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板式换热器设计指导书胡雨燕热能与环境工程研究所2006-10-151一、板式换热器简介1.1可拆式板式换热器的基本结构板式换热的基本构造如图1所示。图1板式换热器的基本构造板片是传热元件，一般由0.6~0.8mm的金属板压制成波纹状，波纹板片上贴有密封垫圈。板片按设计的数量和顺序安放在固定压紧板和活动压紧板之间，然后用压紧螺柱和螺母压紧，上、下导杆起着定位和导向作用。固定压紧板、活动压紧板、导杆、螺柱、螺母、前支杆可统称为板式换热器的框架；众多的板片、垫片可称为板束。分析以上的结构和零部件的组成，可见其零部件品种少，且通用性极强，这十分有利于成批生产及使用维修。1.2可拆式板式换热器的基本参数1.2.1单板计算换热面积a在垫片内侧参与换热部分的板片展开面积。按式（1）计算：21aa⋅=φ（1）式中：—单板计算换热面积，；a2mφ—展开系数，板片展开面积与投影面积之比，按式（2）计算tt'=φ（2）式中：'t—波纹节距展开长度，mm；t—波纹节距（如图2所示），mm；1a—在垫片内侧参与换热部分的板片投影面积，。2m注:若导流区与波纹区波纹节距相差较大时，应分别计算导流区与波纹区的换热面积，两者相加1.2.2单板公称换热面积经圆整后的单板计算换热面积，一般圆整到小数点后2位。如单板计算换热面积为0.346，圆整后的公称换热面积为0.35。2m2m图21.2.3板间距b板式换热器相邻两板片间的平均距离b，如图2所示。1.2.4当量直径De四倍的板间通道截面积与其湿润周边之比，按式（4）计算。bSADse24≈=（4）式中：—通道截面积，sA2mS—参与传热的湿润周长，m。1.2.5换热器换热面积A经圆整后的整台板式换热器中有效换热板片数(板片总数减2)与单板计算换热面积之积，按式（5）计算：)2(−=pNaA（5）式中：—板片总数。pN1.2.6工作压力板式换热器在正常工作情况下任何一侧可能出现的昀高压力。1.2.7设计压力在相应的设计温度下，用以保证板式换热器正常工作的压力，该压力值不得低于工作压力。1.2.8液压试验压力3液压试验中的试验压力，其值为设计压力的1.25倍。1.2.9设计温度板式换热器在正常工作情况和相应的设计压力下，设定的元件温度，其值不得低于元件表面在工作状态下可能达到的昀高温度；对于0℃以下工作的板式换热器，其设计温度不得高于元件表面可能达到的昀低温度。在任何情况下，元件表面的温度不得超过元件材料的允许使用温度。图样和铭牌上标注的设计温度为垫片的设计温度。1.2.10板片厚度即在图样上标注的板材标准规格厚度1.2.11流道板式换热器内相邻板片组成的介质流动通道。通常用N表示热流体侧的流道数，用n表示冷流体侧的流道数。1.2.12流程板式换热器内介质向一个方向流动的一组流道。常用M、m分别表示热流体侧、冷流体侧的流程数。1.2.13流程组合板式换热器内流程与流道的配置方式，表示为：iiiinmnmnmNMNMNM×++×+××++×+×LL22112211（6）式中：—指从固定压紧板开始，热流体侧流道数相同的流程数；iMMML，，21iNNNL，，21—指流程中对应的流道数；iMMML，，21immmL，，21—指从固定压紧板开始，冷流体侧流道数相同的流程数；innnL，，21—指流程中对应的流道数。immmL，，211.2.14角孔与接管相连接板片的开口。角孔大小一般按流体流速（m/s）设计。但对于冷凝器板片，若采用普通板片，开口太小，将会使气侧压力降增大，故专门用于冷凝的板片的角孔特别大。1.3可拆式板式换热器型号标识方法4XXX-X-X-X-X框架结构形式代号（见表3）垫片材料代号（见表2）换热器换热面积，2m设计压力，MPa单板公称换热面积，2m板片波纹形式代号（见表1）板式换热器代号（B、BL或BZ）注1框架结构形式为I时，框架结构形式代号可省略。2B-板式换热器代号；BL-板式冷凝器代号；BZ-板式蒸发器代号。表1板式换热器常用的板片波纹形式1人字形波纹（图3、图4）R2水平平直波纹（图5）P3球形波纹（图6）Q4斜波纹（图7）X5竖直波纹（图8）S流体在版面上可以是对角流，也可以是单边流。图3、5、7、8为对角流，图4、6为单边流。图3图4图55图6图7图8表2垫片材料代号及特性丁晴橡胶三元乙丙橡胶氟橡胶氯丁橡胶硅橡胶石棉纤维板4）垫片材料及代号1）NEFCQA适用温度2）-20~110-50~1500~180-40~100-65~23020~250扯断强度MPa10≥-扯断生长率%120≥-硬度（邵尔A型）753±80±580±575±560±2-压缩永久变形率3）%15≤1）食品、医药用垫片材料的代号：在相应垫片代号后面加S。示例：丁晴橡胶垫片N丁晴橡胶食品垫片NS2）垫片在超过适用温度范围时，应由供需双方商定。3）测定条件：室温X24小时；压缩率20%。4）物理性能指标参照GB3985，由供需双方商定。表3板式换热器框架形式序号框架形式代号1双支撑框架式（图9）I2带中间隔板双支撑框架式（图10）II3带中间隔板三支撑框架式（图11）III4悬臂式（图12）IV5顶杆式（图13）V6带中间隔板顶杆式（图14）VI7活动压紧板落地式（图15）VII6图9图10图11图12图13图147图15示例1：BR0.3-1.6-15-N-I，即波纹形式为人字形，单板公称换热面积为0.3m2，设计压力为1.6MPa，换热面积为15m2，用丁睛垫片密封的双支撑框架结构的板式换热器示例2：BP1.0-1.0-100-E-II，即波纹形式为水平平直波纹，单板公称换热面积为1.0m2，设计压力为1.0MPa，换热面积为100m2l,用三元乙丙垫片密封的带中间隔板双支撑框架结构的板式换热器二、设计计算设计计算是板式换热器工程设计的核心，主要包括两部分内容，即传热计算与压降计算。板式换热器工程计算的任务不同于传统的管壳式换热器。它不需要作任何元件或结构方面的设计，一般只要不超出昀高压力，设计时也不再作强度方面校核，所需要的只是适当地组合板片进行传热计算与压降计算，得出所需的总换热面积与板片数。由于板片的传热与压降性能紧密相关，因此，这两方面的计算常常需交叉或交替进行。在设计相变传热的板式换热其时，这一特征表现得尤为突出。2.1计算的类型与其它种类的换热器一样，板式换热器的热力计算也分为设计计算与校核计算两种。2.1.1设计计算通常，两侧流体的流量及四个进、出口温度中的任一三个已给定，要求计算出在满足一定压力降限制条件下的有效换热面积与流程、流道排列组合方式。2.1.2校核计算与设计计算相反，换热面积及流程布置都是已知并且确定的。而且冷、热流体的流量以及进口温度也为已知值，要求核算在该通道布置方案下，流涕出口温度能否达到预定目标及压力降是否满足要求值。这两种不同类型的计算所依据的基本原理完全一致，但它们的计算方法或步骤上存在着很大的差异。事实上，在作某一换热场合的工程设计时，往往两种类型的计算均要用到，事先用设计类型算法求出换热面积与历程布置，再用校核计算程序核定这个面积与布置能否完成预定的换热任务。2.2必备资料无论作哪一种类型的计算，设计者都应备有以下资料：8①选用范围内的各种板片的主要几何参数，如：单板有效换热面积、当量直径或板间距、通道横截面积及通道长度等；②适用介质种类与适用温度、压力范围；③传热及压降关联式或以图线形式提供的板片性能资料；④所用流体在平均工作温度下的有关物性数据，主要包括：密度、比热容、导热系数及黏度。2.3计算的基本关联式2.3.1传热基本方程式mtKFQΔ=（7）Cm)KmW/J/s22o组合校正系数，对数平均温差乘以板片—传热平均温差，等于——换热面积，—（—总传热系数，—传热量，式中：mtFKQΔ⋅−2.3.2换热量计算式a.单相换热)('ttCqQpm−=（8-1）)ii('−=mqQ（8-2）式中：C)Kkg/(Js/kg'o口温度，—分别表示某流体进出—和—流体比热容，——流体质量流量，—ttCqpm⋅J/kgii'出口比热焓，—分别表示某流体进、—和b.相变换热xrmqQ=（9-1）)ix(i'−=mqQ（9-2）2.3.3总传热系数计算式1221111−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛++++=αλδαRRKpp(10)式中：9。（—板片导热系数，—；—板片厚度，—；，可参考表—板片两侧的污垢系数—和；（数，—板片两侧的传热膜系—和K)mW/m4K)mW/21221⋅⋅ppRRλδαα表4板式换热器的污垢热阻流体名称污垢热阻流体名称污垢热阻软水或蒸馏水0.000009机器夹套水0.000052城市用软水0.000017润滑油水0.000009~0.000043城市用硬水（加热时）0.000043植物油0.000007~0.000052处理过的冷却水0.000034有机溶剂0.00009~0.000026沿海海水或港湾水0.000043水蒸气0.00009大洋的海水0.000026工艺流体、一般流体0.000009~0.000052河水、运河水0.0000432.3.4对流传热准则数关联式pwnCNu)/(PrRe0.43.0μμ或=（11）注：对流传热准则数关联式文献给出的很多，但各厂家生产的板片不同，所以不尽相同。推荐：14.03/17.0)/(PrRe159.0wNuμμ=（11-1）注：此试验性关联式的介质为冷却水。公式（11）中各参数和物理量的典型性数据为：20.0~05.045.0~30.0Pr85.0~65.0Re40.0~15.0====pC注：各制造厂应在样本中注明所使用的关联式。2.3.5换热面积计算式00)2(ANNeAA−==（12）式中：换热器总板片数—单板换热面积，—有效传热板板片数—换热器换热面积，—NANeA202mm2.3.6传热平均温差计算式10minmaxminmaxlnttttttlmmΔΔΔ−Δ=Δ=Δϕϕ（13）式中：部温差的大值和小值逆流换热时冷热流体端—和可得。系数，查图均温差修正异于纯逆流时的对数平致冷热流体流动方向有随不同的流程组合，导—对数平均温差，—minmax16CtttlmΔΔΔϕo图16-1并联流程组合（Z和U型）对数平均温差修正系数图16-2串联流程组合对数平均温差修正系数图16-3多程流程组合的对数平均温差修正系数2.3.7当量直径计算式bbwWbde2)(2/4≈+=（14）式中：11mmm板间流道平均间隙，—板间流道宽度，—板间当量直径，—bwde12211)(/)(/)(NTUrCKANTUCKANTU===或系数，无因次—流体流体和分别代表和下标；热容，—rqCCmp2121CJ/K=式中：2.3.9温度效率ε定义式由已知ε、γ可查图17得到NTU值，然后根据NTU的定义式求得换热面积A。2.3.10热容量C之比2.3.8传热单元数NTU定义式另一种表达：（15）mmtttNTUtttNTUΔ−=Δ−=2'221'11)()(（15-1）11'2'1'222'2'11'11εγεε=−−=−−=tttttttt或系数，无因次—度表示流体进口和出口温—、式中：1'γtt（16）γ定义式111222211211/ppmpmCCCCqCqCC====γγ或22/mpmqCq（17）12图17-1逆流注：适用于1-1程，1-1流道，1-2流道；1-1程，每程流道数在3以上；或有一方程数在4以上者图17-21-1程、2-2流道13图17-31-1程、2-3流道图17-42-2程、1-1流道（并流）14图17-52-2程、1-1流道图17-6两流体程数大于或等于4、各程的流道数亦相等图17-73-2程、1-2流道图17-82-1程、1-3流道1516图17-91-2程，n1-n2流道图17-101-3程、n1-n2流道172.3.11流体阻力计算Eu关联式dbEuRe=（18）已确定数值。为其产品提供的公式中，由实验求得，制造厂随不同型式的板片而异—、指数式中：系数db则：2Rewbpdρ=Δ（19）3m/kg