数值有介质物性参数以及板式换热器的准则方程即可计算只需要知道介质进口温度即可需要知道介质进出口温度参数，若有未知项，需要进行估算温度效率-传热单元数法对数平均温差法两种计算方法的对比323.板式换热器热力计算方法3.1计算方法简介在具体的计算中，无论是对数平均温差法还是温度效率-传热单元数法都有两种方式：设计计算校核计算目前使用昀多的还是以对数平均温差为基础的设计计算方法，对此作主要介绍。333.板式换热器热力计算方法3.2对数平均温差法——设计计算采用准则方程进行设计计算的主要方法如下：由工况条件计算温度、流量、传热量选定板型几何参数初选流程、流道布置计算平均温差Δtm求解传热系数K计算传热面积F=Q/KΔtm由传热面积求板片数由通道与流程数求板片数/2tpNFF11221tNmnmn(1.0~1.1)tNN重新设定通道数(或同时重设通道和流程数)重新设定流程数求压降ΔPΔP≤ΔP允是否否是结束34由工况条件计算温度、流量、传热量选定板型几何参数初选流程、流道布置计算平均温差Δtm求解传热系数K计算传热面积F=Q/KΔtm由传热面积求板片数由通道与流程数求板片数/2tpNFF11221tNmnmn(1.0~1.1)tNN重新设定通道数(或同时重设通道和流程数)重新设定流程数求压降ΔPΔP≤ΔP允是否否是结束353.板式换热器热力计算方法3.2对数平均温差法——设计计算（1）掌握工况条件，冷热介质的流量、进出口温度。（2）求换热量Q()()hhphhihoccpccociQVCttVCtt()()hphhihocpccociQGCttGCtt式中：V——体积流量，m3/s；G——质量流量，kg/s；下标h、c——热、冷介质下标i、o——进、出口位置363.板式换热器热力计算方法（3）计算对数平均温差Δtm，修正系数Ψ取值（4）选择板式换热器型号（主要是单片面积及形式）（5）假设该型号换热器的流程组合1212ln(/)mlttttt1hicottt2hocittt3.2对数平均温差法——设计计算373.板式换热器热力计算方法（6）计算冷、热介质的板间流速ω1Vnf式中：n1——单程中并联通道数；f——板片通道截面积，m2；（7）计算冷热介质的Re、Pr和Nu（8）计算冷、热介质的给热系数αeNud3.2对数平均温差法——设计计算383.板式换热器热力计算方法（9）计算总换热系数K（10）计算换热面积A11mQAKt1212111Krr将理论值A1，与预计值Ao相比较，通常认为两者误差值在5%以内时，计算结果正确3.2对数平均温差法——设计计算393.板式换热器热力计算方法（11）计算冷、热介质的欧拉数Eu（12）计算压降ΔP计算出的压降值应比允许压降小10%~20%，这主要考虑在角孔处以及流向改变时也会产生压降若实际压降超过允许值时，应改变板型或者流程组合，重新进行传热及压降计算。3.2对数平均温差法——设计计算403.板式换热器热力计算方法（13）计算冷、热介质的流程数m1，将计算出m1取整11112sAAmn式中：As——板片有效面积，m2；（14）计算计算实际换热面积A1111(1)hhccsAmnmnA实际板片数：2Anf3.2对数平均温差法——设计计算413.板式换热器热力计算方法将流量为35000kg/h的水由50℃冷却到38℃，冷却水进口温度为33℃，升温8℃。系统允许昀大压降为30kPa为此工况选择一台板式换热器。热水的平均温度为：(50+38)/2=44℃，查阅物性参数可得:密度ρh=990.6kg/m3比热容Cph=4.176kJ/(kg·K)热导率