板翅式换热器

板翅式热交换器一、结构二、几何尺寸计算三、传热设计计算四、通道设计五、设计步骤一、结构板翅式热交换器plate-finheatexchanger通常由隔板、翅片、封条、导流片组成。在相邻两隔板间放置翅片、导流片以及封条组成一夹层，称为通道，将这样的夹层根据流体的不同方式叠置起来，钎焊成一整体便组成板束，板束是板翅式换热器的核心。1.隔板、翅片及封条三部分构成其主要结构；2.冷、热流体在相邻的基本单元的流道中流动，通过翅片和隔板进行热交换；3.许多个这样的基本单元叠置起来，钎焊成板束或芯体。工作原理特点特点：1.传热效率高：2.结构紧凑：1000~2500m2/m3；3.轻巧而牢固：采用铝锰合金制造，重量轻；波形翅片即是主要传热表面，又是两板支撑，强度高，耐压。4.适应性大：可用气-气、气-液、液-液的热交换，亦可用作冷凝与蒸发。缺点：1.流通通道小，易堵塞，清洗困难。2.检修，探伤很困难应用空气分离装置：可逆式换热器，冷凝蒸发器，液化器，液氮和液态空气过冷器；石油化工：天然气液化、分离装置，合成氨工业动力机械：内燃机车散热器，汽车散热器、挖掘机循环油冷却器和压缩空气空冷器、油冷器；原子能和国防工业：氢液化气和氮液化器。1.翅片翅片是板翅式换热器的最基本元件。冷热流体间大部分通过翅片，小部分直接通过隔板来进行。翅片传热面积大约为热交换器总传热面积的67%~88%。有翅片比没有翅片的热交换器体积减少了18%以上。若翅片效率最低为70%时，其重量可减少10%。8020传热面积翅片热传热面积隔板传热面积1.翅片翅片是板翅式换热器的最基本元件。冷热流体间大部分通过翅片，小部分直接通过隔板来进行。翅片传热面积大约为热交换器总传热面积的67%~88%。有翅片比没有翅片的热交换器体积减少了18%以上。若翅片效率最低为70%时，其重量可减少10%。10090100重量体积821.翅片（1）平直翅片又称光滑翅片。其主要作用是扩大传热面，但对于促进流体湍流的作用很少。换热系数和阻力系数都比较小，强度较高。宜用于要求较小的流体阻力和自身传热性能较好（液侧或相变）的场合。用于高压板式换热器较多。1.翅片（2）.锯齿形翅片可以看作平直翅片被切成许多短小的片段，相互错开一定的间隔。对促进流体的湍流，破坏热边界层十分有效。压头损失相同的条件下传热系数比平直翅片高30%以上。“高效能翅片”。传热性能好，压力降增加。在传热面积相同时，压力损失比平直翅片小。用于需要强化传热（气侧）的场合。1.翅片（3）.多孔翅片在平直翅片上冲出许多圆孔或方孔。开孔率5%-10%。翅片上的孔使传热边界不断破裂、更新，提高了传热效果。雷诺数比较大时传热系数更高。但是会出现噪音和振动。有利于冲刷排除流体中杂质颗粒。主要用于导流片及流体中夹杂颗粒或相变换热的场合。1.翅片（4）.波纹翅片平直翅片上压成一定的波纹。使得流体在弯曲流道中不断改变流动方向，以促进流体的湍流，分离或破坏热边界层。其效果相当于翅片的折断，波纹越密，波幅越大，其传热性能越好。2.其他结构1.封条：使流体在单元体的流道中流动而不向两侧外流。2.导流片：把流体均匀地引导到翅片的各流道中。3.隔板与盖板：盖板起到承受压力和保护作用，厚度较大。3.流道布置形式（1）逆流：最为普遍（2）顺流：应用较少。主要用在加热时避免流体被加热到高于某一规定温度的场合。3.流道布置形式（3）错流：最基本的布置方式。使换热器布置合理。（4）错逆流：两流体在各自流道中彼此成直角方向流动，其中一流体是按逆流方向经过几次错流。3.流道布置形式（5）混流：某些流体是错流，另外一些是逆流。可以同时处理几种流体的热交换，并合理分配各种流体的传热面积。可以将几个换热器并成一个。结构紧凑，生产操作方便，使冷（热）量损失减少到最低程度。但制造困难。3.流道布置形式（6）组装结构：将多个板束串联或者并联，组成一个大型的板翅式换热器的组装体。解决换热器在制造时截面积和长度的限制。二、几何尺寸1几何尺寸计算hf----翅片高度，m；----翅片厚度，m；sf----翅片间距，m；B----翅片有效宽度，m；Le----翅片有效长度，m；n----通道层数；x----翅片内距x=s-，m；y----翅片内高y=h-，mδsBhyxLe几何尺寸计算(1)当量直径edyxxyyxxyUAde2)(24'4(2)通道横截面积A对于每层单元，通道的横截面积为,m2芯体的n层通道的横截面积为,m2sBxyAisBnxynAAi(3)通道横截面积An层通道的一次传热面积,m2FyxxF1n层通道的二次传热面积,m2FyxyF2n层通道的总传热面积,m2snBLyxFe)(2几何尺寸计算三、传热计算1）翅片效率：翅片的实际传热量和理想的最大可能传热量之比(1)翅片效率和翅片壁面总效率l'Q2Q1oxTttwδdxx通过一次传热面的热量)(11TtFQw-壁面与流体间的给热系数，W/m2•KF1-次传热面积，m2；tW-隔板表面温度；T-流体温度，K2传热设计计算由于沿气流方向的翅片长度大大超过翅片厚度，所以翅片的导热可以作为一维导热处理。根据翅片表面温度分布曲线，两端温度最高等于隔板表面温度tW，而随着翅片与流体的对流给热，温度不断降低，在翅片中部趋于流体温度T。通过二次传热面的热量：)(22TtFQwf翅片效率：TtTtwmf可见，翅片效率就是二次传热面的实际平均传热温差和一次传热面传热温差的比值。)(22TtFQmTtw换算成传热计算在忽略金属翅片厚度方向温度梯度的前提下，在截面和之间的翅片中，由于导热所得到的热量为：22'fdtdxldx同时这段翅片与流体之间通过对流换热得到的热量为：)(''2Ttdxl在假设传热过程稳定的前提下，有如下等式成立：)(''2'22Ttdxldxdxtdlf)sinh()](sinh[')sinh(PLxLPPx解微分方程传热计算由解式可看出，操作时沿翅片高度温差是变化的，在翅片整个高度上平均温差可由解式根据中值定理求出：22tanh2'PLPLcp根据翅片效率的定义，即翅片的平均温差与翅片根部温差的比值，得：tanh2'22cpfPLPL)2tanh(PL上式中为双曲正切函数。传热计算对于两股流板翅式换热器，当一个热通道与一个冷通道间隔排列时，根部温差对称，则，并用定性尺寸表示，翅片效率可以表示为：0'fPbPbcpf)tanh(0其中：fP'2r11'式中：b-翅片的定性尺寸，m-流体换热系数，W/m2•Kr-污垢热阻，m2•K/W传热计算翅片的定性尺寸是指二次表面热传导的最大距离，通道中的传热具有对称性时，在计算时可根据下图来确定。L冷通道热通道冷通道热通道冷通道2冷通道1L1热通道L2热通道冷通道2冷通道1热通道L2L1冷通道3L3冷热通道间隔两个热通道之间隔两个冷通道2Lb11Lb22Lb两个热通道之间隔三个冷通道11Lb23212LLLb33Lb传热计算翅片低而厚，效率高；翅片与流体间的换热系数小，效率高；翅片材料的导热性能好，效率高。传热计算1）翅片壁面总效率：板翅式换热器的总的传热量等于一次传热面和二次传热面的传热量之和。对于二股流换热器，当一个热通道和一个冷通道间隔排列时，可以表达为：)()(21TtFTtFQwfw可以设想这样一个传热面和综合的表面效率，板翅式换热器的总传热方程式可以写成：012FFF0)(00TtFQwfeFFFF2100)1(102022210210fffFFFFFFFFFF传热计算又因：00102FyxxFFFF因此：yxyyxxFF102所以：)1(10fyxy由于总是小于1，所以翅片壁面总效率总是大于翅片效率。同理，翅片效率越高，则表面效率也越大。20/FF0ff0传热计算翅片的传热方程和一般的换热器传热方程的差别仅在于考虑翅片壁面总效率。热流体的传热方程式为：)(whohohhhtTFQ冷流体的传热方程式为：)(cwococccTtFQohohhhwhFQtTococcccwFQTt在稳定传热情况下，，将上两式相加得：QQQch1=11()hchohohcococQTTFF（）传热计算(2)传热量和传热系数计算ohehcechocohoccohhhFFFFK1)1(1111所以：同理得：ocehheccohocohhocccFFFFK1)1(1111式中：-对应于热流体通道的总传热系数，W/m2•K-对应于冷流体通道的总传热系数，W/m2•KhKcK传热计算前两式中忽略了污垢热阻和隔板的导热热阻，考虑以上因素后，可分别表示为：0111FFFFrrFFKhchchocohoccohhh0111FFFFrrFFKchchcohocohhoccc式中：-冷流体的污垢热阻，m2•K/W-热流体的污垢热阻，m2•K/W-隔板的导热系数，W/m•K-隔板厚度，mcrhr传热计算在板翅式换热器中，流体无相变时的换热系数，同样是通过实验研究最后整理成方程而求得的。板翅式换热器中常用斯坦顿准数，其计算公式如下：1）流体无相变时的换热系数GStCpGCjStp3/2Pr/3/2PrGCjppCGStPrj式中：-流体的换热系数，W/m2•K-斯塔顿准数（无因次）-流体的定压比热，J/kg•K-普兰特准数（无因次）-流体的质量流速，kg/m2•s-传热因子（无因次）传热计算(3)换热系数的计算2）液体沸腾侧的换热系数有关板翅式换热器的两相流换热系数的计算过去所做的工作较少，只能使用单管的计算公式来近似地计算冷凝、沸腾和多组分系统的换热系数。所以液体在核态沸腾时，其换热系数可以按下式计算：33.031.069.033.031.069.069.0)1()()(262.0)1()()()(262.0vLLpLsvLeLeLLLeLsbpHqCCpDHqDCDC下标：表示液相，表示汽相。传热计算四、通道设计4.通道设计通道设计是板翅式换热器设计的关键问题，通道分配、排列是否合理直接决定着板翅式换热器的性能与指标。通道排列的设计原则：1）尽可能做到局部热负荷平衡，以减少过剩热负荷与传导距离。2）通道分配应使各个通道的计算长度基本相近。3）应使同一股流体的各个通道的阻力基本相同，并使阻力低于控制值。4）切换的通道数应相等，排列应比邻。5）通道排列原则上应对称，便于制造装配。五、设计步骤5.设计步骤设计一个板翅式换热器其目的就是选择一个合适的翅片型式与参数，并确定通道排列，最终确定传热系数和传热面积，使其与各股流体的给热系数和传热面积相适应。设计步骤：5.设计步骤