板式换热器设计

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本 科 毕 业 设 计 论 文 题 目 板式换热器设计 系 别 专 业 班 级 学生姓名 指导老师 本科毕业设计（论文）任务书 题 目 板式换热器设计 姓 名 1.毕业设计（论文）课题的主要任务： （1）设计的主要任务 换热器在节能、能量转换，能量回收，以及新能源利用领域里的重要性日益增加。换热器也是工业和科研中广泛应用的换热设备之一，其设计过程要利用到传热学和流体力学的知识。 板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。板式换热器通常由薄板组装而成。种类繁多，如：密封式、焊接式、螺旋板式、板壳式等。该课题要求首先对各种换热器进行比较，然后选择一种结构合理、经济耐用的换热器，完成相关的设计、计算，最后画出装配图。通过与工程密切联系的课题研究，培养学生将实际知识利用于工程实践的能力。 （2）设计的主要目的 培养学生综合运用课程及有关选修课程基础理论和基本知识去完成板式换热器的设计任务的实践能力 （3）设计目标 设计的设备必须在技术上是可行的，经济上是合理的，环境上是友好的。 （4）设计条件 ①处理能力：52t/h热污水 ②设备型式：板式换热器 ③操作条件： 热污水：入口温度90℃，出口温度35℃ 冷却介质：自来水，入口温度25℃，出口温度70℃ 容许压强降：不大于1MPa 每年按330天计，每天24小时连续运行 2.课题的具体工作内容（原始数据、技术要求、工作要求）： （1）查阅相关文献资料，了解换热器的设计基本方法； （2）对板式换热器的各种类型进行比较，然后选择一种结构合理、经济耐用的换热器，作为研究对象； （3）根据板式换热器的特点，完成相关的设计计算，流道的选择等，写出设计过程； A .计算总传热系数 B .计算传热面积 （4）换热器核算 （5）完成板式换热器的设计全过程； （6）画出板式换热器的零件图； （7）画出板式换热器的总装配图； 3.课题完成后提交的书面材料要求（论文字数，图纸规格、数量，实物样品，外文翻译字数等）： （1）撰写出1.5万字以上的论文； （2）零件图； （3）装配图一张； （4）不少于20，000印刷符号的英文翻译。 4.主要参考文献： （1）王毅．过程装备测试技术[M]．北京：北京大学出版社，2010 （2）马履中．机械原理与设计．北京：机械工业出版社，2009 （3）余建祖编著．换热器原理与设计．北京航空航天大学出版社，2006 （4）沙拉、赛库里克著．程林译．换热器设计技术．北京，机械工业出版社，2010 （5）兰州石油机械研究所．板式换热器人字形波纹板片试验总结报告[J]，1972 （6）钱颂文等．换热器设计手册[M]．北京：化学工业出版社，2002 （7）杨崇麟．板式换热器工程设计手册[M]．北京：机械工业出版社，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．国内可拆卸板式换热器现状及发展趋势．石油化工设备．2008，9（37，5） （10）赵晓文，苏俊林．板式换热器的研究现状及进展．冶金能源．2011，1 （11）张晓锋．浅谈板式换热器．科技情报开发与经济．2009，10 （12）邹同华，杜建通．板式换热器设计选型及使用中应注意的问题．设计与安装 （13）李永新，杨峰，陈文强．板式换热器失效原因分析及维修方法．工业生产．2006，4 要求完成日期： 年 月 日 指导教师（签名）： 接受任务日期： 年 月 日 学生（签名）： 系审批意见： 负责人签字： 年 月 日 摘 要 摘 要 本设计是以板式换热器为设计对象，主要介绍了板式换热器传热原理。板式换热器是一种高效节能型换热设备,具有传热效率高 ,质量轻 ,占地面积小 ,易于维修等诸多优点。板式换热器的设计主要包括传热设计和框架结构设计。传热设计主要是根据介质和工况条件确定版式换热器的型号及板片的型号和介质的流动方式，而确定板片的型号关键是总传热系数K值的计算；框架结构设计是根据介质的性质、板片的尺寸和有关资料设计固定压紧板，活动压紧板，上、下导杆，夹紧螺柱等零部件的尺寸和材料，并根据有关标准规定校核各零部件的强度、稳定性。 关键词：板式换热器，总传热系数K，压紧板 ABSTRACT This 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, pressureplate I 目录 目录 摘 要 I ABSTRACT II 1 绪论 1 1.1 板式换热器简介 1 1.2 板式换热器的基本结构 1 1.3 平板式换热器的特点 2 1.4 板式换热器的应用场合 3 1.5 板式换热器选型时应注意的问题 4 1.5.1 板型选择 4 1.5.2 流程和流道的选择 4 1.5.3 压降校核 5 1.6 结构原理 5 2 板式换热器国内外研究（设计）概况及发展趋势 7 2.1 应用前景 7 2.2 研究状况 7 2.3 发势展趋 8 3 板式换热器的设计 9 3.1 提高传热效率 9 3.11 提高板片的表面传热系数 9 3.12 减小污垢层热阻 9 3.1.3 选用导热率高的板片 9 3.1.4 减小板片厚度 9 3.2 提高对数平均温差 10 3.3 进出口管位置的确定 10 3.4 降低换热器阻力的方法 10 3.4.1 采用热混合板 10 3.4.2 采用非对称型板式换热器 10 3.4.3 采用多流程组合 11 3.4.4 设换热器旁通管 11 3.4.5 板式换热器形式的选择 11 3.5 橡胶密封垫材质及安装方式 11 3.5.1 材质的选择 11 3.5.2 安装方式的选择 11 3.5.3 合理选用板片材质 12 4 传热工艺计算 13 4.1 设计条件 13 4.2 符号 13 4.3 已知参数 14 4.4 板片的选取 14 4.4.1 总热负荷的计算 14 4.4.2 板片的选取 15 4.5 总传热系数K的计算 16 4.5.1 裕量要求 16 4.5.2 BR0.3的主要几何参数及相关关联式 16 4.5.3 K值的计算 17 5 板式换热器结构设计及强度校核 23 5.1 符号 23 5.2 已知参数 24 5.3 结构设计及强度校核 25 5.3.1 板片 25 5.3.2 压紧板设计及强度校核 25 5.3.3 夹紧螺柱设计及强度校核 28 5.3.4 导杆设计及强度校核 29 5.4 垫片 31 5.5 支柱设计及强度校核 32 5.6 开孔补强 33 5.6.1 补强及补强方法判别 33 结 论 35 参考文献 36 DESIGN OF HEAT EXCHANGER FOR HEAT RECOVERY IN CHP SYSTEMS 37 I 绪论 1 绪论 1.1 板式换热器简介 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。可拆卸板式换热器是一种高效节能型换热备，具有传热效率高，质量轻，占地面积小，易于维修等诸多优点。它可以用石墨、陶瓷、玻璃等非金属材料以及不锈钢、钛、钽、锆等金属材料制成。但是用石墨、陶瓷、玻璃等材料制成的有易碎、体积大、导热差等缺点，用钛、钽、锆等稀有金属制成的换热器价格过于昂贵，不锈钢则难耐许多腐蚀性介质，并产生晶间腐蚀。 板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。各种板片之间形成薄矩形通道，通过板片进行热量交换。它与常规的管壳式换热器相比，在相同的流动阻力和泵功率消耗情况下，其传热系数要高出很多，在适用的范围内有取代管壳式换热器的趋势。 板式换热器是液—液、液—汽进行热交换的理想设备。它具有换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占地面积小、安装清洗方便、应用广泛、使用寿命长等特点。在相同压力损失情况下，其传热系数比管式换 热器高3-5倍，占地面积为管式换热器的三分之一，热回收率可高达90%以上。板式换热器广泛应用于冶金、石油、化工、食品、制药、船舶、纺织、造纸等行业，是加热、冷却、热回收、快速灭菌等用途的优良设备。 板式换热器的型式主要有框架式（可拆卸式）和钎焊式两大类，板片形式主要有人字形波纹板、水平平直波纹板和瘤形板片三种。 对于可拆卸式板式换热器 ,垫片的密封性决定了整个换热器的性能。垫片经多次松开和压紧容易损坏，需要更换。垫片是用机械或粘接的方式嵌入沟槽的。板式换热器属于压力容器，必须定期检查，检查腐蚀状态，如有腐蚀，一经发现，必须修理，当腐蚀严重，不可能修复，必须更换新件。板式换热器一经选定，便不可随便作它用，否则会造成严重后果。 我国可拆卸板式换热器经过数十年的发展，已经有了长足的进步，在有些方面已接近国际先进水平，但仍然有较大差距。 1.2 板式换热器的基本结构 平板式换热器由一组长方形的薄金属传热板片构成，用框架将板片夹紧组装于支架上。两个相邻板片的边缘衬以垫片压紧密封。垫片的材质通常采用各种橡胶或压缩石棉等组成，根据不同的处理介质选用。板片四个角上开有圆孔，垫片叠加组装后构成流体的通道。温度不同的流体介质分别从板片的两侧流过，从而通过垫片进行热交换。 平板式换热器的板片一般比较薄，其厚度一般为0.5-3mm，其表面通常分别压制成各种波纹型或槽型，既可以增强板片的强度，同时也可以改变流体的流动状态，增强流体的湍流程度，提高换热效率。 平板式换热器可以用于处理从水到粘度的液体，可用于加热、冷却、冷凝、蒸发等过程。在化工行业中用于冷却氨水、工业处理废水、冷却合成树脂等；在食品工业中，广泛用于食品的加热杀菌和冷却；在生活设施中可用于制冷、加热；同时，板式换热器还广泛用于制碱、制酸、染料、钢铁、机械、电力、造纸、制药、纺织等行业。随着技术的不断发展，平板式换热器可以得到更为广泛的应用。 换热板片的尺寸，常见的宽度为200-1000mm，板高可达2000mm，两板之间的间距一般为4-6mm，板片的数目可以根据需要的换热能力进行增减，这也是平板式换热器较其他换热器的优点。板片的形式有很多种类，最常用的有水平平直波纹板结构、人字形板片结构等。其中波纹的截面形状又分为三角形、梯形。 流体的流向与波纹成一定的倾角或垂直，形成曲折流动，增强流动的扰动。平板式换热器的主要优点：1.在低流速下可以获得高的传热系数；2.热效率高；3.结构紧凑，占用空间小，很小的空间就可以提供较大的换热面积，单位体积内具有的换热面积是列管式换热器的1.7倍以上；4.成本低。 1.3 平板式换热器的特点 1、平板式换热器的缺点主要是由于受结构强度和垫圈材质的限制，操作压力和温度较低，而且由于板间的间隙小，所处理的容量也有限。一般其操作压力应控制在1.5MPa以下；对合成橡胶垫圈，其适用温度应不高于130℃，对压缩石棉垫圈，其适用温度应不高于250℃。 板式换热器是将板片以叠加的形式装在固定压紧板、活动压紧板中间，然后用夹紧螺栓夹紧而成（见图1-1）。 图1-1板式换热器 2、主要零部件、材质和技术条件 板式换热器主要由板片、密封垫片、固定封头（头盖）、夹紧螺栓、挂架等组成。 换热垫片：主要起换热作用，按各种介质的腐蚀性能与不同的工艺条件而采用不同的耐腐蚀材料，主要有镀锌钢板、铜、不锈钢、钛材等，一般宽长比为1：3较适宜。 （A）密封垫片：主要起密封作用，材质是根据介质的腐蚀性能及温度来选用，常用的有合成橡胶如乙丙胶、氯丁橡胶和丁晴橡胶以及石棉橡胶，其形状根据板片结构而定。安装一般用各种胶粘剂接在换热板片的沟槽内，适用寿命一般为1-2年。橡胶密封垫片的主要技术要求包括耐高温、低温，尤其是在高温时应选用特种耐高温橡胶；永久变形小；无毒。 （B）封头（头盖）：有固定封头和活动封头，主要起夹紧板片确保密封的作用。封头一般采用碳素钢，对腐蚀性介质可加耐蚀衬里，也有少部分用铸铁。一般来讲，工艺介质的出口短管全部安装在固定封头一侧，以便于拆装、清洗。 （C）挂架：主要起支撑换热片的作用，使其拆卸、清洗和组装方便。一般采用碳素钢，通常都设有轨道，也可以配置起吊挂钩、滑轮等拆装设施。 1.4 板式换热器的应用场合 a.制冷：用作冷凝器和蒸发器。 b.暖通空调：配合锅炉使用的中间换热器、高层建筑中间换热器等。 c.化学工业：纯碱工业，合成氨，酒精发酵，树脂合成冷却等。 d.冶金工业：铝酸盐母液加热或冷却，炼钢工艺冷却等。 e.机械工业：各种淬火液冷却，减速器润滑油冷却等。 f.电力工业：高压变压器油冷却，发电机轴承油冷却等。 g.造纸工业：漂白工艺热回收，加热洗浆液等。 h.纺织工业：粘胶丝碱水溶液冷却，沸腾硝化纤维冷却等。 i.食品工业：果汁灭菌冷却，动植物油加热冷却等。 j.油脂工艺：皂基常压干燥，加热或冷却各种工艺用液。 k.集中供热：热电厂废热区域供暖，加热洗澡用水。 l.其他：石油、医药、船舶、海水淡化、地热利用。 1.5 板式换热器选型时应注意的问题 1.5.1 板型选择 板片型式或波纹式应根据换热场合的实际需要而定。对流量大允许压降小的情况，应选用阻力小的板型，反之选用阻力大的板型。根据流体压力和温度的情况，确定选择可拆卸式，还是钎焊式。确定板型时不宜选择单板面积太小的板片，以免板片数量过多，板间流速偏小，传热系数过低，对较大的换热器更应注意这个问题（见图1-2）。 图1-2板型选择 1.5.2 流程和流道的选择 流程指板式换热器内一种介质同一流动方向的一组并联流道，而流道指板式换热器内，相邻两板片组成的介质流动通道。一般情况下，将若干个流道按并联或串联的型式连接起来，以形成冷、热介质通道的不同组合。 流程组合形式应根据换热和流体阻力计算，在满足工艺条件要求下确定。尽量使冷、热水流道内的对流换热系数相等或接近，从而得到最佳的传热效果。因为在传热表面两侧对流换热系数相等或接近时传热系数获得较大值。虽然板式换热器各板间流速不等，但在换热和流体阻力计算时，仍以平均流速进行计算。由于“U”形单流程的接管都固定在压紧板上，拆装方便。 1.5.3 压降校核 在板式换热器的设计选型使，一般对压降有一定的要求，所以应对其进行校核。如果校核压降超过允许压降，需重新进行设计选型计算，直到满足工艺要求为止。 1.6 结构原理 可拆卸板式换热器[1]是由许多冲压有波纹薄板按一定间隔，四周通过垫片密封，并用框架和压紧螺旋重叠压紧而成，板片和垫片的四个角孔形成了流体的分配管和汇集管，同时又合理地将冷热流体分开，使其分别在每块板片两侧的流道中流动，通过板片进行热交换，见图1-3。 图1-3板式换热器流程图 板式换热器的设计特点： 1)、高效节能：其换热系数在3000-4500kcal/m20Ch，比管壳式换热器的热效率高3～5倍。 2)、结构紧凑：板式换热器板片紧密排列，与其他换热器类型相比，板式换热器的占地面积和占用空间较少，面积相同换热量的板式换热器仅为管壳式换热器的1/5。 3)、容易清洗拆装方便：板式换热器靠夹紧螺栓将夹固板板片夹紧，因此拆装方便，随时可以打开清洗，同时由于板面光洁，湍流程度高，不易结垢。 4）、使用寿命长：板式换热器采用不锈钢或钛合金板片压制，可耐各种腐蚀介质，胶垫可随意更换，并可方便在、拆装检修。 5）、适应性强：板式换热器板片为独立元件，可按要求随意增减流程，形式多样；可适用于各种不同的、工艺的要求。 6）、不串液，板式换热器密封槽设置泄液液道，各种介质不会串通，即使出现泄露，介质总是向外排出。近年来，板式换热器技术日益成熟，其换热效率高，体积小，重量轻，污垢系数低，拆卸方便，板片品种多，适用范围广，在供热行业得到了广泛应用。板式换热器按组装方式分为可拆式、焊接式、钎焊式、板壳式等。 47 板式换热器国内外研究（设计）概况及发展趋势 2 板式换热器国内外研究（设计）概况及发展趋势 2.1 应用前景 余热利用为代表的中温及高温领域内（100℃以上）的余热回收利用技术已经比较成熟,但很少有关于较低温度下（100℃及以下）的余热回收利用的文章。 板式换热器作为一种在化工，炼油，动力，食品，轻工，原子能，制药，机械及其它各工业领域广泛使用的设备，它的研究倍受重视，而制造工艺进一步机械化和自动化以及采用各种新技术，在换热器方面将占有重要的地位。由于它的可靠性高，结构简单，紧凑，能承受较高的压力，造价低，适用范围广的特点，使其虽受到其他新型的换热器的挑战，却促进了其自身的发展。由于板片间流通的当量直径小，板形波纹使截面变化复杂，流气的扰动作用激化，在较低流速下即可达到湍流，具有较高的效率，还可用于处理从水到高粘度的液气的加热、冷却、冷凝、蒸发等过程。 我国可拆卸板式换热器主要应用于城市集中供热、石油、化工、轻工、冶金和电力等行业中温度、压力、介质不是非常苛刻的工况，其中每年用于城市集中供热的可拆卸板式换热器台数约占产品总数的70%。尽管近几年新的板型不断问世,应用领域随之拓展，如高NTU值板片的问世，使我国产品进入了传热温差1℃的制冷空调领域；宽间隙板片的问世，使我国产品进入了酒精、制糖等粘性、颗粒性介质行业。但在核电、冶金、电力、船舶等大型产品及特殊板材需求量较大的领域仍然应用较少，主要原因是高技术含量产品的品种规格不全、质量性能水平低、可靠性不高以及工艺选型计算不准确等。 2.2 研究状况 自进入21世纪以来,常规对称形、非对称形、高NTU型（浅密波纹型）、免粘型、宽流道型、板式蒸发器、板式冷凝器等国外已有的可拆卸板式换热器均已实现国产化,且已成功应用于不同的领域。在设备结构的改进和创新方面，采用新技术，连续提供增强热传递的激励，利用扰动促进物等等。并且在设备结构的改进和创新方面，近年来新型材料换热器的研究和推广应用发展也很快。在设计方法和计算方面，计算机应用于换热器的设计，并对设计计算的一些修正，比如运用SW6-1998 V3.5及PVCAD进行工艺计算。生产制造工艺方面，扩大标准系列，进一步组织专业化生产。它的主要研究有：物性模拟研究、分析设计的研究、大型化及能耗研究、强化技术研究、新材料研究、控制污垢及腐蚀的研究、振动与防振措施的研究。 目前，国内80%的企业仍以生产技术含量不高的常规普通型产品为主，与国际先进水平相比，我国产品在特殊品种方面还较缺乏，如性能先进的新型板式蒸发器、超大处理量的板式冷凝器以及特殊用途的激光半焊接产品等。国内只有个别企业开发了DN400、DN450或DN500的大角孔、大处理量的板式换热器，但尚未形成系列，产量有限，且产品的性能水平、可靠性仍有待提高，尤其是受平板硫化机的限制，无法生产单张板片面积大于3.0 m2的垫片。而国外单张板片的最大换热面积已达到3.8 m2，板片最小厚度为0.4 mm，单台换热器最大换热面积可达3000 m2（国内为1500 m2），单台换热器组装板片数可达1000张（国内为600张）。板式冷凝器角孔最大公称直径为1400 mm，蒸汽处理量可达40104m/h；板式蒸发器角孔最大公称直径为700 mm，介质蒸发量已达100 t/h。 2.3 发势展趋 板式换热器将继续提高设备的传热效率，促进设备结构的紧凑性，加强生产制造的标准激烈化和专业化，并在广泛的范围内继续向大型化的方向发展。 由于板式换热器具有结构坚固，弹性大和使用材料范围广等独特的优点。今后仍将在广泛的领域内得到继续发展。尤其在高温，高压和大型化的场合下，更有其广阔的发展前途。但为了加强其传热效率，在高温和高压的条件下，采用电焊焊接式的翅片管的结构将会得到重视和发展。 各种新型高效紧凑式换热器的应用范围内，尤其是处理强腐蚀介质而需要使用贵重金属材料的场合下，新型高效紧凑式换热器将进一步取代管壳式换热器。 换热器的发展动向主要有：物性模拟研究、分析设计的研究、大型化及能耗研究、强化技术研究、新材料研究、控制污垢及腐蚀的研究、振动与防振措施的研究。 焊接板式换热器可分为半焊式、组件式及全焊式。常规板式换热器的总体结构为散装式，其特点是两侧流道可全部打开进行清洗，缺点是两侧流体压差不能太大，温度不宣过高。半焊式是采用专门的焊接工艺将每两张板片沿密封槽焊在一起，然后再将每对焊好的板片用垫片组装起来，这样可使密封周边减少一半，但组焊板片内部不能用机械方法清洗，可用化学方法清洗；组件式是将若干板片预焊在一起，再用密封垫片组装起来，该结构可用于2.5 MPa，400℃和洁净介质的换热；全焊式是将所有板片焊成一个整体，只能用于不易结垢的介质进行换热，最大优点是可承受较高温度和压力，没有垫片泄漏的顾虑。 板式换热器的优化 3 板式换热器的设计 提高板式换热器的效能是一个综合经济效益问题，应通过技术经济比较后确定。提高换热器的传热率和降低换热器的阻力应同时考虑，而且应合理选用板片材质和橡胶密封垫材质及安装方法，保证设备安全运行，延长设备使用寿命。 优化设计方法 3.1 提高传热效率 板式换热器是间壁传热式换热器，冷流体通过换热器板片传热，流体与板片直接接触，传热方式为热传导和对流传热。提高板式换热器传热效率的关键是提高传热系数和对数平均温差。 提高换热器传热系数只有同时提高板片冷热两侧的表面热系数，减小垢层热阻，选用热导率高的板片，减小板片的厚度，才能有效提高换热器的传热系数。 3.11 提高板片的表面传热系数 由于板式换热器的波纹能使流体在较小的流速下产生湍流，因此能获得较高的表面传热系数，表面传热系数与板片波纹的几何结构及介质的流动状态有关。板片的波形包括人字形、平直形、球形等。经过多年的研究和实验发现，波纹断面形状为三角形的人字形板片具有较高的表面传热系数，且波纹的夹角越大，板间流道内介质流速越高，表面传热系数越大。 3.12 减小污垢层热阻 减小换热器的污垢层热阻的关键是防止板片结构。板片结构厚度为1 mm时，传热系数降低约10%。因此，必须注意监测换热器冷热两端的水质，防止板片结构，并防止水中杂物附着在板片上。有些供热单位为防止盗水及钢件腐蚀，在供热介质中添加药剂，因此必须注意水质和黏性药剂引起杂物玷污换热器板片。如果水中有黏性杂物，应采用专用过滤器进行处理。选用药剂时，宜选择无黏性的药剂。 3.1.3 选用导热率高的板片 板片材质可选择奥氏体不锈钢、钛合金、钢合金等。不锈钢的导热性能好，热导率约14.4W/(mk)，强度高，冲压性能好，不易被氧化，价格比钛合金和铜合金低，但其耐氯离子腐蚀的能力差。 3.1.4 减小板片厚度 板片的设计厚度与其耐腐蚀性能无关，与换热器的承压能力有关。板片加厚，能提高换热器的承压能力。采用人字形板片组合时，相邻板片互相倒置，波纹相互接触，形成了密度大、分布均匀的指点，板片角及边缘密封结构已逐步完善，使换热器具有很好的承压能力。在满足换热器承压能力的前提下，应尽量选用较小的板片厚度。 3.2 提高对数平均温差 板式换热器流型有逆流、顺流和混合流型。在相同工况下，逆流时对数平均温差最大，顺流时最小，混合流型介于二者之间。提高换热器对数平均温差的方法为尽可能采用逆流或接近逆流的混合流型，尽可能提高热侧流体的温度，降低冷侧流体的温度。 3.3 进出口管位置的确定 对于单流程布置的板式换热器，为检修方便，流体进出口管应尽可能布置在换热器固定端一侧。介质的温差越大，流体的自然对流越强，形成的滞留带的影响越明显，因此介质进出口位置应按热流体上进下出，冷流体下进上出布置，以减小滞留带的影响，提高传热效率。 3.4 降低换热器阻力的方法 提高板间流道内介质的平均流速，可提高传热系数，减小换热器面积。但提高流速，将加大换热器的阻力，提高循环泵的耗电量和设备造价，通过提高流速获得稍高的传热系数不经济。当冷热介质流量比较大时，可采用以下方法降低换热器的阻力，并保证有较高的传热系数。 3.4.1 采用热混合板 热混合板的板片两面波纹几何结构相同，板片按人字形波纹的夹角分为硬板和软板，夹角大于90（一般120左右）为硬板，夹角小于90（一般79左右）为软板。热混合板硬板的表面传热系数高，流体阻力大，软板则相反。硬板和软板进行组合，可组成高、中、低三种特性的流道，满足不同工况的要求。 冷热介质流量比较大时，采用热混合板比采用对称型单流程的换热器可减少板片面积。热混合板冷热两侧的角孔直径通常相等，冷热介质流量比过大时，冷介质一侧的压力损失很大。另外，热混合板设计技术难以实现精确匹配，往往导致节省板片面积有限。因此，冷热介质流量比过大时不宜采用热混合板。 3.4.2 采用非对称型板式换热器 对称型板式换热器有板片两面波纹几何结构相同的板片组成，形成冷热流道流通截面积相等的板式换热器。非对称型板式换热器根据冷热流体的传热特性和压力降要求，改变板片两面波形几个结构，形成冷热流道截面积不等的板式换热器，宽流道一侧的角直径较大。非对称型板式换热器的传热系数下降微小，且压力降大幅减小。冷热介质流量比较大时，采用非对称型单流程比采用对称型单流程的换热器可减少板片面积15%-30%。 3.4.3 采用多流程组合 当冷热介质流量较大时，可以采用多流程组合布置，小流量一侧采用较多的流程，以提高流速，获得较高的传热系数。大流量一侧采用较小的流程，以降低换热器阻力。多流程组合出现混合流型，平均传热温差稍低。采用多流程组合的板式换热器的固定端板和活动端板均有接管，检修时工作量大。 3.4.4 设换热器旁通管 当冷热介质流量比较大时，可在大流量一侧换热器出口之间设旁通管，减少进入换热器流程，降低阻力。为便于调节，在旁通管上应安装调节阀。该方式应采用逆流布置，使冷介质出换热器的温度较高，保证换热器出口合流后的冷介质温度能达到设计要求。设换热器旁通管可保证换热器有较高的传热系数，降低换热器阻力，但调节略繁。 3.4.5 板式换热器形式的选择 换热器板间流道内介质平均流速以0.3-0.6 m/s为宜，阻力以不大于100 kPa为宜。根据不同冷热介质流量比，可参照表3-1选用不同形式的板式换热器，表中非对称型板式换热器流道截面积比为2。采用对称型或非对称型、单流程或多流程板式换热器，均可设置换热器旁通管，但应经详细的热力计算。 表3-1 不同形式的板式换热器选用 板式换热器形式 冷热介质 流量比 热介质进、出口温度（/℃） 冷介质进、出口温度（/℃） 对称型单流程 1.0-1.4 110/80 70/95 热混合板 1.4-1.7 120/80 70/95 非对称型单流程 1.7-2.8 130/80 70/95 对称型多流程 2.8-3.6 150/80 70/95 非对称型多流程 3.6-7.0 120/70 50/60 3.5 橡胶密封垫材质及安装方式 3.5.1 材质的选择 水—水换热器中，冷热介质对橡胶密封垫均无腐蚀性。选用橡胶密封垫材质的关键是耐温和密封性能，选择合理的密封垫。 3.5.2 安装方式的选择 橡胶密封垫常用安装方式为粘接式、卡扣式。粘接式是在换热器组装时，将橡胶密封垫用胶水粘接在板片密封槽内。卡扣式是换热器组装时，利用橡胶密封垫和板片边缘的卡扣结构，将橡胶密封垫固定在板片密封槽内。由于卡扣式安装工作量很小，换热器拆卸时橡胶密封垫损坏率低，而且不存在胶水中可能含有的氯离子造成对板片的腐蚀，因此使用较多。 3.5.3 合理选用板片材质 不锈钢板片可能产生腐蚀失效的现象有点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀、均匀腐蚀等，应力腐蚀的发生率较高。由氯离子引起的应力腐蚀最多，板片材质可根据介质中的氯离子质量浓度按表3-2选用，表中304、316代表的不锈钢材料牌号为0Cr18Ni9、0Cr7Ni2Mo2，TA1代表钛合金。 表3-2 常用板材材质在含氯介质中的适用范围 氯离子质量浓度（mg/L） 介质温度（℃） 60 80 120 130 10 304 304 304 316 25 304 304 316 316 50 304 316 316 TA1 80 316 316 316 TA1 150 316 316 TA1 TA1 300 316 TA1 TA1 TA1 ＞300 TA1 TA1 TA1 TA1 传热工艺计算 4 传热工艺计算 4.1 设计条件 （1）处理能力：52t/h热污水 （2）设备型式：板式换热器 （3）操作条件： 1热污水：入口温度90℃，出口温度35℃ 2冷却介质：自来水，入口温度25℃，出口温度70℃ 3容许压强降：不大于1MPa 4每年按330天计，每天24小时连续运行 4.2 符号 A—所需换热面积，mm2； As—单通道横截面积，mm2； cp—比热容，kJ/(kgK)； de—当量直径，m； DN—角孔直径，m； K—总传热系数，W/(m2K)； —理论总传热系数，W/(m2K)； —实际总传热系数，W/(m2K)； N—总板片数； Ne—有效传热板片数； n—程内流道数； ΔP—压降，； Q—总热负荷，kW； q—体积流量，m3/h； —污垢层热阻，(m2K)/W； T1—原水进口温度，℃； T2—原水出口温度，℃； —原水平均温度，℃； t—温度，℃； t1—冰水进口温度，℃； t2—冰水出口温度，℃； —冰水平均温度，℃； Δtm—平均温差，℃； α—传热系数，W/(m2K)； δ—板片厚度，m； λ—板片导热系数，W/(mK)； μ—动力粘度，Pas； ν—运动粘度，m2/s； ρ—密度，kg/m3； υ—角孔流速，m/s； ω—板间流速，m/s； Eu—欧拉数； Nu—努塞尔数； Pr—普朗特数； Re—雷诺数。 4.3 已知参数 单通道横截面积：As=0.0018m2； 当量直径：de =10.7mm； 原水体积流量：qk=52m3/h； 原水侧污垢层热阻[2]：=0.000043(m2K)/W； 冰水侧污垢层热阻[2]：=0.000034(m2K)/W； 原水进口温度：T1=90℃； 原水出口温度：T2=35℃； 冰水进口温度：t1=25℃； 冰水出口温度：t2=70℃； 板片厚度：δ=1.2mm； 板片导热系数[2]：λ=16.3W/(mK)； 角孔流速：υ=5m/s。 4.4 板片的选取 4.4.1 总热负荷的计算[2] 以热污水侧为热侧，冷清水侧为冷侧。 由板式换热器工程设计手册查得所需物性参数如表4-1[1]所示。 表4-1 部分温度下水的物性参数 温度 t (℃) 密度 ρ (kg/m3) 比热容 cp (kJ/(kgK)) 导热系数 λ (W/(mK)) 动力粘度 μ10－6 (Pas) 运动粘度 υ10－6 (m2/s) 40 50 60 70 992.2 988.1 983.2 977.8 4.174 4.174 4.178 4.178 0.634 0.648 0.659 0.668 689.476 582.685 474.951 354.823 0.656 0.574 0.469 0.382 热污水平均温度℃ 冷清水平均温度℃ 用差值法计算得热污水、冷清水平均温度下的物性参数如表4-2所示。 总热负荷： 式（2-1） 冷清水体积流量： 式（2-2） 4.4.2 板片的选取 角孔直径[3]，一般取流速υ=5m/s。将数据代入可得： 式（2-3） 式（2-4） 表4-2原水、冰水平均温度下的物性参数 温度 t (℃) 密度 ρ (kg/m3) 比热容 cp (kJ/(kgK)) 导热系数 λ (W/(mK)) 动力粘度 μ10－6 (Pas) 运动粘度 υ10－6 (m2/s) 62.5 47.5 981.8 989.1 4.178 4.174 0.662 0.644 419.1 616.8 0.409 0.618 综合最大处理量=52t/h、设计压力pc=1MPa及角孔最大通径=60.63等因素，且依据“同孔径型号尽量选单板面积小”的原则，选择板片型号[3]为BR0.3的板片。 4.5 总传热系数K的计算 4.5.1 裕量要求 根据工况，换热面积裕量要求（即总传热系数的裕量）： 裕量= 式（2-5） 对于本设计，裕量要求为25%～35%。 4.5.2 BR0.3的主要几何参数及相关关联式 对流传热关联式[1]： (160<<800) (160<<800) 压降关联式[1]： (3700<<12000) (2600<<8000) BR0.3的主要几何参数如表4-3所示。 表4-3 BR0.3的主要几何参数[3] 名称 波纹形式 单位 实测参数 人字形128 板片厚度 波纹深度 波纹法向节距 板间距 当量直径 单片有效传热面积 单流道截面积 板片材料 板片外形尺寸 mm mm mm mm mm m2 m2 mm 1.2 6 18 6 10.7 0.3 0.0018 11503601.2 4.5.3 K值的计算[3] 初估所需换热面积，平均温差为：（见图4-1逆流平均温差） ℃ 式（2-6）根据经验或从有关参考书籍、有关性能测定的试验报告中，选用与工艺条件相仿、设备类型类似的换热器的总传热系数值作为初设值。 图4-1逆流平均温差 表4-4列出了一般情况下板式换热器的总传热系数值。 表4-4 板式换热器的经验总传热系数K值[4] 物 料 水-水 水蒸汽(或热水)-油 冷水-油 油-油 气-水 K(W/(m2℃)) 2900～4650 870～930 400～580 175～350 28～58 1)假设K=3000W/(m2K),需换热面积为： A= ==75.28m2 Ne=75.28/0.3≈251 因此，需用单板面积为0.3m2的板片约251片。 N=Ne+2=251+2=253 流道分布：作为冷却器一般将热侧靠近压紧板。本设计流程为单程设计，总流道数=N－1,故总共有252个流道，其中热流道有126个，冷流道有126个。 热侧流速：m/s 式（2-7） 冷侧流速：m/s 式（2-8） 在此提前核算压降是否超过允许值。 式（2-9） 式（2-10）压降: MPa MPa 均小于压降允许值。 计算两侧的对流传热系数。 热侧： 式（2-11） W/(m2K) (m2K)/W 冷侧： 式（2-12） W/(m2K) (m2K)/W 板片导热热阻： (m2K)/W 总传热系数： 式（2-13） =3088W/(m2K) 裕量： 100%=2.93%＜25%，假设K=3000W/(m2K)不合适。 需重新假设K值。 2)假设K=3500W/(m2K),需换热面积为： A= ==64.53m2 Ne=64.53/0.3≈215 因此，需用单板面积为0.31m2的板片约215片。 N=Ne+2=215+2=217 流道分布：总流道数=N－1,故总共有216个流道，其中热流道有108个，冷流道有108个。 热侧流速： m/s 在此提前核算压降是否超过允许值。 压降： MPa＞0.08MPa 热侧压降大于允许值。需重新设K值。 3)假设K=3200W/(m2K),需换热面积为： A= ==70.58m2 Ne=70.58/0.3≈235 因此，需用单板面积为0.3m2的板片约235片。 N=Ne+2=235+2=237 流道分布：总流道数=N－1,故总共有236个流道，其中热流道有118个，冷流道118个。 热侧流速：m/s 为避免返工，在此提前核算压降是否超过允许值。 压降： MPa＞0.08MPa 热侧压降大于允许值。需重新设K值。 4)假设K=3100W/(m2K),需换热面积为： A= ==72.58m2 Ne=72.58/0.3≈243 因此，需用单板面积为0.3m2的板片约243片。 N=Ne+2=243+2=245 流道分布：总流道数=N－1,故总共有244个流道，其中热流道有122个，冷流道有122个。 热侧流速：m/s 冷侧流速：m/s 为避免返工，在此提前核算压降是否超过允许值。 压降： MPa＜0.08 MPa MPa＜0.08MPa 均小于压降允许值。 计算两侧的对流传热系数。 热侧： W/(m2K) (m2K)/W 冷侧： W/(m2K) (m2K)/W 板片导热热阻： (m2K)/W 总传热系数： =4023W/(m2K) 裕量： 100%=29.8%＜35%，故假设K=3100W/(m2K)合适。 综上： 换热面积A=72.8m2 总传热系数K=3100 可拆式板式换热器设计计算书 工艺条件 冷侧 热侧 介质名称 冷清水 热污水 流量 m3/h 51.67 52 热负荷 Kw 3259 温度 进→出 ℃ 25→70 90→35 流体类型 液 液 液 液 密度 Kg/m3 989.1 981.8 比热 KJ/kg.℃ 4.174 4.178 导热系数 W/m.℃ 0. 644 0.62 动力粘度 x10-6 Pa.S 616.8 419.1 对数平均温差 ℃ 14.43 计算换热面积 m2 72.85 计算传热系数 W/m2.K 4023 板片材料 密封胶垫材料 橡胶 板片数 243 压力降 MPa 0.08 0.08 流程组合 Counter flow 1x122 1x122 框架 设计压力 MPa 1 试验压力 MPa 设计温度 ℃ 板式换热器结构设计及强度校核 5 板式换热器结构设计及强度校核 5.1 符号[5] Aa—预紧状态下，需要的最小夹紧螺柱总截面积，以螺纹小径计算或以无螺纹部分的最小直径计算，取较小值,mm2； Ab—实际使用的夹紧螺柱总截面积，以螺纹小径计算或以无螺纹部分的最小直径计算，取较小值,mm2； Am—需要的夹紧螺柱总截面积,mm2； Ap—工作状态下，需要的最小夹紧螺柱总截面积，以螺纹小径计算或以无螺纹部分的最小直径计算，取较小值,mm2； a2—被垫片槽中心线包容的板片投影面积, mm2； B—垫片有效密封宽度,mm； b—板间距,mm； b1—固定压紧板内侧至中间隔板自重作用点的距离，mm； b2—固定压紧板内侧至活动压紧板自重作用点的距离，mm； C1—中间隔板自重作用点至支柱内侧间的距离，mm； C2—活动压紧板自重作用点至支柱内侧间的距离，mm； d—夹紧螺柱小径或无螺纹部分的最小直径，取较小值，mm； E—设计温度下，上导杆材料的弹性模量，Mpa； F0—作用于a2上的流体静压力，N； Fp—工作状态下，需要的最小垫片压紧力， N； F1—中间隔板自重，N； F2—活动压紧板自重，N； f—上导杆受载所引起跨度中点的挠度，mm； f1—上导杆自重所引起的跨度中点的挠度，mm； f2—板片及所充介质(水或其它流体取密度大者)重力所引起的上导杆跨度中点的挠度，mm； f3—中间隔板自重所引起的上导杆跨度中点的挠度，mm； f4—活动压紧板自重所引起的上导杆跨度中点的挠度，mm； H—上下导杆内侧间的距离，mm； J—上导杆惯性矩，mm4； L—夹紧尺寸，固定压紧板内侧至活动压紧板内侧间的距离，mm,按下式计算：L=(S0+b)NP+n1S2 L1—导杆长度(固定压紧板内侧至支柱内侧间的距离)，mm； L2—夹紧螺柱长度，mm； l—垫片中心线的展开长度，mm； l1—垫片长度，mm； m—垫片系数，橡胶：m=1；石棉：m=2； NP—板片总数； n—夹紧螺柱数量； n1—中间隔板数量； P—设计压力，； q1—上导杆自重均布载荷，N/mm； q2—板片及所充介质(水或其它流体取密度大者)所引起的均布载荷，N/mm； S0—板片厚度，mm； S1—压紧板厚度，mm； S2—中间隔板厚度，mm； S3—垫片名义厚度，mm； Wa—预紧状态下，需要的最小夹紧螺柱载荷(即预紧状态下，需要的最小垫片压紧力)，N； Wp—工作状态下，需要的最小夹紧螺柱载荷,N； y—垫片比压力，橡胶：y=1.4MPa；石棉：y=1.1； [σ]b—常温下夹紧螺柱材料的许用应力，； [σ]bt—设计温度下夹紧螺柱材料的许用应力，； δ—夹紧螺柱上的螺母与垫圈厚度之和，。 5.2 已知参数 板片厚度：S0=1.2 垫片中心线的展开长度：l=3020 垫片有效密封宽度：B=8 被垫片槽中心线包容的板片投影面积：a2=399510 设计压力：P=1 板间距：b=6 板片总数：NP=244 中间隔板数量：n1=0 中间隔板厚度：S2=0 垫片系数：=1 垫片比压力：y=1.4 5.3 结构设计及强度校核 5.3.1 板片 1）板片[6]厚度不应小于1.2。 2）板片两端应有对称的悬挂定位结构。 由传热计算：选取的BR0.3型板片，其厚度为1.2。 板片设有悬挂定位结构，故符合要求。 5.3.2 压紧板设计及强度校核 1）压紧板要有足够的刚性，压紧板厚度的选取[5] (见表5-1)； 表5-1压紧板厚度 单板公称换热 面积(m2) 在设计压力下的压紧板厚度() 设计压力() 0.6 1.0 1.6 2.0 2.5 0.1 0.3 0.5 0.7 0.8 1.0 2.0 25 35 45 50 55 60 80 25 40 50 55 60 65 80 30 50 55 60 65 70 80 30 50 55 60 － － － 35 55 60 － － － － 设计压力1MPa，单板公称换热面积0.3m2，并且考虑到强度和经济性，由上表： 选取压紧板的厚度为40mm。 2）压紧板厚度校核[7]： 预紧状态下需要的最小夹紧螺柱载荷Wa按式（3-1）计算： Wa=lBy 式（3-1） 故： Wa=302081.4=33824N 工作状态下需要的最小夹紧螺柱载荷Wp按式(3-2)计算： 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