1 船舶柴油機(jī)高溫淡水冷卻器設(shè)計(jì) 摘要： 本文簡(jiǎn)要介紹了 板式換熱器的結(jié)構(gòu)、 優(yōu)缺點(diǎn)、設(shè)計(jì)原理與設(shè)計(jì)依據(jù)，運(yùn)用對(duì)數(shù)平均溫差法（ LMTD）設(shè)計(jì)了一款船舶柴油機(jī)高溫淡水板式換熱器，并對(duì)其進(jìn)行熱力和阻力校核。 關(guān)鍵詞：板式換熱器 對(duì)數(shù)平均溫差 板片 流程 污垢系數(shù) 目錄 第 1 章 板式換熱器基本構(gòu)造 . 3 1.1 整體結(jié)構(gòu) . 3 1.2 流程組合方式 . 4 1.3 半片形式及其性能 . 5 1.3.1 常用形式 . 5 1.3.2 特種形式 . 5 1.4 密封墊片 . 5 第 2 章 板式換熱器的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用 . 6 2.1 優(yōu)點(diǎn) . 6 2 2.2 缺點(diǎn) . 7 2.3 應(yīng)用 . 7 第 3 章 板式換熱器熱力及相關(guān)計(jì)算 . 8 3.1 確定總傳熱系數(shù)的途徑 . 8 3.2 總傳熱系數(shù)的計(jì)算 . 8 3.3 傳熱系數(shù)的計(jì)算 . 11 3.4 垢阻的確定 . . 11 第 4 章 計(jì)算類(lèi)型及工程設(shè)計(jì)一般原則 . 12 4.1 計(jì)算的類(lèi)型 . 12 4.2 工程設(shè)計(jì)、計(jì)算的一般原則 . 13 第 5 章 板式換熱器熱力計(jì)算實(shí)際應(yīng)用 . 15 3 第 1 章 板式換熱器基本構(gòu)造 1.1 整體結(jié)構(gòu) 板式換熱器的結(jié)構(gòu)相對(duì)于板翅式換熱器、殼管式換熱器和列管式換熱器比較簡(jiǎn)單，它是由板片、密封墊片、固定壓緊板、活動(dòng)壓緊 板、壓緊螺柱和螺母、上下導(dǎo)桿、前支柱等零部件所組成，如圖 1-1所示： 板片為傳熱元件，墊片為密封元件，墊片粘貼在板片的墊片槽內(nèi)。粘貼好墊片的板片，按一定的順序（如圖 1-1所示，冷暖板片交叉放置）置于固定壓緊板和活動(dòng)壓緊板之間，用壓緊螺柱將固定壓緊板、板片、活動(dòng)壓緊板夾緊。壓緊板、導(dǎo)桿、壓緊裝置、前支柱統(tǒng)稱(chēng)為板式換熱器的框架。按一定規(guī)律排列的所有板片，稱(chēng)為板束。在壓緊后，相鄰板片的觸點(diǎn)互相接觸，使板片間保持一定的間隙，形成流體的通道。換熱介質(zhì)從固定壓緊板、活動(dòng)壓緊板上的接管中出入，并相間地進(jìn)入板片之間的流 體通道，進(jìn)行熱交換。 圖 1-1所示板式換熱器為可拆式板式換熱器，其原理就是在上導(dǎo)桿處安裝了活動(dòng)滑輪、頂壓裝置，在增減板片的時(shí)候，可以通過(guò)該滑輪調(diào)節(jié)換熱器內(nèi)可安裝板片數(shù)量，頂壓裝置加固整體結(jié)構(gòu)牢固性；而對(duì)于一些小型的板式換熱器，則沒(méi)有該裝置，而是直接地將固定壓緊板和活動(dòng)壓緊板通過(guò)導(dǎo)桿固定連接起來(lái)，這種結(jié)構(gòu)沒(méi)有清洗空間，清洗、檢查時(shí)，板 4 片不能掛在導(dǎo)桿上，雖然這樣的結(jié)構(gòu)輕便簡(jiǎn)易，但對(duì)大型的、需經(jīng)常清洗的板式換熱器不太適用。 對(duì)于要進(jìn)行兩種以上介質(zhì)換熱的板式換熱器，則需要設(shè)置中間隔板。 1.2 流程組合方式 為了使流 體在板束之間按一定的要求流動(dòng)，所有板片的四角均按要求沖孔，墊片按要求粘貼，然后有規(guī)律地排列起來(lái)，形成流體的通道，稱(chēng)為流程組合。（圖 1-2a、 b、 c是典型的排列方式）流程組合的表示方式為： 式中： M1， M2， Mi ：從固定壓緊板開(kāi)始，甲流體側(cè)流道數(shù)相等的流程數(shù)； N1， N2， Ni ： M1， M2， Mi中的流道數(shù)； m1， m2， mi ：從固定壓緊板開(kāi)始，乙流體側(cè)流道數(shù)相等的流程數(shù)； n1， n2， ni :： m1， m2， mi中的流道數(shù)。 圖 1-2 典型的流程組合 5 1.3 板片形式及其性能 板片是板式換熱器的核心元件，冷、熱流體的換熱發(fā)生在板片上，所以它是傳熱元件，此外它又承受兩側(cè)的壓力差。從板式換熱器出現(xiàn)以來(lái)，人們構(gòu)思出各種形式的波紋板片，以求得換熱效率高、流體阻力低、承壓能力大的波紋板片。 1.3.1 常用形式 板片按波紋的幾何形狀區(qū)分，有水平平直波紋、人字形波紋、斜波紋等波紋板片；按流體在板間的流動(dòng)形式區(qū)分，有管狀流動(dòng)、帶狀流動(dòng)、網(wǎng)狀流動(dòng)的波紋板片。 1.3.2 特種形式 為了適應(yīng)各種工程的需要，在傳統(tǒng)板式換熱器的基礎(chǔ)上相繼發(fā)展了一些特殊的 板片及特殊的板式換熱器。 1：便于裝卸墊片的板片 2：用于冷凝器的板片 3：用于蒸發(fā)器的板片 4：板管式板片 5：雙層板片 6：石墨材料板片 7：寬窄通道的板片 1.4 密封墊片 板式換熱器的密封墊片是一個(gè)關(guān)鍵的零件。板式換熱器的工作溫度實(shí)質(zhì)上就是墊片能承受的溫度；板式換熱器的工作壓力也相當(dāng)程度上受墊片制約。從板式換熱器結(jié)構(gòu)分析， 6 密封周邊的長(zhǎng)度 (m)將是換熱面積 (m2)的 68倍，超過(guò)了任何其它類(lèi)型的換熱器。 第 2 章 板式換熱器的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用 2.1 優(yōu)點(diǎn) 1：傳熱系數(shù)高 管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)，從強(qiáng)度方面看是 很好的，但從換熱角度看并不理想，因?yàn)榱黧w在殼程中流動(dòng)時(shí)存在著折流板 殼體、折流板 換熱管、管束 殼體之間的旁路。通過(guò)這些旁路的流體，并沒(méi)有充分地參與換熱。而板式換熱器，不存在旁路，而板片的波紋能使流體在較小的流速下產(chǎn)生湍流。所以板式換熱器有較高的傳熱系數(shù)，一般情況下是管殼式換熱器的 35倍。 2：對(duì)數(shù)平均溫差大 在管殼式換熱器中，兩種流體分別在殼程和管程內(nèi)流動(dòng)，總體上是錯(cuò)流的流動(dòng)方式。如果進(jìn)一步分析，殼程為混合流動(dòng)，管程是多股流動(dòng)，所以對(duì)數(shù)平均溫差都應(yīng)采用修正系數(shù)。修正系數(shù)通常較小。流體在板式換熱器內(nèi)的流動(dòng) ，總體上是并流或逆流的流動(dòng)方式，其溫差修正系數(shù)一般大于 0.8，通常為 0.95。 3：占地面積小 板式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積內(nèi)的換熱面積為管殼式換熱器的 25 倍，也不像管殼式換熱器那樣需要預(yù)留抽出管束的檢修場(chǎng)地，因此實(shí)現(xiàn)同樣的換熱任務(wù)時(shí)，板式換熱器的占地面積約為管殼式換熱器的 1/51/10。 4：重量輕 板式換熱器的板片厚度僅為 0.60.8mm，管殼式換熱器的換熱管厚度為 2.02.5mm；管殼式換熱器的殼體比板式換熱器的框架重得多。在完成同樣的換熱任務(wù)的情況下，板式換熱器所需要的換熱面積比管殼式換熱器 的小。 5：價(jià)格低 在使用材料相同的前提下，因?yàn)榭蚣芩枰牟牧陷^少，所以生產(chǎn)成本必然要比管殼式換熱器低。 6：末端溫差小 管殼式換熱器，在殼程中流動(dòng)的流體和換熱面交錯(cuò)并繞流，還存在旁流，而板式換熱器的冷、熱流體在板式換熱器內(nèi)的流動(dòng)平行于換熱面，且無(wú)旁流，這樣使得板式換熱器的 7 末端溫差很小，對(duì)于水 水換熱可以低于 1，而管殼式換熱器大約為 5，這對(duì)于回收低溫位的熱能是很有利的。 7：污垢系數(shù)低 板式換熱器的污垢系數(shù)比管殼式換熱器的污垢系數(shù)小得多，其原因是流體的劇烈湍流，雜質(zhì)不宜沉積；板間通道的流通死區(qū)?。徊讳P 鋼制造的換熱面光滑、且腐蝕附著物少，以及清洗容易。 8：多種介質(zhì)換熱 如果板式換熱器安裝有中間隔板，則一臺(tái)設(shè)備可以進(jìn)行三種或三種以上介質(zhì)的換熱。 9：清洗方便 板式換熱器的壓緊板卸掉后，即可松開(kāi)板束，卸下板片，進(jìn)行機(jī)械清洗。 10：容易改變換熱面積或流程組合 只需要增加（或減少）板片，即可達(dá)到需要增加（或減少）的換熱面積。 2.2 缺點(diǎn) 1：工作壓力在 2.5MPa 以下 板式換熱器是靠墊片進(jìn)行密封的，密封的周邊很長(zhǎng)，而且角孔的兩道密封處的支撐情況較差，墊片得不到足夠的壓緊力，所以目前板式換熱器的最高工作壓力僅 為 2.5MPa；單板面積在 1m2以上時(shí)，其工作壓力往往低于 2.5MPa。 2：工作溫度在 250以下 板式換熱器的工作溫度決定于密封墊片能承受的溫度。用橡膠類(lèi)彈性墊片時(shí)，最高工作溫度在 200以下；用壓縮石棉絨墊片 (Caf)時(shí)，最高工作溫度為 250260。 3：不宜于進(jìn)行易堵塞通道的介質(zhì)的換熱 板式換熱器的板間通道很窄，一般為 35mm，當(dāng)換熱介質(zhì)中含有較大的固體顆?；蚶w維物質(zhì)，就容易堵塞板間通道。對(duì)這種換熱場(chǎng)合，應(yīng)考慮在入口安裝過(guò)濾裝置，或采用再生冷卻系統(tǒng)。 2.3 應(yīng)用 板式換熱器早期只應(yīng)用于牛奶高溫 滅菌、果汁加工、啤酒釀造等輕工業(yè)部門(mén)。隨著制造技術(shù)的提高，出現(xiàn)了耐腐蝕的板片材料和耐溫、耐腐蝕的墊片材料，板片也逐漸大型化?，F(xiàn)代的板式換熱器廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)中，進(jìn)行液 液、氣 液、汽 液，換熱和蒸發(fā)、冷凝等工藝過(guò)程。諸如：化學(xué)工業(yè)、食品工業(yè)、冶金工業(yè)、石油工業(yè)、電站、核電站、海 8 洋石油平臺(tái)、機(jī)械工業(yè)、污水處理、民用建筑工業(yè)等。 第 3 章 板式換熱器熱力及相關(guān)計(jì)算 熱力計(jì)算的目的在于使所設(shè)計(jì)的換熱器在服從傳熱方程式的基礎(chǔ)撒謊能夠滿(mǎn)足熱負(fù)荷所應(yīng)具有的換熱面積、傳熱系數(shù)、總傳熱系數(shù)、平均溫差等綜合方面的計(jì)算。 3.1 確定總傳熱系數(shù)的途徑 在設(shè)計(jì)計(jì)算板式換熱器時(shí)，總傳熱系數(shù)的確定可通過(guò)兩條途徑： （一）選用經(jīng)驗(yàn)公式 有設(shè)計(jì)者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或從有關(guān)參考書(shū)籍、有關(guān)性能測(cè)定的實(shí)驗(yàn)報(bào)告中，選用與工藝條件相仿、設(shè)備類(lèi)型類(lèi)似的換熱器的總傳熱系數(shù)值作為設(shè)計(jì)依據(jù)。 表 3-1 列出了一般情況下板式換熱器的總傳熱系數(shù)值。 表 3-1 板式換熱器的經(jīng)驗(yàn)總傳熱系數(shù) K 值 物料 水 水 水蒸氣 油 冷水 油 油 油 氣 水 K(W/m2. ) 28004650 870930 400580 175350 2858 （二）計(jì)算確定 在設(shè)計(jì) 計(jì)算中，常常需要知道比較準(zhǔn)確的總傳熱系數(shù)值，這可以通過(guò)總傳熱系數(shù)的計(jì)算確定。但由于計(jì)算傳熱系數(shù)的公式有一定誤差及污垢熱阻也不容易準(zhǔn)確估計(jì)等原因，計(jì)算得到的總傳熱系數(shù)值與實(shí)際情況也會(huì)有出入。 3.2 總傳熱系數(shù)的計(jì)算 （一）由熱阻關(guān)系求解 在板式換熱器中，熱量從高溫物體傳向低溫物體的過(guò)程中，通常存在著五項(xiàng)熱阻：板片熱側(cè)流體傳熱熱阻 1/1，污垢層熱阻 Rs1，板片熱阻 /，板片冷側(cè)流體傳熱熱阻 1/2，污垢層熱阻 Rs2。它們之和即為總熱阻，總熱阻的倒數(shù)也就是總傳熱系數(shù)，故其計(jì)算式為： （二）由傳熱方程求解 傳熱的基本方程式為 Q=KAtm 9 由此可求得總傳熱系數(shù) K=Q/(Atm)。 1：換熱量 Q 的計(jì)算 換熱量 Q 的計(jì)算可根據(jù)具體情況，分別在下列各式中選用： 單相流體的吸、放熱 Q=qmcp(t-t) 或 Q=qm(i-i) 2：平均溫差 tm 的求解 平均溫差 tm 的求解通常采用修正逆流情況下對(duì)數(shù)平均溫差 tm 的辦法，即先按逆流考慮再進(jìn)行修正： tm=t1m 按逆流考慮時(shí)的對(duì)數(shù)平均溫差為 式中 、 分別為逆流時(shí)端部溫差中的最大值和最小值。 修正系數(shù) 隨冷、熱流體的相對(duì)流動(dòng)方向的不同組合而異，在串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián)時(shí)可分別由圖 2-4、圖 2-5 來(lái)確定：（也可以采用由 Marriott 實(shí)驗(yàn)求得的修正系數(shù)，見(jiàn)圖 2-6） 圖 2-4 串聯(lián)時(shí)，板式換熱器的溫差修正系數(shù) 圖 2-5 并聯(lián)時(shí)，板式換熱器的溫差修正系數(shù) 10 圖 2-6 NTU 法 板式換熱器的溫差修正系數(shù) 如果流體的溫度沿傳熱面的變化不太大，例如當(dāng) / 2 時(shí)，可采用算術(shù)平均溫差代替對(duì)數(shù)平均溫 差，即： = ( - ) 采用上式計(jì)算出的平均溫差與采用對(duì)數(shù)平均溫差計(jì)算的結(jié)果相比較，其誤差在 4%范圍之內(nèi)，這在工程計(jì)算上是允許的。 3：流體比熱容或傳熱系數(shù)變化時(shí)的平均溫差 當(dāng)流體的比熱容不隨溫度變化時(shí)，流體溫度的變化與吸收或放出的熱量成正比，即成線性關(guān)系。 11 當(dāng)流體的比熱容變化不大時(shí)，可取某一溫度時(shí)的比熱容作為平均比熱容。如果在設(shè)計(jì)的溫度范圍內(nèi)，比熱容隨溫度的變化顯著（大于 23 倍 ），則用對(duì)數(shù)平均溫差的誤差很大，應(yīng)改用積分平均溫差。 4：換熱面積 A 的計(jì)算 在板式換熱器的計(jì)算中，換熱面積 A 應(yīng)采用有效換熱面積 (Ao為單板的有效換熱面積，Ae為總的有效換熱面積， Ne為總的有效傳熱板片數(shù) ) Ae=NeAo 3.3 傳熱系數(shù)的計(jì)算 對(duì)流傳熱系數(shù) 流體在板式換熱器的通道中流動(dòng)時(shí)，在湍流條件下，通常用下面的關(guān)聯(lián)式計(jì)算流體沿整個(gè)流程的平均對(duì)流傳熱系數(shù) uf 在計(jì)算 Re 數(shù)值時(shí)，所采用的當(dāng)量直徑 de應(yīng)該按下式計(jì)算 式中 As 通道截面積 (m2)； S 參與傳熱的周邊長(zhǎng) (m)。 在一般情況下，常用 下式計(jì)算當(dāng)量直徑 式中 板間的通道寬度 (m)； 板間距 (m)。 對(duì)于某些特殊結(jié)構(gòu)的板式換熱器，板片兩側(cè)的通道截面積并不相同 (稱(chēng)為非對(duì)稱(chēng)型結(jié)構(gòu) )，這是兩側(cè)的當(dāng)量直徑應(yīng)分別計(jì)算。 3.4 垢阻的確定 投入運(yùn)行的板式換熱器都將因與流體的接觸而在板片上結(jié)垢。由于垢層的導(dǎo)熱都比較差，所以污垢的形成即使其厚度很薄，也對(duì)傳熱會(huì)有較大的削弱，特別是在結(jié)垢嚴(yán)重，導(dǎo)致通道部分被堵塞的情況下將會(huì)使傳熱大大的惡化。為了衡量污垢對(duì)傳熱的影響，常用污垢熱阻 Rs 或其倒數(shù) 污垢系 數(shù) s 來(lái)度量，即 12 污垢熱阻的大小和流體種類(lèi)、流體流速、運(yùn)行溫度、流道結(jié)構(gòu)、傳熱表面狀況、傳熱面材料等多種因素有關(guān)。污垢在傳熱面上沉積速率一般都是先積垢較快，而后較慢，最后趨向于某一穩(wěn)定數(shù)。 由于板式換熱器中的高端流度、一方面可使污垢的聚集量減小，同時(shí)還起到?jīng)_刷清洗作用，所以板式換熱器中垢層一般都比較薄。美國(guó)傳熱研究公司對(duì)水冷卻塔所用的板式和管殼式換熱器結(jié)垢的實(shí)驗(yàn)研究表明，板式換熱器的污垢熱阻不到管殼式的一半。板式換熱器中的具體污垢熱阻值，詳見(jiàn)表 2-2 所示： 表 2-2 板式換熱器中的污垢熱阻值 液 體 名 稱(chēng) 污 垢 熱 阻 (m2. /W) 液 體 名 稱(chēng) 污 垢 熱 阻 (m2. /W) 軟水或蒸餾水 0.000009 機(jī)器夾套水 0.000052 城市用軟水 0.000017 潤(rùn)滑油水 0.0000090.000043 城市用硬水（加熱時(shí)） 0.000043 植物油 0.0000070.000052 處理過(guò)的冷卻水 0.000034 有機(jī)溶劑 0.0000090.000026 沿海海水或港灣水 0.000043 水蒸氣 0.000009 大洋的海水 0.000026 工藝流體、一般流 體 0.0000090.000052 河水、運(yùn)河水 0.000043 第 4 章 計(jì)算類(lèi)型及工程設(shè)計(jì)一般原則 4.1 計(jì)算的類(lèi)型 1：設(shè)計(jì)計(jì)算 通常，兩側(cè)流體的流量及四個(gè)進(jìn)、出口溫度中的任意三個(gè)已給定，要求計(jì)算出在滿(mǎn)足一定壓力限制條件下的有效傳熱面積與流程、通道排列組合方式。 2：校核計(jì)算 與設(shè)計(jì)計(jì)算相反，換熱面積以及流道布置都已經(jīng)已知的，而且冷、熱流體的流量以及進(jìn)出口溫度也為已知值，要求核算在該通道布置方案下，流體出口溫度能否達(dá)到預(yù)定目標(biāo)及壓力降是否滿(mǎn)足要求值。 13 對(duì)于上述的兩種不同類(lèi)型的計(jì)算所依據(jù) 的基本原理是完全一致的，但是他們?cè)谟?jì)算方法或步驟上存在著很大的差別。事實(shí)上，在作某一換熱場(chǎng)合的工程設(shè)計(jì)的時(shí)候，往往需要兩種類(lèi)型的計(jì)算均要用到。即先用設(shè)計(jì)計(jì)算算法求出換熱面積與通道布置，再利用校核計(jì)算程序核定這個(gè)面積與布置是否完成預(yù)定的換熱任務(wù)。 4.2 工程設(shè)計(jì)、計(jì)算的一般原則 在設(shè)計(jì)、計(jì)算一臺(tái)換熱器的時(shí)候，應(yīng)分析其設(shè)計(jì)壓力、涉及溫度、介質(zhì)特性、經(jīng)濟(jì)性等因素，并和其他換熱器設(shè)備進(jìn)行一定程度上的比較（如：板式換熱器與管殼式換熱器的一般比較）。確定采用板式換熱器后，具體的設(shè)計(jì)計(jì)算的原則為下面幾個(gè)方面： （一）選擇板片的波紋型式 板片的波紋型式只要有人字形波紋和水平平直波紋兩種。人字形波紋板的承壓能力可高于 1.0MPa，水平平直波紋板片的承壓能力一般都在 1.0MPa 左右；人字形波紋板片的傳熱系數(shù)和流體阻力都高于水平平直波紋板片。選擇板片的波紋型式，主要考慮板式換熱器的工作壓力、流體的壓力降和傳熱系數(shù)。如果工作壓力在 1.6MPa 以上，則別無(wú)選擇的要采用人字形波紋板片；如果工作壓力不高，又特別要求阻力降低，則選用水平平直波紋板片較好一些；如果由于安裝位置所限，需要較高的換熱效率以減少換熱器占地面積，而阻力降可以 不受限制，則應(yīng)選用人字形波紋板片。 （二）單板面積的選擇 單板面積過(guò)小，則板式換熱器的板片數(shù)多，也使得占地面積增大，程數(shù)增多，導(dǎo)致阻力降增大；反之，雖然占地面積和阻力降減小了，卻難以保證板間通道必要的流速。單板面積可按流體流過(guò)角孔的速度為 6m/s 左右考慮。按角孔中速度為 6m/s 時(shí)，則各種單板面積組成的板式換熱器處理量見(jiàn)表 3-3。 表 3-3 單臺(tái)最大處理量參考值 單板面積（ m2） 0.1 0.2 0.3 0.5 0.8 1.0 2.0 角孔直徑（ mm） 4050 6580 80100 125150 175200 200250 400 單臺(tái)最大流通能力（ m3/h） 2742 71.4137 103170 264381 520678 6781060 2500 14 （三）流速的選取 流體在板間的流速，影響換熱性能和流體的壓力降，流速高雖然換熱系數(shù)高，但是流體的阻力降也增大；反之的情況則相反。一般板間平均流速為 0.20.8m/s（主流線上的流速要比平均值高 45 倍）。流速低于 0.2m/s 時(shí)流體就達(dá)不到湍流狀態(tài)且會(huì)形成較大的死角區(qū)，流速過(guò)高則會(huì)導(dǎo)致阻力降劇增。具體設(shè)計(jì)時(shí)，可以先確定一個(gè)流速 ，計(jì)算其阻力降是否在給定的范圍內(nèi)；也可按給定的壓力降求出流速的初選值。 （四）流程的選取 對(duì)于一般對(duì)稱(chēng)型流道的板式換熱器，兩流體的體積流量大致相當(dāng)時(shí)，應(yīng)盡可能按等程布置；如果兩側(cè)流量相差懸殊時(shí)，則流量小的一側(cè)可采取多流程布置。相變板式換熱器的相變一側(cè)一般均為單程。多程換熱器，除非特殊的需要，一般對(duì)同一流體在各程中應(yīng)采取相同的流道數(shù)。 在給定的總允許壓降下，多程布置使每一程對(duì)應(yīng)的允許壓降變小，迫使流速降低，對(duì)換熱不利。此外，不等程的多程布置是平均傳熱溫差減小的重要原因之一，應(yīng)盡可能避免。 （近年來(lái)國(guó)產(chǎn)的板式換 熱器出現(xiàn)了非對(duì)稱(chēng)通道的板式換熱器，國(guó)外則采取“熱混合”的板片組合方式，即允許熱量 流量 壓降三者之間的不匹配的問(wèn)題，同時(shí)節(jié)省換熱面積） （五）流體的選取 單相換熱時(shí)，逆流具有最大的平均傳熱溫差。在一般換熱器的工程設(shè)計(jì)中都盡量把流體布置為逆流。對(duì)板式換熱器來(lái)說(shuō)，要做到這一點(diǎn)，兩側(cè)必須為等程。若安排為不等程，則順逆流需交替出現(xiàn)，此時(shí)的平均傳熱溫差將明顯小于純逆流時(shí)。 在相變換熱時(shí)順流布置與逆流布置平均溫差的區(qū)別比單相換熱時(shí)小，但由于這時(shí)牙尖大小與流向有密切關(guān)系，所以相對(duì)流向的選擇將主要考慮壓降因素，其次才是平均 溫差。其中要特別注意的是，有相變的流體除不宜采用多程外，還要求要從板片的上部進(jìn)，下部出，以便排除冷凝液體。 （六）并聯(lián)流道數(shù)的選取 一程中并聯(lián)流道數(shù)的數(shù)目視給定流量及選取的流速而定，流速的高低受制于允許壓降，在可能的最大流速以?xún)?nèi)，并聯(lián)流道數(shù)目取決于流量的大小。 （七）選擇半片材料 根據(jù)介質(zhì)的腐蝕性能來(lái)選擇板片的材料。國(guó)外制造板片的材料品種繁多，有較大的選擇余地（見(jiàn)表 1-4）。我國(guó)制造板片的材料主要有不銹鋼和鈦等，在選擇的耐腐蝕材料基礎(chǔ) 15 上，在輔以增加板片厚度或防腐處理來(lái)延長(zhǎng)板片的使用壽命。 （八）墊片材料的選 擇 所選擇墊片的材料主要考慮耐溫和耐腐蝕兩個(gè)因素。 （九）其他 1：板式換熱器一般不適用于氣體的熱交換。 2：進(jìn)行易爆、易燃介質(zhì)換熱的板式換熱器的設(shè)計(jì)壓力，至少要比介質(zhì)的工作壓力高出一個(gè)公稱(chēng)級(jí)別以上。而墊片的耐溫、耐腐蝕性能必須可靠。 3：進(jìn)行強(qiáng)腐蝕介質(zhì)（如：硫酸）換熱的板式換熱器，其板束周?chē)嗽O(shè)置一個(gè)防護(hù)罩。 4：對(duì)雜質(zhì)較多的介質(zhì)進(jìn)行換熱時(shí)，介質(zhì)的進(jìn)口管道上最好設(shè)置過(guò)濾器，單程排列。此外還應(yīng)盡可能選用通道間隙較大的板片。 5：對(duì)工作壓力和工作溫度都較高的工況，可拆式板式換熱器無(wú)法適應(yīng)時(shí)，應(yīng)采用焊接式板式換 熱器。 第 5 章 板式換熱器熱力計(jì)算實(shí)際應(yīng)用 初始條件： （ 1）高溫淡水進(jìn)口 水溫為： 83； （ 2）高溫淡水出口 水溫為： 60； （ 3）高溫冷卻淡水流量 為 ： 55m3/h； （ 4）低溫淡 水 進(jìn)口 水溫為： 35； （ 5）低溫淡 水 出口 水溫為： 55； （ 6）允許最大壓力降： 0.1Mpa； （ 7） 冷卻器結(jié)構(gòu)類(lèi)型：板式換熱器。 熱水的平均溫度為： (83+60)/2=71.5 物性參數(shù)為：密度h= 976.9kg/ 3m 比熱容phC= 4.188kJ/(kg K) 運(yùn)動(dòng)粘度h= 0.408 610 2m /s 熱導(dǎo)率h= 0.669 W/(mK) 普朗特?cái)?shù) Prh=2.50 冷卻水的平均溫度為：（ 35+55） /2=45 16 物性參數(shù)為：密度c= 990.15kg/ 3m 比熱容pcC= 4.174kJ/(kg K) 運(yùn)動(dòng)粘度c=0.607 610 2m /s 熱導(dǎo)率c= 0. 642W/(mK) 普朗特?cái)?shù) Prc=3.93 (1)計(jì)算熱負(fù)荷 Q = hhV phC(hithot) =976.9 553600 4.188( 83-60)= 1438KJ （ 2）計(jì)算對(duì)數(shù)平均溫差及冷卻水流量 取修正系數(shù) = 0.942， mtV=1212ln( / )ttttVVVV =0.942 ( 8 3 5 5 ) ( 6 0 3 5 )l n ( 8 3 5 5 ) / ( 6 0 3 5 ) =24.9 根據(jù)熱負(fù)荷計(jì)算冷卻水流量 : cG=()pc co ciQC t t 1 4 3 8 3 6 0 04 .1 7 4 ( 5 5 3 5 )=62012kg/h （ 3）初選產(chǎn)品型號(hào)及板型 根據(jù)流量，取管間流速 v = 4m/s，計(jì)算換熱器角孔通徑 : d= 43600hV= 4 5 53600 4=0.07m 選用通用性較強(qiáng)的人字形波紋。初選型號(hào)為 BR0.3的板式換熱器，單片面積 As =0.27m2 ，通徑為 d=100mm，當(dāng)量直徑為 de=0.008m，流道截面積為 f =1.26 10-3 m2，板片厚度取 = 0.6mm。 準(zhǔn)則方程為 : hNu=0.2288Reh0.6461Prh0.3 ( 3700Re12000） cNu=0.2288Rec0.6461Prc0.4 ( 2600Re8000） hEu=54Reh-0.0302 ( 3700Re12000） 17 cEu=199Rec-0.1817 ( 2600Re8000） 重新計(jì)算管間流速 : h 24v 3600 hV d 24 5 53 6 0 0 3 .1 4 0 .1=1.95m/s c 24v 3600 ccG d 2 9 9 0 . 1 54 6 2 0 1 23 3 . 1 4 .00 16 0 =2.22m/s 都在可接受的范圍內(nèi)。 （ 4）計(jì)算板間流速 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以及 BR0.3 型板式換熱器的特性，預(yù)估換熱系數(shù) K0=3000 W/(m2 K)。對(duì)一般人字形波紋，可預(yù)估 K值為 30003500 W/(m2 K) 換熱面積估算為 : A0=0 mQKt 31438 103000 26.5 =18.1 m2 換熱板片數(shù)量為 : 0SAA 18.10.27 68 預(yù)選流程組合為 1 341 34,校核板間流速 : -3-355 0 . 3 6 /3 6 0 0 3 6 0 0 1 . 2 6 1 0 3 462012 0 . 4 1 /3 6 0 0 3 6 0 0 9 9 0 . 1 5 1 . 2 6 1 0 3 4hhcccV msfnG msfn （ 5）計(jì)算雷諾數(shù) 660 . 3 6 0 . 0 0 8R e 7 0 5 90 . 4 1 0 . 0 0 8R0 . 4 0 8 1 0 ?0 . 6 0 7 1 0 ?e 5 4 0 4hehhceccdd 均在準(zhǔn)則方程適用范圍內(nèi)。 （ 6）計(jì)算努塞爾數(shù) 0 . 6 4 6 1 0 . 3 0 . 6 4 6 1 0 . 30 . 2 2 8 8 R e P r 0 . 2 2 8 8 7 0 5 9 2 . 5 9 2h h hNu 0 . 6 4 6 1 0 . 4 0 . 6 4 6 1 0 . 40 . 2 2 8 8 R e P r 0 . 2 2 8 8 5 4 0 4 3 . 9 3 1 0 2c c cNu 18 (7) 計(jì)算傳熱系數(shù) 229 2 0 . 6 6 9 7 6 9 4 / ( )0 . 0 0 81 0 2 0 . 6 4 2 8 1 8 6 / ( )0 . 0 0 8hhheccceNu W m KdNu W m Kd (8) 計(jì)算總換熱系數(shù) 取冷熱兩側(cè)污垢熱阻和為 R =0.52 10-4 m2K/W , 2341 2 9 4 3 / ( )1 0 . 6 1 0 10 . 5 2 1 07 6 9 4 1 6 . 8 8 1 8 6K W m K （ 9）計(jì)算所需換熱面積 3 211 4 3 8 1 0 1 9 . 62 9 4 3 2 4 . 9mQAmKt 所需換熱面積 A1比預(yù)估換熱面積 A0略大，誤差 8%，可以達(dá)到預(yù)期換熱效果。 總片數(shù)為： 19.6 0.27=72片，取流