PAGE62PAGE63.摘要此設計是在以安全為前提，在盡可能保證其質量、經濟合理性和實用性等技術指標為前提下進行的設計。BR01型板式換熱器是一種高效緊湊的換熱設備，它被應用到食品工業、冶金工業、機電工業、造紙工業、石油工業等領域。而且其類型、結構和使用范圍還在不斷發展。焊接型板式換熱器的緊湊性好，重量輕、傳熱性能好、初始成本低特點。本文對板式換熱器的發展及應用領域作了簡要的介紹，通過應用板式換熱器的傳熱機理。對板式換熱器進行了熱力計算和阻力計算，在滿足了校核條件下，設計了板式換熱器的基本結構如框架形式，板片結構及流程組合方式等結構參數。確定了板片數為149的并聯式流程組合的板式換熱器，用AutoCAD繪制零件圖及總圖。關鍵字：板式換熱器；結構設計；熱力計算；校核；經濟性分析AbstractThedesignispremiseofsecurity,inanmushanpossibletoensureitsquality,economicallyrationalandpracticaltechnicalindicators,suchanunderthepremiseofthedesign.Plateheatexchangersacompactandefficientheattransferequipment,itisappliedtothefoodindustry,metallurgicalindustry,electromechanicalindustry,paperindustry,oilindustryandotherfields.Anditstype,structureandscopearestillevolving,Weldedplateheatexchangercompactnesshasthefeaturessuchaslightweight,goodheattransferperformanceandlowinitialcost.Inthispaper,bytheusingofplateheatexchangerheattransfermechanismthedevelopmentofplateheatexchangerandapplicationsarebrieflyintroduced.Itcarriedouttheplateheatexchangerthermalcalculationandresistancecalculations,anddesignedthebasicstructureoftheplateheatexchangersuchastheframeworks,structureandprocessescombinationstomeettheverificationcondition.Finallyitdeterminedtheparallelflowplateheatexchangerwith149oftheplatesandcombinedwithAutoCADdrawingpartsdiagramandassemblydrawings.Keywords:Plateheatexchanger;Configurationdesign;Thermodynamiccalculation;Check;目錄1.緒論 11.1板式換熱器的概述 11.2我國設計制造應用情況 11.3國外著名廠家及其產品 32.BR01型板式換熱器的基本構造 62.1BR01型板式換熱器的基本構造 62.2流程組合 62.3框架型式 82.4板片 92.4.1常用形式 92.4.2混合人字板及性能 102.4.3特種形式 122.5密封圈 122.6壓緊裝置 133.板式換熱器的性能特點 143.1板式換熱器的主要優點 143.2板式換熱器的主要缺點 163.3板式換熱器與管殼式換熱器的比較 164.BR01型板式換熱器的設計計算 184.1板式換熱器的設計計算概述 184.2傳熱過程 184.2.1對流換熱 184.2.2相變換熱 194.2.3導熱 204.3熱力計算 204.3.1一般設計要求 204.3.2設計計算公式和曲線 234.3.3確定總傳熱系數的途徑 294.4換熱器已知參數 304.4.1計算綜述表 365.經濟與技術分析 415.1技術經濟分析的原則 415.2技術經濟分析的標準 41結論 42致謝 43參考文獻 44附錄A45附錄B461.緒論1.1板式換熱器的概況目前板式換熱器已經成為高效、緊湊的熱交換設備，且大量地應用于工業中,其發展已有一百多年的歷史[1]。1878年德國人發明了第一個板片式換熱器，現在通常都稱作板式換熱器，經過了50多年的發展，到20世紀30年代，出現了由薄金屬板壓制的板片組裝而成的板熱器，并將該換熱器大量的應用于工業，顯示出了優異的性能，從此就迅速地得到了廣泛的推廣應用，成為緊湊、高效的換熱設備。早期的板式換熱器大都用于食品工業，如牛奶、蛋液、啤酒等的加工過程中。這是由于早期板片的單板面積較小，單臺換熱器的面積不大型化，所以只能用于處理物料流量較小的場合，隨著單板面積的增大，單臺換熱器的面積也相應增大。現在各制造廠競相增大單板面積和組成大型的板式換熱器。板式換熱器發展趨勢是：提高操作溫度和操作壓力，加大處理量，擴大使用范圍，研制采用新的結構材料的制造工業，而研制新的墊片材料易提高其使用溫度和使用壓力，將是其中的重點。雖然板式換熱器有很多優點，而其現在發展很快，但它們在結構與制造上尚存在問題。相信隨著科學技術的飛速發展，板式換熱器會不斷完善，應用也日趨廣泛。1.2我國設計制造應用情況我國板式換熱器于六十年代開始研究制造。1965年，蘭州石油化工機器廠根據一些資料設計、制造了單板換熱器面積為0.52的水平平直波紋板片的板式換熱器，這是我國首家生產出的板式換熱器，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[2]。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0.3）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熱工性能評價指標及板式換熱器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）進行整理，得到一種新的流體阻力計算公式。天津大學對板換器的兩相流換熱及其流體主力計算做了大量研究，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、大連理工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較大的進步，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；八十年代也是僅僅應用于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[3]。1.3國外著名廠家及其產品現在，世界上發達國家制造的板式換熱器，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。（1）英國APV公司。APV公司的RichardSeligman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波紋多屬人字形波紋，最大單板換熱面積為2.2，單臺換熱器最大流量為2500。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1600。APV公司換熱器產品情況如表1-1[4]：表1-1APV公司生產的主要板式換熱器Tab.1-1ThemainheatexchangerofAPVcompany板式換熱器型號最高工作壓力()單板換熱面、積()半片外型尺寸長X寬(X)單臺最多板片數長管尺寸（）SR1570X210380.691114X318187SR351.550.341152X39241475R400.381150X445102,127,152R552.061156X416362R560.521156X416102R1060.691984X712300R2352.22739X1107400（2）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。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；最大單臺流量3600；總傳熱系數3500-7500；每臺換熱面積0.1-2200；最大接管尺寸450mm。（3）GEAAHLBORN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。GEAAHLBORN的板式換熱器技術特性如表1-2[4]：表1-2GEAAHLBORN公司主要板式換熱器技術特性Tab.1-2GEAAHLBORN,themaintechnicalcharacteristicsofplateheatexchanger型號板片最高工作壓力()最高工作溫()最大流量()波紋型式外形尺寸長X寬(mm)單板換熱面積Free-Flow157一列弧形670X2500.0915——5159二列弧形1065X3300.292——15161三列弧形—0.54——30Varitherm4P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1754X6100.811.6250500805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（4）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.Schmidt公司生產的板式換熱器，一般工作壓力為1.6MPa，最小的單板換熱面積為0.035、最大的單板換熱面積為[5]。（5）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[5]：表1-3HISAKA公司板式換熱器技術特性Tab.1-3ThetechnicalcharacteristicsofHISAKAheatexchanger型號單位換熱面積()處理量()最高工作壓力()最高工作溫度最大單臺換熱面積()水平平直波紋板片EX-10.157230.420015EX-150.3141401.220060EX-160.552401.2200150EX-110.714601.2 200150EX-120.88831.0200260人字形波紋板片UX-010.087361.5～2.02005UX-200.3751401.5～2.0 200100UX-400.765401.5～1.8200250UX-601.169001～1.3200500UX-801.7015201～1.32008002.BR01型板式換熱器的基本構造2.1基本構造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、活動壓緊板、密封墊片、固定壓緊板、壓緊螺柱和螺母、上下導桿、前支柱等零部件所組成，板式換熱器基本構造如圖2-1所示[1]。圖2-1BR01型板式換熱器的基本構造Fig.2-1ThebasicstructureofBR01typeplateheatexchanger2.2流程組合流程組合是指為了使流體在板束之間按一定的要求流動，所有的板片四角均按要求沖孔，墊片均按要求粘貼，然后按規律的排列起來，形成的流體的通道。圖2-2[a]、[b]、[c]是典型的排列方式。從圖可見，墊片不僅起到密封作用，還起到流體在板間流動的導向作用。板束中板片的數量和排列方式，由設計確定。流程組合就是板片數量和排列方式的有機組合，并以數學形式表示為[2]：（2-1）式中：、…—指從固定壓緊板開始，甲流體側流道數相等的流程數；、…—、…中的流道數；、、—指從固定壓緊板開始，乙流體側流道數相等的流程數；、、—、、中的流道數。圖2-2流程組合方式[2]Fig.2-2Processcombinationmode由于單流程并聯式流程的結構簡單，所以本設計初選單流程并聯式流程組合方式進行設計計算。2.3框架型式板式換熱器的框架多種多樣，如圖2-3所示，其中尤以（a）、（b）、更為常用。應用于乳品等食品行業中的板式換熱器，常有兩種以上的介質換熱，所以要設置中間隔板，中間隔板的數量視換熱介質的數量而定，另外由于工作壓力不高，又需經常拆卸清洗，所以常采用頂桿式[1]。圖2-3框架主要形式及螺栓壓緊式板式換熱器結構Fig.2-3Themainformofframeandboltpressingtypeheatexchangerstructure（a）普通式；（b）懸掛式；（c）頂桿式；（d）帶中間隔板式；（e）活動壓緊板落地式；1-軸（上導梁）；2-活動壓緊板；3-板片；4-墊片；5-掛鉤；6-固定壓緊板；7-下導梁2.4板片板片是板式換熱器的核心元件。各傳熱板片按一定的順序相疊即形成板片間的流道，冷流體和熱流體在板片的兩側各自的流道內流動，通過板片進行熱交換，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[1]。2.4.1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；按流體在板之間的流動形式區分，有管狀流動、帶狀流動、網狀流動的波紋板片。常用板片如2-4所示：圖2-4兩種常用板片示圖Fig.2-4Twokindsofcommonlyusedplatediagrams（a）人字波紋板；（b）水平平直波紋板對于人字形波紋板片，人字角的大小對傳熱和流體阻力影響甚大。人字角大的板片傳熱系數高、流體阻力亦大;反之人字角小的板片傳熱系數和流體阻力都低些，圖2-5是人字角對傳熱影響的曲線示圖。圖2-5人字角對傳熱的影響Fig.2-5Effectofherringboneangleonheattransfer2.4.2混合人字板及性能利用人字角對傳熱的影響，很多制造廠將同一規格的板片做成大人字角和小人字角兩種，如圖2-6所示。國外把大人字角的板片稱為H板片(硬板Hardplate)，小人字角的板片稱為L板片(軟板Softplate)一臺板式換熱器可全部用H板片組裝或全部用L板片組裝，也有有將H板片和L板片相間組裝、分段組裝，這樣組裝的板式換熱器性能介于前兩者之間，在某種意義上來說，相當于第三種性能的板片，稱之為M板片，(混合板片其實是圖2-6和圖2-7表示了組裝情況及其相應的性能。在充分利用允許壓降的情況下，這種稱之為換熱混合設計，其換熱面積是可以減少25～30%。圖2-6大人字角板片（H板）和小人字角板片（L板）以及三種組合的H、M、L流道示圖Fig.2-6Adultwordcornerplate(Hplate)andsmallwordangleplate(Lplate)AswellasthreekindsofH,M,Lflowchartofthechannel圖2-7H、M、L流道性能示圖[1]Fig.2-7H,M,Lflowchannelperformancechart為了提高板式換熱器工作壓力和工作溫度，全焊式和半焊式板式換熱器得到了發展，前者釬焊而成，是不可拆卸的一類板式換熱器，雖然提高了工作壓力和工作溫度，但喪失了板式換熱器的一些優點；后者則每兩張板片焊接在一起成為焊接單元，然后組裝起來，焊接單元之間用墊片密封，這樣焊接單元中的流道可承受較高的溫度和壓力，但不能拆卸，焊接單元之間的流道，能承受的壓力、溫度仍和一般的板式換熱一樣。2.4.3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[6]。(1)便于裝卸墊片的板片(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2.5密封圈密封圈起著板與板之間流體流道密封的作用，是板式換熱器的重要部件。其中，板式換熱器的最高使用溫度，取決于密封圈的耐熱性能；板式換熱器的最大使用壓力也相當程度上受密封圈的材質和斷面形狀（目前，密封圈使用的斷面形狀右半圓形、矩形及五面體等）制約。從板式換熱器結構分析，密封周邊的長度()將是換熱面積()的6～8倍，超過了任何其它類型的換熱器。密封圈是板式換熱器的重要構件，對它的基本要求是耐熱、耐壓、耐介質腐蝕。密封圈嵌入板片上密封槽及角孔的四周。板式換熱器是通過壓板壓緊墊片，達到密封。為確保可靠的密封，必須在操作條件下密封面上保持足夠的壓緊力。板式換熱器是根據熱交換介質的種類和使用溫度來選擇密封圈的材質。常用密封圈的材質及允許使用的最高溫度列于表2-1中。表2-1密封圈的材質及允許的最高溫度Tab.2-1Sealmaterialandmaximumallowabletemperature墊片材料及代號丁晴橡膠三元乙丙橡膠氟丁橡膠硅橡膠石棉纖維板NEFQA最高溫度150170851602502.6壓緊裝置常用的壓緊裝置有夾板推桿式，螺母壓緊式和頂桿螺旋壓緊式。壓緊裝置的夾板（即蓋板）由普通碳鋼制成，螺栓由高強度碳鋼制成。它們用于將密封圈壓緊，產生足夠的密封力，使得換熱器在工作時不發生泄漏，通過旋緊螺栓來穿繩壓緊力[7]。一般的板式換熱器可承受0.7的壓力差，此設計的BR01型板式換熱器的壓力差僅為0.1。3.板式換熱器的性能特點由于板式換熱器是由若干傳熱板片疊裝而成的，半片很薄又具有波紋形表面，所以帶來了一系列優缺點。雖然人們進行多方研究，以求提高工作壓力和工作溫度，但沒有獲得突破；而只是在產品大型化、使用工況多樣化方面取得了一定進展，這就是現已可以制造的大型板式換熱器和采用各種耐腐蝕材料制造的板式換熱器。表3-1列出了當前國內外板式換熱器的一些技術參數[8]。表3-1板式換熱器的技術參數Tab.3-1Thetechnicalparametersofplateheatexchanger項目國外國內最大單板面積，4.752最大單臺面積，2200～1000最高工作壓力，MPa2.52.5最高工作溫度橡膠墊片<200<200石棉墊片<250<250單臺流量3600總體熱系數3500～75003.1板式換熱器的主要優點（1）總傳熱系數高板式換熱器的板間流道，是一個截面多變、曲折的流道（見圖3-1），它能很有效的使流體產生湍流，因此降低了也液膜的熱阻；板片又是用及薄的薄板制造，降低了壁面的熱阻[10]。圖3-1人字形板片流道截面的變化示圖Fig.3-1Thechangechartofthesectionoftherunnerofthechevronplate（2）末端溫差小末端溫差指的是一流體的入口溫度與另一流體的出口溫度之差。因為板式換熱器流道是互相平行的，流體在流道內的運動不會出現有任何影響末端溫差的現象。以水-水換熱來說，板式換熱器末端溫差僅低至。（3）對數平均溫差大冷、熱流體在板間是平行的流動，且一般可以設計成逆流的形式，所以溫差修正系數高于殼管式換熱器以錯流為主的流動方式溫差的修正系數，導致對數平均溫差大于殼管式的。（4）占地面積小板式換熱器總傳熱系數高，減小了換熱面積，同時板式換熱器本身緊湊，所以同一工況下的占地面積約為殼管式換熱器的五分之一。（5）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。（6）不易結垢由于內部充分湍動，所以不易結垢，其結垢系數僅為管殼式換熱器的1/3～1/10。（7）使用方便只要拆下壓緊螺栓，就可以取出板片或移開板束，所以其清理、維修、增減板片，更改流程組合都十分簡便。3.2板式換熱器的主要缺點（1）工作壓力單位長度的壓力損失大由于傳熱面之間的間隙較小，傳熱面上有凹凸，因此比傳統的光滑管的壓力損失大。板式換熱器的每張板片上都有一個有彈性的密封墊圈，密封周邊很長，密封系統剛性差，結構特殊，離壓緊螺栓較遠，沒有足夠的壓緊力，所以承受不了較高的工作壓力[10]。（2）工作溫度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；用壓縮石棉絨墊片時，最高工作溫度為250～260。（3）含固體介質板式換熱器的板間流道平均間隙為3～5mm，當換熱介質中含有較大的固體顆粒或纖維物質，就容易堵塞板間流道。對這種換熱場合，應考慮在入口安裝過濾裝置，或者選擇特殊的大間隙板式換熱器。3.3板式換熱器與管殼式換熱器的比較各種換熱器都有其優缺點，迄今為止，管殼式換熱器仍是用途最廣的換熱器，但在某些場合，采用板式換熱器更為優越；各類板式換熱器也各有其優缺點，表3-2為板式換熱器和管殼式換熱器各種性能的比較[12]。表3-2板式換熱器和管殼式換熱器的比較Tab.3-2Comparisonofplateheatexchangerandtubeheatexchanger項目板式換熱器管殼式換熱器溫度交叉能不能末端溫差約多種介質操作能不能管線連接可集中在一個方位要幾個方位設在總傳熱系數比設備重量比滯液體積小大占地面積變更程數可以改變流程組合不能最高工作壓力，決定于設計對含顆粒較差固體較差可以4.BR01型板式換熱器的設計計算4.1板式換熱器的設計計算概述板式換熱器設計計算的目的是：在給定的工況下，求取換熱器的換熱面積和其流程組合，或是已知換熱器，校核該換熱器能否滿足給定的使用工況。這兩者僅僅是計算的步驟不同，但涉及的計算公式是相同的。BR01型板式換熱器的設計計算是在已知換熱器的情況下，校核是否滿足給定的使用工況。4.2傳熱過程板式換熱器中冷流體與熱流體之間的換熱一般都是通過流體之間的對流換熱（或相變換熱）、垢層及板片的導熱來完成的，且參與換熱的流體通常都是液體非氣體，故不存在輻射換熱[2]。4.2.1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。影響對流換熱的因素很多，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，流體的流動狀態，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）：(4-1)式中：Q-換熱量，；-對流換熱系數，W/(m)；-分別為壁面溫度與流體溫度,。A-換熱面積，。由公式可見，影響對流換熱的因素都被歸結到對流換熱系數中，對流換熱系數數值上的大小反映了對流換熱的強弱。4.2.2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，都稱為相變換熱。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接觸，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，凝結液在壁面上鋪展成膜，如水蒸汽在有油的壁面上凝結情況。凝結放出的潛熱必須穿過凝結膜才能供給較低溫度的壁面，所以這層液膜成為一項主要的熱阻。而珠狀凝結是凝結液體不能很好的潤濕壁面，在壁面上形成一個個小液珠，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W/()。（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。4.2.3導熱在板式換熱器中，板片與垢層的傳熱均屬于導熱。由于板片與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，計算公式為：（4-2）式中：Q-換熱量，；-導熱系數，W/(m·)；-導熱溫差，；A-換熱面積，m2。4.3熱力計算BR01型板式換熱器熱力計算的目的是校核該換熱器是否滿足給定的設計工況。4.3.1一般設計要求（1）板間流速流體在板間流動，其流速是不均勻的，在主流線上的流速，約為平均流速的4～5倍，在一個流程內的每個流道的流速也不均勻（見圖4-1）。為使流體在板間流動時，處于充分的湍流狀態，宜取板間的平均流速0.3～0.8。在阻力降容許的情況下取大值，以提高對流傳熱膜系數，從而減小換熱面積，節省設備投資。圖4-1并聯U型和Z型流程板間流道的流體流速變化圖[1]Fig.4-1FlowvelocityvariationdiagramoftheflowbetweentheparallelUandtheZflowchannel（2）流程組合一般來說，程數宜少，冷、熱介質等程，逆向流動布置，這樣的流程組合，溫差修正系數較大。（見圖4-1）并聯U型的流程組合也常常被采用，因為這種流程組合，可把冷、熱流體的進、出口接管，都集中到固定壓緊板上，拆卸清洗時，可不拆卸外部接管。對用于冷凝和蒸發的工況，只能采用單程，且被冷凝的流體應從上而下，便于排出冷凝液；對于蒸發的工況，則相反，蒸發的介質采用單程，由下而上，使蒸汽從上端排出。（3）板片選擇恰當的單板面積，可以獲得較好的流程組合，使得程數少，流體阻力小。角孔尺寸和單板面積也有一定內在聯系，為了使流體通過角孔流道不致損失過多壓力，一般取流體在角孔中的流速為4～6，表4-1列出了單板面積和處理量的關系，表中流體通過角孔以6計算的。表4-1單板面積與處理量的關系Tab.4-1Relationshipbetweenareaofsingleplateandprocessingquantity單板面積，0.50.8角孔直徑，65～90125～170單臺最大理量，27～4271～137265～380520～680（4）材料選擇板片的原材料厚度為0.6～0.8，壓制成波紋板后允許有25%的減薄量.于是最薄處的厚度為0.45～0.6，對板片采用表面防腐措施是難以奏效的，因此一定要選用耐腐蝕的材料進行制造。墊片材料既要耐溫又要耐腐蝕。各種墊片材料容許的適用溫度。波紋板的型式，應按工藝條件進行選擇，人字形波紋板片是廣為采用的板片，人字角大的板片(稱為H板片)，適用于允許阻力損失較大，而要求傳熱效率高的場合;人字角小的板片(稱為L板片)，適用于對阻力損失限制極嚴的場合。水平平直波紋板片則適用于對傳熱效率、阻力損失都適中的場合。對于兩種換熱流體，其流量差別甚大，則應考慮選用非對稱流道(或稱寬窄間隙流道)的板片來組裝板式換熱器。對于兩換熱流體的對數溫度很大，流量差亦很大的換熱工況，選用長寬比較小的波紋板較為理想[9]。（5）流體的選取單相換熱時，逆流具有最大的平均傳熱溫差。在一般換熱器的工程設計中都盡量把流體布置為逆流。對板式換熱器來說，要做到這一點，兩側必須為等程。若安排為不等程，則順逆流需交替出現，此時的平均傳熱溫差將明顯小于純逆流時。在相變換熱時順流布置與逆流布置平均溫差的區別比單相換熱時小，但由于這時牙尖大小與流向有密切關系，所以相對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，下部出，以便排除冷凝液體。（6）并聯流道數的選取一程中并聯流道數的數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內，并聯流道數目取決于流量的大小。（7）單板面積的選擇單板面積過小，則板式換熱器的板片數多，也使得占地面積增大，程數增多，導致阻力降增大；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角孔的速度為6m/s左右考慮。4.3.2設計計算的公式和曲線[1]（1）傳熱基本方程式（4-3）式中：Q-傳熱量，；A-換熱面積，；K總-傳熱系數，；-傳熱平均溫差，系對數平均溫差乘以板片組合校正系數，。（2）換熱量計算式（4-4）式中：-流體質量流量，；-流體比熱容，；、-分別表示某流體進出口溫度，。（3）加熱水流通段面積計算式（4-5）式中：-流通段面積，；G-傳熱量，；板-內取定流速,；-水的密度，；-流程數。（4）流道數的計算（4-6）式中：n-流道數；-流通段面積，；-單通道流通截面積，。（5）流道內實際流速的計算（4-7）式中：v-流道內實際流速，；G-傳熱量，。（6）換熱面積計算式（4-8）（7）雷諾數計算式（4-9）式中：-當量直徑，；-運動粘度，。（8）對流傳熱準則數關系式（4-10）式中：C-系數，由實驗求得；N-指數，由實驗求得；-雷諾準則數，無因次；-普朗特準數，無因次。這一關聯式有很多，各個廠家生產的板片不同，所得到的關聯式也不盡相同。參考公式如下：（4-11）典型的數據為：系數為0.15～0.40；指數為0.65～0.85；指數為0.30～0.45(通常為0.33)。（9）換熱面積計算式（4-12）式中：-換熱器換熱面積，；-單板換熱面積，；-有效傳熱板片數；-總的板片數。(10)對流傳熱系數計算式（4-13）式中：-對流換熱系數，；(11)總傳熱系數計算式在板式換熱器中，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，污垢層熱阻，板片熱阻，板片冷側流體傳熱熱阻，污垢層熱阻。它們之和即為總熱阻，總熱阻的倒數也就是總傳熱系數，其計算式為：K=(4-14)式中:和-分別為板片兩側的傳熱膜系數，；和-板片兩側污垢系數，；-板片厚度，m；-板片導熱系數，W/(mK)。（12）傳熱溫差計算式（4-15）（4-16）式中：-逆流換熱時冷熱兩流體端部溫差的最大值和最小值，；-對數平均溫差，；-隨不同的流程組合，導致冷熱流體流動方向差修正系數，可從圖查取。圖4-2并聯流程（框式）組合對數平均溫差修正系數Fig.4-2Thecombinedlogarithmicmeantemperaturedifferencecorrectionfactorfortheparallelflowprocess(frametype)圖4-3串聯流程組合對數平均溫差修正系數Fig.4-3Thecoefficientoflogarithmicmeantemperaturedifferenceforseriesprocesscombination圖4-4多程流程組合的對數平均溫差修正系數Fig.4-4Thelogarithmicmeantemperaturedifferencecorrectionfactorformultipleprocessflowcombination（13）當量直徑計算式（4-17）式中：-板間流速寬度，；-板間流道平均間隙，；-板間當量直徑，。（14）流體阻力計算歐拉數關聯式（4-18）式中系數b、指數d-隨不同型式的板片而異，由實驗求得，制為造廠為其提供的公式中已確定具體的數值。或（4-19）式中：-流速，m/s；-流體密度，。選歐拉關系式為：（4-20）（15）壓降計算關聯式（4-21）（16）污垢熱阻的選擇[1]表4-2污垢熱阻Tab.4-2Foulingresistance流體名稱污垢熱阻流體名稱污垢熱阻軟水或蒸餾水0.000009機器夾套水0.000052城市用軟水0.000017潤滑油水0.000009～0.000043城市用硬水0.000043植物油0.000007～0.000052海水或港灣水0.000043有機溶劑0.000009～0.000026大樣的海水0.000026水蒸氣0.000009河水，運河水0.000043一般流體4.3.3確定總傳熱系數的途徑在設計板式換熱器時，總傳熱系數的確定可通過兩種途徑：（1）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4-3列出了一般情況下板式換熱器的總傳熱系數值。表4-3板式換熱器的經驗總傳熱系數K值Tab.4-3ThetotalheattransfercoefficientofheatexchangerKexperiencevalue物料水—水水蒸氣—油冷水—油油—油氣—水2000～4650400～580175～35028～58（2）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。4.4換熱器已知參數型號BR01型設計溫度設計壓力MPa最大組裝面積最大處理量t/h外度尺寸寬×高mm角孔直徑mm1501.51245340×69050單板換熱面積單流道截面積波紋深度mm當量直徑mm接口類型傳熱系數0.150.00162.85.6法蘭盤2000-6000一次側熱水的進/出口溫度為100/60；二次側冷水的進出口溫度為30/70；最大處理量45t/h;高溫水和被加熱水經過板式換熱器的壓降均不大于1.5MPa（1）已知工藝參數熱側=100=60冷側3070（2）物性數據熱側在平均溫度下取值=(100+60)/2=80各物性參數：密度=971.8比熱容4.195kJ/(K) 導熱系數=67.4W/(mK)運動粘度普朗特數冷側在平均溫度下取值（30+70）/2=50下取值：密度比熱容4.174kJ/(K)導熱系數=64.8W/(mK)運動粘度普朗特數（3）選BR01型板式換熱器單片換熱面積=0.15；單通流道截面積=0.0016；板片平均間隙b=2.8；板片當量直徑=5.6；板片厚度=0.6。（4）求換熱量及流量被加熱水量傳熱量=加熱水量（5）假定流程數取加熱水流程=1取被加熱水流程=1（6）初選定流道數加熱水流道數n1=74被加熱水流道數n2=74（7）流動方式：單相換熱，逆時具有最大的平均傳熱溫差，所以選擇逆流。（8）求板間流速加熱水流速被加熱水流速（9）求雷諾數加熱側被加熱側（10）求努塞爾數加熱側被加熱側（11）求對流傳熱系數加熱側被加熱側（12）板片的選擇及導熱熱阻的確定板片材料SUS304板片厚度δ=0.6mm板片導熱系數λp=16.6W/(m·K)板片的導熱熱阻兩側污垢熱阻根據表“板式換熱器的污垢熱阻”可查得（一般流體）（一般流體）式中：r1為加熱側污垢熱阻；r2為被加熱側污垢熱阻。（14）總的傳熱系數的計算（15）對數平均溫差查表得溫度修正系數為：傳熱溫差（16）實際傳熱面積（17）計算板片數（18）求面積（19）面積校核[7]所以滿足（20）壓降計算及校核加熱側歐拉數加熱側壓降被加熱側歐拉數被加熱側壓降壓降校核滿足滿足4.4.1計算綜述表序號計算項目符號單位計算公式（或圖表）數值1加熱水的初溫已知2加熱水的終溫已知3加熱水的平均溫度804加熱水密度kg/m3查表5加熱水比熱容查表6被加熱水初溫已知7被加熱水終溫已知708被加熱水平均溫度509被加熱水密度ρ2kg/m3查表10被加熱水比熱容查表11被加熱水量G2已知52.7812傳熱量QkW8812.1513加熱水量G152.5214加熱水流程初步選定115被加熱水流程初步選定116板片型號BR01選定17板片寬度Lmm查表48518板片平均間隙bmm查表2.819板片當量直徑demm5.620板片換熱面積Fdm2查表0.1521單通道流通截面積fdm2查表0.001622加熱水流道數n1取定7423被加熱水流道數n2取定7424加熱水實際流速m/s0.45625被加熱水實際流速m/s0.4526換熱面積Fmm22329熱側普朗特數查表2.2130熱側導熱系數λ1W/（m·K）查表67.431熱側運動粘度ν1m2/s查表0.36532熱側雷諾數3224.233熱側努塞爾特數129.934熱側對流換熱系數α1W/（m2·K）1563.4435冷側普朗特數查表3.5436冷側導熱系數λ2W/（m·K）查表64.837冷側運動粘度ν2m2/s查表0.55638冷側雷諾數4581.839冷側努塞爾數194.0740冷側對流換熱系數α2W/（m2·K)2245.6741加熱側熱阻(m2·K)/W查表0.0004542被加熱側熱阻(m2·K)/W查表0.0004543板片選用材料SUS30444板片厚度δmm查表0.745板片導系數W/（m·K)查表16.646板片導熱熱阻(m2·K)/Wrp=δ/λp0.00003647總傳熱系數KW/（m2·K)494.7848對數平均溫差4549溫差修正系數φ按有效板片數查圖0.9550傳熱溫差43.2451傳熱面積F2352面積校核4.1<553加熱側歐拉數202.5654加熱側壓降55被加熱被歐拉數149.4656被加熱側壓降5.經濟與技術分析5.1技術經濟分析的原則技術經濟的分析是在不同的技術方案上進行的，因此，對于每個計劃要進行的工程項目，都要根據可能的條件，擬定兩個或更多的技術方案，彼此間以可比條件進行研究、分析與對比，從中優選出較為理想的技術方案。擬定的各技術方案之間的技術經濟指標應有可比性，諸如：傳熱面積、傳熱系數、介質的應用特性及技術參數、設備的安裝條件、動力消耗指標等方面。經濟效益的計算原則上也需要有可比性。任何一項項目的實施，都必然要消耗一定的人力、物力、財力。這些都可以用經濟指標作為同一的衡量尺度，以便于進行計算比較。時間因素的可比性。各方案在其技術經濟分析的時候，應該采用相同時間內的經濟影響因素，或拆算為相同周期作為對比條件，這樣，才便于比較與分析。5.2技術經濟分析的標準（1）技術標準隨著科學技術的不斷發展，換熱技術以及換熱設備也在不斷地發展與改進，力求技術上先進、可靠、安全與適用，這是我們在評價換熱技術水平好壞的首要條件。（2）經濟指標同其他任一工程項目一樣，應對擬議的換熱項目的經濟條件及經濟效益加以研究與重視。必須力求投資少，建設快，一投入使用周期短、經濟效益好作為衡量的條件。（3）政策標準對于換熱項目的工藝來說，所謂政策標準，就是要符合我國已定的技術方針政策，例如我國現行的能源政策、環境保護與治理等相關政策。（4）社會標準在討論技術方案的時候，應該考慮工人的生產勞動條件的改善，生活條件的改善與提高。如在建設一座換熱站的時候應該考慮其社會效益。結論通過本設計我對板式換熱器有了一定的認識，繁冗的設計過程和大量的資料查找，使我感到小有成就感。在板式換熱器設計手冊中，查閱了重要技術參數及相關關聯式，采用網上的資料來進行參考。本設計的可拆式板式換熱器，拆卸方便，且在相同換熱條件下重量輕，污垢熱阻小，以獲得較大的換熱器系數，換熱率高。由于密封材料選用的是石棉橡膠，耐熱溫度受到了限制，對于相變傳熱，絕大多數的產品，尚不能提供相應的關聯式，所以板式換熱器通常采用液-液換熱，本設計選用水-水換熱。本設計沒有做實驗，采用迭代的方法進行大量傳熱計算和壓降的計算，在滿足校核的條件下，設計確定了換熱器的框架結構為雙支撐框架式，，板片為雙人字形形狀，板片的厚度對傳熱影響很大，最后設計確定的板片厚度為0.6，板片數數為149的并聯式單流程組合方式的板式換熱器，并用AutoCAD繪制出板式換熱器的零部件圖及總裝圖。最終設計完成要求的BR01型板式換熱器的設計。致謝在本文完成之際，向我最尊敬的指導老師致以最誠摯的敬意和衷心的感謝，兩個多月以來，不遺余力地對我的設計進行了指導，在我畢業設計的這段時間里，金老師言傳身教，身體力行地不斷培養我獨立思考，解決實際問題的能力，使我受益匪淺。于此同時還要感專業老師給我提寶貴的建議，還要感謝那些給予我幫助的同學們，也正是有了大家的幫助與鼓勵，我的設計才得以順利完成。同時還要感謝四年來所有的任課老師，為我們打下內燃機知識的基礎，為我們以后的工作實踐做好了鋪墊。畢業設計雖已完成，但由于知識水平的局限，實際經驗缺乏，設計還存在很多不足之處，有很多的方面進行改進，對于這些不足，我會在今后的工作中加以補充，并用自己所學到的知識，服務社會，成為一名合格的社會工作者。參考文獻[1]錢頌文.換熱器設計手冊[M].化學工業出版社，2002[2]楊世銘,陶文銓.傳熱學[M].高等教育出版社,2006[3]余建祖.換熱器原理與設計[M].北京航空航天大學出版社,2006[4]E.U.施林德爾.換熱器設計手冊[M].北京：機械工業出版社,1983[5]朱冬生，錢頌文，馬小明，孫萍，羅小平.換熱器技術及進展[M].北京:中國石化出版社,2008[6]濮良貴，紀名剛.機械設計[M].北京：高等教育出版社，2001[7]吳宗澤，機械結構設計[M].北京：機械工業出版社，1988[8]徐灝.機械設計手冊[M].北京：高等教育出版社，1995[9]支浩,湯慧萍,朱紀磊.換熱器的研究發展現狀[J].化工進展，2009[10]APV.Plateheatexchangerforchemicalandindustrialduties,1986[11]陸璐.換熱器的研究現狀及發展[J].產業與科技論壇，2011[12]劉乾,劉陽子.管殼式換熱器節能技術綜述[J].化工設備與管道,2008附錄A在一個熱交換器,熱從周圍或轉移到周圍,這是出乎意料的時候。熱絕緣體是用來減少這種傳熱。熱交換器的有效性將會增加如果周圍可以減少熱損失。理論上,絕緣子的厚板式換熱器中的熱損失小。一個研究進行研究絕緣體厚度對換熱器效能的影響。使用的絕緣體是glasswool和石棉。事實證明效果增加到最大點,然后減少當絕緣子的厚度增加。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，都稱為相變換熱。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。蒸汽和低于相應壓力下飽和溫度的壁面接觸，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，凝結液在壁面上鋪展成膜，如水蒸汽在有油的壁面上凝結情況。凝結放出的潛熱必須穿過凝結膜才能供給較低溫度的壁面，所以這層液膜成為一項主要的熱阻。而珠狀凝結是凝結液體不能很好的潤濕壁面，在壁面上形成一個個小液珠，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W/()，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。附錄BInaheatexchanger,thereisheattransferredeitherfromthesurroundingortothesurrounding,whichisnotexpected.Athermalinsulatorisusedtoreducethisheattransfer.Theeffectivenessofaheatexchangerwillincreaseiftheheatlosstosurroundingcanbereduced.Theoretically,thethickertheinsulatorthesmallertheheatlossinaplateheatexchanger.Aresearchiscarriedontostudytheeffectofaninsulatorthicknessonheatexchangereffectiveness.Theinsulatorsusedareglasswoolandrockwool.Itturnsoutthattheeffectivenessisincreasinguntilamaximumpoint,andthendecreasingwhenthethicknessoftheinsulatorisincreasing.AbstractinBahasaIndonesia:Dalamsuatuheatexchangerselaluterjadiperpindahanpanaskeataudarilingkunganyangtidakdiharapkan.Untukmengurangiperpindahanpanasinidigunakanisolatortermal.Efektivitasheatexchangerakanmeningkatjikapanasyanghilangkeataudarilingkungandapatdikurangi.Secarateoritisuntukheatexchangerberbentukkotaksemakintebalisolatortermalyangdigunakansemakinkecilpanasmengalirkeataudarilingkungan.Dalampenelitianinidicaripengaruhketebalanisolatortermalterhadapefektivitassuatuplateheatexchanger.Percobaandilakukanuntuk2jenisisolator,yaituglasswooldanrockwool.Hasilyangdidapatadalahefektivitasakanmeningkatsampaihargatertentudankemudianakanberkurangdenganpenambahanketebalanisolatortermal.Katakunci:isolatortermal,efektivitas,plateheatexchanger.The

LabVIEW

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LabVIEW,

but

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designed

specifically

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