1、第一章 概 論1.1綜 述1.1.1板式換熱器發展簡史目前板式換熱器已成為高效、緊湊的熱交換設備，大量地應用于工業中。它的發展已有一百多年的歷史。德國在1878年發明了板式換熱器，并獲得專利，到1886年，由法國m.malvazin首次設計出溝道板板式換熱器，并在葡萄酒生產中用于滅菌。apv公司的r.seligman在1923年成功地設計了可以成批生產的板式換熱器，開始時是運用很多鑄造青銅板片組合在一起，很像板框式壓濾機。1930年以后，才有不銹鋼或銅薄板壓制的波紋板片板式換熱器，板片四周用墊片密封，從此板式換熱器的板片，由溝道板的形式跨入了現代用薄板壓制的波紋板形式，為板式換熱器的發展奠定了

2、基礎。與此同時，流體力學與傳熱學的發展對板式換熱器的發展做出了重要的貢獻，也是板式換熱器設計開發最重要的技術理論依據。如：19世紀末到20世紀初，雷諾（reynolds）用實驗證實了層流和紊流的客觀存在，提出了雷諾數為流動阻力和損失奠定了基礎。此外，在流體、傳熱方面有杰出貢獻的學者還有瑞利（reyleigh）、普朗特（prandtl）、庫塔（kutta）、儒可夫斯基（ ）、錢學森、周培源、吳仲華等。通過廣泛的應用與實踐，人們加深了對板式換熱器優越性的認識，隨著應用領域的擴大和制造技術的進步，使板式換熱器的發展加快，目前已成為很重要的換熱設備。近幾十年來，板式換熱器的技術發展，可以歸納為以下幾個

3、方面。1：研究高效的波紋板片。初期的板片是銑制的溝道板，至三四十年代，才用薄金屬板壓制成波紋板，相繼出現水平平直波紋、階梯形波紋、人字形波紋等形式繁多的波紋片。同一種形式的波紋，又對其波紋的斷面尺寸波紋的高度、節距、圓角等進行大量的研究，同時也發展了一些特殊用途的板片。2：研究適用于腐蝕介質的板片、墊片材料及涂（鍍）層。3：研究提高使用壓力和使用溫度。4：發展大型板式換熱器。5：研究板式換熱器的傳熱和流體阻力。6：研究板式換熱器提高換熱綜合效率的可能途徑。1.1.2我國設計制造應用情況我國板式換熱器的研究、設計、制造，開始于六十年代。1965年，蘭州石油化工機器廠根據一些資料設計、制造了單板換

4、熱器面積為0.52m2的水平平直波紋板片的板式換熱器，這是我國首家生產的板式換熱器，供造紙廠、維尼綸廠等使用。八十年代初期，該廠又引進了w.schmidt公司的板式換熱器制造技術，增加了板式換熱器的品種。1967年，蘭州石油機械研究所對板片的六種波紋型式作了對比試驗，肯定了人字形波紋的優點，并于1971年制造了我國第一臺人字形波紋板片（單板換熱面積為0.3m2）的板式換熱器，這對于我國板式換熱器采用波紋型式的決策起了重要的作用。1983年，蘭州石油機械研究所組織了板式換熱器技術交流會，對板片的制造材料、板片波紋型式、單片換熱面積、板式換熱器的應用等方面進行了討論，促進了我國板式換熱器的發展。國

5、家石油鉆采煉化設備質量監測中心還對板式換熱器的性能進行了大量的測定。清華大學于八十年代初期，對板式換熱器的換熱、流體阻力和優化等方面進行了理論研究，認為板式換熱器的換熱，以板間橫向繞流作為換熱物理模型，該校還對板式換熱器的熱工性能評價指標及板式換熱器的計算機輔助設計進行了研究。近幾十年來，他們還作了大量的國產板片的性能測定。河北工學院就板式換熱器的流體阻力問題進行了研究，認為只有當板片兩側的壓差相等或壓差很小時，板片以自身的剛性使板間距保持在設計值上，否則板片會發生變形，致使板間距發生變化，出現受壓通道和擴張通道。其次，他們把板式換熱器的流體阻力分解為板間流道阻力和角孔道阻力（包括進、出口管）

6、進行整理，得到一種新的流體阻力計算公式。天津大學對板式換熱器的兩相流換熱及其流體主力計算進行了大量的研究，得出考慮因素比較全面的換熱計算公式。近年來，研制了非對稱型的板式換熱器，進行了國產板式換熱器的性能測定及優化設計等工作。華南理工大學、大連理工大學等高等院校和科研單位，也對板式換熱器的換熱、流體阻力理論或工程應用方面作了很多有益的工作。進入二十一世紀以來，我過的板式換熱器研究取得了長足的進步，在借鑒國外先進經驗的同時，也逐漸形成了自己的一套設計開發模式，與世界領先技術的差距進一步縮小。我國板式換熱器的制造廠家有四五十家、年產各種板式換熱器數千臺計，但是我國的板式換熱器的應用遠不及國外，這與

7、人們對板式換熱器的了解程度、使用習慣以及國內產品的水平有關。七十年代，板式換熱器主要應用于食品、輕工、機械等部門；八十年代也僅僅是應用到民用建筑的集中供熱；八十年代中期開始，在化工工藝流程中較苛刻的場合也出現了板式換熱器的身影。由于人們對板式換熱器工作原理、熱力計算、校驗等不熟悉的原因，使得板式換熱器在開發到應用的時間跨度上，花費了較多的時間。1.1.3國外著名廠家及其產品現在，世界上各工業發達國家都制造板式換熱器，其產品銷往世界各地。最著名的廠家有英國apv公司、瑞典alfa-laval公司、德國gea公司、美國omexel公司、日本日阪制作所等。（一）：英國apv公司。apv公司的rich

8、ard seligman博士于1923年就成功設計了第一臺工業性的板式換熱器。其在國外有20個聯合公司，遍及美、德、法、日、意、加等國。seligman設計的板式換熱器板片為塞里格曼溝道板。三十年代后期，英國人goodman提出的階梯形斷面的平直波紋，性能并不十分優越。目前apv公司生產的板式換熱器稱為paraflow，其波紋多屬人字形波紋，最大單板換熱面積為2.2m2，單臺換熱器最大流量為2500m3/h。換熱器最高使用溫度為260、最大使用壓力為2.0mpa、最大的單臺換熱面積為1600m2。apv公司換熱器產品情況如表1-1:表1-1 apv公司主要的板式換熱器板式換熱器型 號最高工作

9、壓 力(mpa)單板換熱 面 積(m2)半片外型尺寸 長x寬 (mm x mm)單臺最多 板 片 數長管尺寸（mm）sr11.030.0258570x21015038hmb0.690.341114x31818751sr351.550.341152x39241475r401.370.381150x445409102,127,152r552.060.521156x416362102r560.930.521156x416350102r1060.691.0781984x712427300r2350.832.22739x1107729400板式換熱器型 號最高工作 壓 力(mpa)單板換熱 面 積(m2

10、)半片外型尺寸 長x寬 (mm x mm)單臺最多 板 片 數長管尺寸（mm）(表1-1續)（二）：alfa-laval公司。alfa-laval公司制造的板式換熱器，其銷售遍布99個國家，從該公司于1930年生產的第一臺板式巴氏滅菌器開始，已有60多年的歷史。公司在1960年就采用了人字形波紋板片；1970年發展了釘焊板式換熱器；1980年對葉片的邊緣做了改造，以增強抗壓能力。該公司的標準產品性能：最高工作壓力2.5mpa；最高工作溫度250；最大單臺流量3600m3/h；總傳熱系數35007500w/(m2.k)；每臺換熱面積0.12200m2；最大接管尺寸450mm。（三）：gea ah

11、lborn公司。該公司現有free-flow和varitherm兩個系列產品。前者抗壓能力差，后者為人字形波紋片。free-flow為弧形波紋板片，其結構特殊，板片的斷面是弧狀，而且分割成幾個獨立的流道，相鄰兩板波紋之間無支點，靠分割流道的墊片作支撐，以抗壓力差。顯而易見，這種板片的承壓能力較低。varitherm為人字形波紋板片，一般情況下，同一外形尺寸和墊片中心線位置的板片，有縱向人字形和橫向人字形兩種形式。gea ahlborn的板式換熱器技術特性如表1-2：表1-2 gea ahlborn公司主要板式換熱器技術特性型號板片最高工作壓 力(mpa)最高工作溫 度()最大流量(m3/h)波

12、紋型式外形尺寸長x寬(mm)單板換熱面積（m2）free-flow157一列弧形670x2500.09155159二列弧形1065x3300.29215161三列弧形0.5430varitherm4p縱人字形510x1280.001122.52601510縱人字形781x2130.1151.62503520縱/橫人字形992x3360.261.625010040縱/橫人字形1392x4240.461.6250220402縱/橫人字形654x4240.1481.6250220405縱/橫人字形1091x4240.801.625022080縱/橫人字形1754x6100.811.625050080

13、5縱/橫人字形1194x6100.401.6250500130縱/橫人字形2195x8101.281.625015001306縱/橫人字形1635x8100.811.625015001309縱/橫人字形2008x8101.411.62501500注：縱/橫人字形，指有縱向人字形和橫向人字形兩種波紋板片。（四）：w.schmidt公司。公司早期生產截球形波紋片（sigma-20），因性能欠佳已不再生產。該公司的sigma板片，除小面積的為水平平直波紋外，都為人字形波紋，而且同一單板面積和同一外形尺寸、墊片槽尺寸的板片有兩種人字角的人字形波紋，增加了組合形式，以適應各種工況的需要。w.schmid

14、t公司的板式換熱器，一般工作壓力為1.6mpa，最小的單板換熱面積為0.035m2、最大的單板換熱面積為1.55m2。（五）：hisaka(日阪制作所)公司。在1954年，公司研究成功ex-2型板片；現在，該公司有水平平直波紋板和人字形波紋板兩種。其板式換熱器技術特性見表1-3：表1-3 hisaka公司板式換熱器技術特性型號單位換熱面 積(m2)處理量(m3/h)最高工作壓 力(mpa)最高工作溫 度()最大單臺換熱面積(m2)備注水平平直波紋板片ex-10.157230.420015ex-150.3141401.220060ex-160.552401.2200150ex-110.71460

15、1.2200150ex-120.88831.0200260人字形波紋板片ux-010.087361.52.02005ux-200.3751401.52.0200100h.lux-400.765401.51.8200250h.lux-601.1690011.3200500h.lux-801.70152011.3200800h.l注：h.l-為有兩種不同人字角的板片。（六）：omexell(歐梅塞爾)公司。omexell公司提供的板式換熱器包含拼裝式、釬焊式、“寬間隙”自由流、雙壁式、半焊式、多段式等系列，作為一家成功的板式換熱器公司，所提供的交換熱方案也是綜合性的。公司所生產的產品符合壓力容器規

16、范和質量保證體系:美國asme日本jis標準美國3a衛生標準中國gb16409-1996iso9001/14001/18000omexell公司產品提供的材料、材質特性（表1-4、表1-5、表1-6、表1-7）：表1-4板片材質不銹鋼aisi304/316/316l凈水、河川水、食用油、礦物質sm0254稀硫酸、無機水溶液鈦及鈦鈀海水、鹽水、鹽化鎳高溫、高濃度苛性鈉哈氏合金濃硫酸、鹽酸、磷酸鉬稀硫酸、無機水溶液石墨鹽酸、中濃度硫酸、磷酸、氟酸表1-5墊片材質丁腈橡膠水、海水、礦物質、鹽水110-140三元乙丙膠熱水、蒸汽、酸、堿150-170氟橡膠高溫水、酸、堿、有機溶劑180氯丁橡膠酸、堿、

17、礦物質、潤滑油130硅橡膠食品、油、脂肪、酒精180-220石棉260表1-6框架材質標準碳鋼特殊包不銹鋼/全不銹鋼表1-7接口材質標準ss 不銹鋼村套特殊定情橡膠 三元乙丙膠 哈氏合金 鈦及其他合金藉由各國公司的發展情況不難發現，板式換熱器的整個發展，其最終目的都是圍繞著如何提高熱交換效率。早期的發展由于技術限制，主要發展的就是結構、板型，通過優化、熱力計算及分析，這些優化的方法都是可行的。進入現代以后，板式換熱器的發展著重于材料的選擇以及結構上的細節優化。1.2 板式換熱器基本構造1.2.1整體結構板式換熱器的結構相對于板翅式換熱器、殼管式換熱器和列管式換熱器比較簡單，它是由板片、密封墊片

18、、固定壓緊板、活動壓緊板、壓緊螺柱和螺母、上下導桿、前支柱等零部件所組成，如圖1-1所示：圖1-1 板式換熱器結構示意圖板片為傳熱元件，墊片為密封元件，墊片粘貼在板片的墊片槽內。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壓緊板之間，用壓緊螺柱將固定壓緊板、板片、活動壓緊板夾緊。壓緊板、導桿、壓緊裝置、前支柱統稱為板式換熱器的框架。按一定規律排列的所有板片，稱為板束。在壓緊后，相鄰板片的觸點互相接觸，使板片間保持一定的間隙，形成流體的通道。換熱介質從固定壓緊板、活動壓緊板上的接管中出入，并相間地進入板片之間的流體通道，進行熱交換。圖1-1所示板式換熱器

19、為可拆式板式換熱器，其原理就是在上導桿處安裝了活動滑輪、頂壓裝置，在增減板片的時候，可以通過該滑輪調節換熱器內可安裝板片數量，頂壓裝置加固整體結構牢固性；而對于一些小型的板式換熱器，則沒有該裝置，而是直接地將固定壓緊板和活動壓緊板通過導桿固定連接起來，這種結構沒有清洗空間，清洗、檢查時，板片不能掛在導桿上，雖然這樣的結構輕便簡易，但對大型的、需經常清洗的板式換熱器不太適用。對于要進行兩種以上介質換熱的板式換熱器，則需要設置中間隔板。在乳品加工的巴氏滅菌器中，為了增加在滅菌溫度下乳品的停留時間，通常需要在滅菌器的特定位置上安裝延遲板。為了節約占地面積，apv公司和alfa-laval公司開發應用

20、了一種雙框架結構，該結構有兩種形式，第一種是公用一個檢修空間，左右各設一個固定壓緊板，中間設兩個活動壓緊板；第二種是共用中間的固定壓緊板，左、右各設一個活動壓緊板。雙框架的結構，可視為兩臺板式換熱器裝在一起。1.2.2流程組合方式為了使流體在板束之間按一定的要求流動，所有板片的四角均按要求沖孔，墊片按要求粘貼，然后有規律地排列起來，形成流體的通道，稱為流程組合。（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 ：從固定壓緊板開始，甲流體側流道數相等的流程數； n1，n2，ni ：m1，m2，mi中的流道數； m1，m2，mi ：從固定壓緊板開始，乙流體側流道數

21、相等的流程數； n1，n2，ni :：m1，m2，mi中的流道數。圖1-2 典型的流程組合1.2.3半片形式及其性能板片是板式換熱器的核心元件，冷、熱流體的換熱發生在板片上，所以它是傳熱元件，此外它又承受兩側的壓力差。從板式換熱器出現以來，人們構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。（一）常用形式板片按波紋的幾何形狀區分，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形式區分，有管狀流動、帶狀流動、網狀流動的波紋板片。（二）特種形式為了適應各種工程的需要，在傳統板式換熱器的基礎上相繼發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

22、的板片2：用于冷凝器的板片3：用于蒸發器的板片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1.2.4密封墊片板式換熱器的密封墊片是一個關鍵的零件。板式換熱器的工作溫度實質上就是墊片能承受的溫度；板式換熱器的工作壓力也相當程度上受墊片制約。從板式換熱器結構分析，密封周邊的長度(m)將是換熱面積(m2)的68倍，超過了任何其它類型的換熱器。1.2.5焊接式板式換熱器（一）半焊式板式換熱器半焊式板式換熱器的結構是每兩張波紋板焊接在一起，然后將它們組合在一起，彼此之間用墊片進行密封。焊接在一起的板間通道走壓力較高的流體，用墊片密封的板間通道走壓力較低的流體，所以這種板式換熱器提高了其中

23、一側的工作壓力。（二）全焊接式板式換熱器為了使板式換熱器適用于高溫、高壓下工作，將板片互相焊接在一起，在六十年代就有此類產品。alfa-laval公司生產的lamalla板式換熱器就是屬于全焊接式板式換熱器。但是這種結構制造困難，板片破損后也無法修復。1.2.6再生式冷卻系統再生式冷卻系統，就板式換熱器本身而言，和普通的板式換熱器沒有差別，只是在管線上增加了換向閥，并進行自動控制，變換兩流體的流向，使之反洗，以清除積存在板片上的雜質。1.3板式換熱器的優缺點及應用1.3.1優缺點人們通過科學研究和生產實踐，對板式換熱器的特點有了深刻的了解，并總結出一系列優缺點，通常是和管殼式換熱器加以比較，共

24、歸納為以下幾點：（一）優點1：傳熱系數高管殼式換熱器的結構，從強度方面看是很好的，但從換熱角度看并不理想，因為流體在殼程中流動時存在著折流板殼體、折流板換熱管、管束殼體之間的旁路。通過這些旁路的流體，并沒有充分地參與換熱。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生湍流。所以板式換熱器有較高的傳熱系數，一般情況下是管殼式換熱器的35倍。2：對數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流動，總體上是錯流的流動方式。如果進一步分析，殼程為混合流動，管程是多股流動，所以對數平均溫差都應采用修正系數。修正系數通常較小。流體在板式換熱器內的流動，總體上是并流或逆流的流動

25、方式，其溫差修正系數一般大于0.8，通常為0.95。3：占地面積小板式換熱器結構緊湊，單位體積內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留抽出管束的檢修場地，因此實現同樣的換熱任務時，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：價格低在使用材料相同的前提下，因為框架所需要的材料較少，所以生產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，

26、在殼程中流動的流體和換熱面交錯并繞流，還存在旁流，而板式換熱器的冷、熱流體在板式換熱器內的流動平行于換熱面，且無旁流，這樣使得板式換熱器的末端溫差很小，對于水水換熱可以低于1，而管殼式換熱器大約為5，這對于回收低溫位的熱能是很有利的。7：污垢系數低板式換熱器的污垢系數比管殼式換熱器的污垢系數小得多，其原因是流體的劇烈湍流，雜質不宜沉積；板間通道的流通死區小；不銹鋼制造的換熱面光滑、且腐蝕附著物少，以及清洗容易。8：多種介質換熱如果板式換熱器安裝有中間隔板，則一臺設備可以進行三種或三種以上介質的換熱。9：清洗方便板式換熱器的壓緊板卸掉后，即可松開板束，卸下板片，進行機械清洗。10：容易改變換熱面

27、積或流程組合只需要增加（或減少）板片，即可達到需要增加（或減少）的換熱面積。（二）缺點1：工作壓力在2.5mpa以下板式換熱器是靠墊片進行密封的，密封的周邊很長，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，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。用橡膠類彈性墊片時，最高工作溫度在200以下；用壓縮石棉絨墊片(caf)時，最高工作溫度為250260。3：不宜于進行易堵塞通道的介質的換熱板式換熱器的板間通道很窄，一般為35mm，當換熱介質中含有較

28、大的固體顆粒或纖維物質，就容易堵塞板間通道。對這種換熱場合，應考慮在入口安裝過濾裝置，或采用再生冷卻系統。1.3.2應用板式換熱器早期只應用于牛奶高溫滅菌、果汁加工、啤酒釀造等輕工業部門。隨著制造技術的提高，出現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。現代的板式換熱器廣泛地應用于各種工業中，進行液液、氣液、汽液，換熱和蒸發、冷凝等工藝過程。諸如：化學工業、食品工業、冶金工業、石油工業、電站、核電站、海洋石油平臺、機械工業、污水處理、民用建筑工業等。1.4 產品質量及產生的問題板式換熱器的零部件品種少，標準化、通用化程度高，所以制造工藝很容易實現規范化。國外大型的板式換熱器

29、制造廠都有自己的質量標準，但均不公開對外。目前尚無板式換熱器制造的國際標準或通用的先進標準。這就給產品的質量控制帶來了問題。我國根據自己的生產、使用實踐，并分析了國外產品的質量，制定了專業標準，即：zbj74001-87可拆卸板式換熱器技術條件、jb/tq540-87可拆卸板式換熱器性能測試方法、jb/tq538-87可拆卸板式換熱器質量分等。適用于輕工、醫藥、食品、石油、化工、機械、冶金、礦山、電力及船舶等部門。綜上所述，對板式換熱器的主要制造技術要求是：一、制造材料我國板式換熱器主要零部件的制造材料參見表1-6、表1-7。二、半片質量1：表面不允許超過厚度公差的凹坑、劃傷、壓痕等缺陷，沖切

30、毛刺必須清除干凈。2：食品工業用的板片，沖壓后其工作表面的粗糙度應不低于原板材。3：波紋深度偏差應不大于0.20mm，墊片槽深度偏差也不應大于0.20mm。4：成型減薄量應不大于原實際板厚的30%。5：任意方向的基面平行度不大于3/1000mm。三、墊片質量1：表面不允許有面積大于3mm2、深度大于1.5mm的氣泡、凹坑及其它影響密封性能的缺陷。2：物理性能和使用溫度應符合表1-8的規定：表1-8 墊片性能要求和使用溫度項目氯丁橡膠丁腈橡膠三元乙丙橡膠硅橡膠氟橡膠石棉纖維板性能扯斷強度(mpa)7.010.0扯斷伸長率(%)硬度 (邵氏a)752752805602805永久壓縮變形(%)使用溫

31、度-40100-20120-50150-65230-2020020350四、換熱性能板片的性能，在水水換熱、逆流運行、熱側定性溫差為40、兩側流速為0.5m/s條件下的總傳熱系數，對水平平直波板片，應大于2210w/(m2.k);對于人字形波紋板片，應大于2908w/(m2.k)。在第二章及以后章節，將會對板式換熱器的熱力計算進行重點、綜合的研究。五、液壓試驗以水為實驗液體，兩側應分別進行單側壓力試驗，試驗壓力為1.25倍設計壓力。試壓后應排除積水，吹干或晾干，然后再夾緊。第二章 板式換熱器熱力及相關計算2.1 傳熱過程板式換熱器中冷、熱流體之間的換熱一般都是通過流體的對流換熱（或相變換熱）、

32、垢層及板片的導熱來完成的，由于參與傳熱的流體通常都是液體而不是氣體，故不存在輻射換熱。（一）對流換熱對流和導熱都是傳熱的基本方式。對于工程上的傳熱過程，流體總是和固體壁面直接相接觸的。因此，熱量的傳遞一方面是依靠流體質點的不斷運動的混合，即所謂的對流作用；另一方面依靠由于流體和壁面以及流體各處存在溫差面造成的導熱作用。這種對流和導熱同時存在的過程，稱為對流換熱。由于引起流體流動的原因不同而使對流換熱的情況有很大的差異，所以將對流換熱分為兩大類。一類是自然對流（或稱自由流動）換熱，即因流體各部分溫度不同引起的密度差異所產生的流動換熱，如：空氣沿散熱器表面的自然對流換熱；另一類是強制對流（或稱為強

33、迫流動）換熱，即流體在泵或風機等外力作用下流動時的換熱，如：熱水在泵的驅動下，在管內流動時的換熱。一般情況下，強制流動時，流體的流速高于自由流動時，所以強制流動的對流換熱系數高。如：空氣的自由流動換熱系數約為525w/（m2.），而它的強制流動傳熱系數為10100w（m2.）。影響對流換熱的因素很多，如流體的物性（比熱容、導熱系數、密度、粘度等），換熱器表面形狀、大小，流體的流動方式，都會影響對流換熱，而且情況很復雜。在傳熱計算上為了方便，建立了以下的對流換熱量的計算公式（牛頓冷卻公式）：q=（tw-tf）a或q=（tw-tf）有該公式可見，影響對流換熱的因素都被歸結到對流換熱系數中，對流換熱

34、系數數值上的大小反映了對流換熱的強弱。（二）相變換熱在對流換熱中發生著蒸汽的凝結或液體的沸騰（或蒸發）的換熱過程，統稱為相變換熱。由于在這類換熱過程中，同時發生著物態的變化，情況要比單相流體中的對流換熱復雜得多，所以，相變換熱問題成為一個獨立的研究領域，而一般的對流換熱問題也就僅指單相流體而言。1：凝結換熱蒸汽和低于相應壓力下飽和溫度的壁面相接觸，在壁面上就會發生凝結。蒸汽釋放出汽化潛熱而凝結成液體，這種放熱現象稱為凝結換熱。按照蒸汽在壁面上的凝結形式不同，可分為兩種凝結。一種為膜狀凝結，即凝結液能很好地潤濕壁面，凝結液以顆粒狀液珠的形式附著在壁面上，如水蒸汽在有油的壁面上凝結情況。膜狀凝結時

35、所釋放出來的潛熱必須通過凝結膜才能供給較低溫度的壁面，顯然，這層液膜成為一項熱阻。而珠狀凝結時，換熱是在蒸汽與液珠表面和蒸汽與裸露的冷壁間進行的，所以膜狀凝結傳熱系數要比珠狀凝結傳熱系數低，如：水蒸汽在大氣壓下，膜狀凝結傳熱系數約為6000104/(m2.)，而珠狀凝結時則為4*(104106)w/(m2.)。但是在工業過程中，一般都是膜狀凝結，除非對壁面進行預處理或在蒸汽中加入促進劑。對于單一介質，在層流膜狀凝結情況下，不考慮液膜內流體的對流，則液膜層中的溫度和速度分布如圖2-1所示：圖2-1 層流凝結液膜中的速度和溫度分布蒸汽流速對凝結換熱的影響很大，當蒸汽以一定的速度運動時，蒸汽和液膜間

36、會產生一定的力的作用。若蒸汽和液膜的流動方向相同，這種力的作用將使凝結液膜減薄，并促使液膜產生一定的波動，故使凝結傳熱增強。當蒸汽和液膜流向相反時，力的作用會阻礙液膜流動，使液膜增厚，導致傳熱惡化。但是，當這種力的作用超過重力時，液膜會被蒸汽帶動面脫離壁面，反而使傳熱系數急劇增大。在板式換熱器中，由于流道狹窄，蒸汽的流動方向宜于自上而下，并且應單程布置，以便減小壓峰和有利于凝液的排除。由于冷卻介質與蒸汽在板式換熱器的通道中是平行地流動，兩者相對的流動方向不同影響到凝結過程的不同。逆流時因通道的下部溫差大，所以蒸汽凝結大部分發生在通道下部，而順流時則相反。見圖2-2所示：圖2-2 順、逆流時流體

37、沿程的溫度變化所以，逆流時蒸汽的壓降要比順流時大，相應的飽和溫度下降較多，從而影響到冷凝換熱效果。因此，在滿足熱負荷的條件下，應該首先考慮選擇使用順流布置。蒸汽的壓力對凝結換熱也有一定的影響，天津大學的研究表明，在同養殖量的流速下，壓力的提高使密度增大。從而使凝結換熱得到改善，并降低壓降。蒸汽中不凝性氣體的存在，即使含量很小，傳熱系數也將大大降低。例如：水蒸汽中不凝性氣體容積的含量僅為0.5%時，傳熱系數就下降50%。在板式換熱器的運行系統中，應考慮到不凝性氣體的排除。2：沸騰換熱液體在受熱情況下產生的沸騰或蒸發吸熱過程，稱為沸騰換熱，這是一種流體由液相轉變為氣相的換熱過程。液體在受熱表面上的

38、沸騰可分為大空間沸騰（池沸騰）和有限空間沸騰（強迫對流沸騰）。不論哪種沸騰，又都有過冷沸騰和飽和沸騰之分。過冷沸騰是在液體主流溫度低于相應壓力下的飽和溫度而加熱壁面溫度已超過飽和溫度的條件下所發生的沸騰現象。飽和沸騰則是液體的主流溫度超過了飽和溫度，從加熱壁面產生的氣泡不再被液體重新凝結的沸騰。飽和沸騰時，壁溫與液體飽和溫度之差（q=tw-ts）稱為沸騰溫差，設沸騰傳熱系數為b，則有：q= b(tw-ts)在板式換熱器內所發生的飛騰過程屬于有限空間沸騰，流體是在外力驅動下的流動過程中因受熱而發生的沸騰，故也稱為強迫對流沸騰，它的沸騰點與流體在垂直管內流動時的沸騰狀況基本相同，見圖2-3。開始時

39、是過冷沸騰，隨著溫度的提高，產生愈來愈多的氣泡，于是相繼產生泡狀、塊狀、氣塞狀、環狀以至霧狀的流動沸騰。在蒸汽中的液滴蒸發完后，流體的加熱就屬于單相流的強制換熱了，蒸汽得到過熱。圖2-3 垂直管內沸騰時流型圖（三）導熱在板式換熱器中，板片及垢層的傳熱均屬于導熱。由于板片及垢層的厚度和板面尺寸相比很小，所以導熱過程可認為是沿厚度方向的一維導熱，其計算公式為：q=ptw1-tw2p及q=1tw1-tw21q=2tw1-tw22式中 p、1、2分別為板材、一側垢層及另一側垢層的熱導率(w/m.)； p、1、2分別為板材、一側垢層及另一側垢層的厚度(m)。如果板片表面有非金屬涂層，則還應考慮通過涂層的

40、導熱，其計算式為：q=c0tc0-twc0式中 c0 涂層熱導率(w/m.)； tc0 涂層表面溫度()； tw 涂層與板壁面接觸處溫度()； c0 涂層厚度(m)。2.2 熱力計算熱力計算的目的在于使所設計的換熱器在服從傳熱方程式的基礎撒謊能夠滿足熱負荷所應具有的換熱面積、傳熱系數、總傳熱系數、平均溫差等綜合方面的計算。2.2.1 確定總傳熱系數的途徑在設計計算板式換熱器時，總傳熱系數的確定可通過兩條途徑：（一）選用經驗公式有設計者根據經驗或從有關參考書籍、有關性能測定的實驗報告中，選用與工藝條件相仿、設備類型類似的換熱器的總傳熱系數值作為設計依據。表2-1列出了一般情況下板式換熱器的總傳熱

41、系數值。表2-1 板式換熱器的經驗總傳熱系數k值物料水水水蒸氣油冷水油油油氣水k(w/m2.)280046508709304005801753502858（二）計算確定在設計計算中，常常需要知道比較準確的總傳熱系數值，這可以通過總傳熱系數的計算確定。但由于計算傳熱系數的公式有一定誤差及污垢熱阻也不容易準確估計等原因，計算得到的總傳熱系數值與實際情況也會有出入。2.2.2 總傳熱系數的計算（一）由熱阻關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程中，通常存在著五項熱阻：板片熱側流體傳熱熱阻1/1，污垢層熱阻rs1，板片熱阻/，板片冷側流體傳熱熱阻1/2，污垢層熱阻rs2。它們之和即為總

42、熱阻，總熱阻的倒數也就是總傳熱系數，故其計算式為：為了解決腐蝕問題，有的換熱器的板片表層涂有防腐蝕涂層，因而存在涂層熱阻rco1、rco2，總傳熱系數的計算式則為：涂層的厚度雖然一般僅為幾十微米，但涂層的導熱系數很小，一般為0.30.6w/(m.)，所以涂層熱阻相當大，絕對不能忽略。（二）由傳熱方程求解傳熱的基本方程式為q=katm由此可求得總傳熱系數k=q/(atm)。1：換熱量q的計算換熱量q的計算可根據具體情況，分別在下列各式中選用：（1）單相流體的吸、放熱q=qmcp(t-t)或 q=qm(i-i)（2）流體的沸騰吸熱或凝結放熱q=qmxr或 q=qmx(i-i)以上式子表示產生qmx

43、公斤的蒸汽所需要的沸騰吸熱量或qmx公斤蒸汽凝結所放出的熱量。如果在板式冷凝器中產生過冷或板式蒸發器中發生過熱，則總熱量為凝結段放熱量與過冷段放熱量之和，或為蒸發段吸熱量與過熱段吸熱量之和。過冷段的熱量可用（1）中的式子進行計算。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數平均溫差tm的辦法，即先按逆流考慮再進行修正：tm=t1m按逆流考慮時的對數平均溫差為t1m=tmax-tminlntmaxtmin式中tmax、tmin分別為逆流時端部溫差中的最大值和最小值。修正系數隨冷、熱流體的相對流動方向的不同組合而異，在串聯、并聯或混聯時可分別由圖2-4、圖2-5來確定：（也可

44、以采用由marriott實驗求得的修正系數，見圖2-6）圖2-4 串聯時，板式換熱器的溫差修正系數圖2-5 并聯時，板式換熱器的溫差修正系數圖2-6 ntu法 板式換熱器的溫差修正系數如果流體的溫度沿傳熱面的變化不太大，例如當tmax/2時，可采用算術平均溫差代替對數平均溫差，即：tm =12(tmax-tmin)采用上式計算出的平均溫差與采用對數平均溫差計算的結果相比較，其誤差在4%范圍之內，這在工程計算上是允許的。3：流體比熱容或傳熱系數變化時的平均溫差當流體的比熱容不隨溫度變化時，流體溫度的變化與吸收或放出的熱量成正比，即成線性關系。當流體的比熱容變化不大時，可取某一溫度時的比熱容作為平

45、均比熱容。如果在設計的溫度范圍內，比熱容隨溫度的變化顯著（大于23倍），則用對數平均溫差的誤差很大，應改用積分平均溫差。4：換熱面積a的計算在板式換熱器的計算中，換熱面積a應采用有效換熱面積(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)ae=neao2.2.3 傳熱系數的計算（一）對流傳熱系數流體在板式換熱器的通道中流動時，在湍流條件下，通常用下面的關聯式計算流體沿整個流程的平均對流傳熱系數uf如果流體的粘度變化很大，則可采用sieder-tate的關聯式的形式：nuf=crefnprfm(fw)0.14marriott指出，當流體被加熱時m=0.4；被冷卻時，

46、m=0.3。c=0.150.4，n=0.650.85，x=0.050.2(指粘度修正項上的指數)對于牛頓型層流換熱時，可采用下面關聯式：nuf=c(refprfdel)n(fw)x上式中c=1.864.50；n=0.250.33；x=0.10.2過渡流時所得出的關聯式比較復雜，故通?？筛鶕e的數值，由板式換熱器的特性圖線查得。對流傳熱系數的求解也可利用表達傳熱因子與re的關聯式計算：jh=reb式中ja柯爾朋傳熱因子，即jh=stpr23(w)0.14式中，斯坦頓數st=/(cp)，所以，對流傳熱系數為：圖2-7為某種板式換熱器的柯爾朋傳熱因子和re的關系圖：圖2-7 jb-re 關系圖在計

47、算re數值時，所采用的當量直徑de應該按下式計算de=4ass式中as通道截面積(m2)；s參與傳熱的周邊長(m)。在一般情況下，常用下式計算當量直徑式中b板間的通道寬度(m)；板間距(m)。對于某些特殊結構的板式換熱器，板片兩側的通道截面積并不相同(稱為非對稱型結構)，這是兩側的當量直徑應分別計算。（二）凝結傳熱系數板式冷凝器中蒸汽的流速高，凝結液膜受到蒸汽切力的作用、所以通常用于求解沿豎避膜狀冷凝的努塞爾計算式不能用來求解板式冷凝器中的蒸汽傳熱系數。由于板式冷凝器的復雜通道結構，使得其中的蒸汽流動凝結換熱過程很復雜，其影響的因素有蒸汽流速、蒸汽干度、蒸汽壓力、蒸汽與冷卻介質的相對流動方向等

48、。所以雖然有專家提出過計算式，但尚未得到人們的公認，即使國外的權威書籍換熱器設計手冊也未曾列入板式冷凝器的凝結傳熱計算式。（三）沸騰傳熱系數由于板式蒸發器的應用還有較大的局限性，以及其中蒸發傳熱過程的復雜性，所以，迄今為止，無論對于波紋型或非波紋型板式蒸發器的沸騰傳熱計算式已正式發表的極少?，F對尾花英朗所推薦的chen j.c.的計算式稍作介紹chen求解沸騰傳熱系數b的計算式為：b=s+式中s核沸騰影響的系數；池沸騰傳熱系數；兩相流強制對流傳熱系數=0.00122(t0.79cpt0.46t0.49r0.260.610.28w0.24)t0.24p0.76式中表面張力(n/m)；p對應于t=

49、(tw-to)的蒸汽壓力差(pa)；r換算系數，為9.8(n.m/(s2.n)。=0.023tderet0.8prt0.4式中修正系數，是液體湍流氣體湍流時馬丁尼利參數2.2.4 垢阻的確定投入運行的板式換熱器都將因與流體的接觸而在板片上結垢。由于垢層的導熱都比較差，所以污垢的形成即使其厚度很薄，也對傳熱會有較大的削弱，特別是在結垢嚴重，導致通道部分被堵塞的情況下將會使傳熱大大的惡化。為了衡量污垢對傳熱的影響，常用污垢熱阻rs或其倒數污垢系數s來度量，即rs=ss=1s污垢熱阻的大小和流體種類、流體流速、運行溫度、流道結構、傳熱表面狀況、傳熱面材料等多種因素有關。污垢在傳熱面上沉積速率一般都是

50、先積垢較快，而后較慢，最后趨向于某一穩定數。如圖2-8所示：圖2-8 污垢熱阻與時間的關系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，同時還起到沖刷清洗作用，所以板式換熱器中垢層一般都比較薄。美國傳熱研究公司對水冷卻塔所用的板式和管殼式換熱器結垢的實驗研究表明，板式換熱器的污垢熱阻不到管殼式的一半。在設計選取板式換熱器的污垢熱阻值時，其數值應不大于客觀是的公開發表的污垢熱阻值的1/5。j.marriott提供了板式換熱器中的具體污垢熱阻值，詳見表2-2所示：表2-2 板式換熱器中的污垢熱阻值液 體 名 稱污 垢 熱 阻(m2./w)液 體 名 稱污 垢 熱 阻(m2./w)軟水或蒸

51、餾水0.000009機器夾套水0.000052城市用軟水0.000017潤滑油水0.0000090.000043城市用硬水（加熱時）0.000043植物油0.0000070.000052處理過的冷卻水0.000034有機溶劑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、運河水0.0000432.2.5壁溫的計算在計算板式換熱器的液體對流傳熱系數、凝結傳熱系數及沸騰傳熱系數時，為了確定液體的粘度或溫差，都必須知道板片表面溫度。但是，由于板式換熱器的結構關系，無法直接測定板片表

52、面溫度，所以必須通過計算求得。而壁溫的計算有總是與傳熱系數發生關系，故只能采用試算的方法，具體步驟如下：1：假定一側壁溫，如tw1；2：由準則關系式求該側傳熱系數1；3：由下式計算該側單位面積上換熱量q1；q1=1(t1-tw1)4：根據壁的熱阻rw用下式計算另一側壁溫tw2tw2=tw1-q1rw5：由準則關聯式求得另一側傳熱系數26：計算另一側的單位面積換量q2q2=2(tw2-t2)如果假定的壁溫正確，則應有q1=q2。因此，當時，則應重新假定壁溫再進行計算，直至q1與q2基本相等為止。在試算中，為了使試算過程明了簡捷，可一次假定幾個壁溫，使其中最低的一個明顯低于實際上的壁溫，而最高的一

53、個明顯高于實際壁溫；將計算的各項數據列成表格，然后以q1、q2為縱坐標，以tw1或tw2為橫坐標，即可得到兩條相交的曲線，其交點即為所求的壁溫值，見圖2-9。圖2-9 試算確定壁溫如果兩側的傳熱系數只有一側與壁溫有關，另一側與壁溫無關，則試算工作可從與壁溫無關的這一側開始，即先酸楚這一側的傳熱系數，并假定該側壁溫，然后計算出另一側的q，并使兩側的q相等為止。在試算中如考慮污垢熱阻，則壁溫仍指與流體接觸的垢層表面溫度，而非板片表面溫度。為了使得問題簡化，在工程計算中一般可不考慮垢阻對壁溫的影響。2.2.6 換熱面積計算（一）平均溫差法根據傳熱的基本方程式，可求得所需的換熱面積為a=qktm（二）傳熱單元數法板式換熱器換熱面積的計算，可運用平均溫差法，也可以運用傳熱單元數法。傳熱單元數ntu的定義式可更廣泛地表達為：(ntu)1=kac1或式中c1、c2分別為冷、熱流體的熱容量顯然，只要已知ntu、c及總傳熱系數k值，換熱面積a即可由上式求得。傳熱單元數的大小和溫度效率及兩換熱流體的熱容量之比有關。溫度效率是指參與換熱的任一流體的溫度變化與冷、熱流體的進口溫度差之比，即：或與之相對應的熱容量比為1=c1c2或2=c2c1=11通過建立能量平衡方