板式換熱器熱力計(jì)算及分析(整合)_圖文

1、第一章 概 論1.1綜 述目前板式換熱器已成為高效、緊湊的熱交換設(shè)備，大量地應(yīng)用于工業(yè)中。它的發(fā)展已有一百多年的歷史。德國(guó)在1878年發(fā)明了板式換熱器，并獲得專利，到1886年，由法國(guó)M.Malvazin首次設(shè)計(jì)出溝道板板式換熱器，并在葡萄酒生產(chǎn)中用于滅菌。APV公司的R.Seligman在1923年成功地設(shè)計(jì)了可以成批生產(chǎn)的板式換熱器，開(kāi)始時(shí)是運(yùn)用很多鑄造青銅板片組合在一起，很像板框式壓濾機(jī)。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(xiàn)代用薄板壓制的波紋板形式，為板式換熱器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。與此同時(shí)，流體力學(xué)與傳

2、熱學(xué)的發(fā)展對(duì)板式換熱器的發(fā)展做出了重要的貢獻(xiàn)，也是板式換熱器設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)最重要的技術(shù)理論依據(jù)。如：19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，雷諾（Reynolds）用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了層流和紊流的客觀存在，提出了雷諾數(shù)為流動(dòng)阻力和損失奠定了基礎(chǔ)。此外，在流體、傳熱方面有杰出貢獻(xiàn)的學(xué)者還有瑞利（Reyleigh）、普朗特（Prandtl）、庫(kù)塔（Kutta）、儒可夫斯基（ ）、錢學(xué)森、周培源、吳仲華等。通過(guò)廣泛的應(yīng)用與實(shí)踐，人們加深了對(duì)板式換熱器優(yōu)越性的認(rèn)識(shí)，隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大和制造技術(shù)的進(jìn)步，使板式換熱器的發(fā)展加快，目前已成為很重要的換熱設(shè)備。近幾十年來(lái)，板式換熱器的技術(shù)發(fā)展，可以歸納為以下幾個(gè)方面。1：研究高效的波紋板片

3、。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(xiàn)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(duì)其波紋的斷面尺寸波紋的高度、節(jié)距、圓角等進(jìn)行大量的研究，同時(shí)也發(fā)展了一些特殊用途的板片。2：研究適用于腐蝕介質(zhì)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(fā)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。我國(guó)設(shè)計(jì)制造應(yīng)用情況我國(guó)板式換熱器的研究、設(shè)計(jì)、制造，開(kāi)始于六十年代。1965年，蘭州石油化工機(jī)器廠根據(jù)一些資料設(shè)計(jì)、制造了單板換熱器面積為0.52m2的水平平直波紋板

4、片的板式換熱器，這是我國(guó)首家生產(chǎn)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(jìn)了W.Schmidt公司的板式換熱器制造技術(shù)，增加了板式換熱器的品種。1967年，蘭州石油機(jī)械研究所對(duì)板片的六種波紋型式作了對(duì)比試驗(yàn)，肯定了人字形波紋的優(yōu)點(diǎn)，并于1971年制造了我國(guó)第一臺(tái)人字形波紋板片（單板換熱面積為0.3m2）的板式換熱器，這對(duì)于我國(guó)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(jī)械研究所組織了板式換熱器技術(shù)交流會(huì)，對(duì)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(yīng)用等方面進(jìn)行了討論，促進(jìn)了我國(guó)板式換熱器的發(fā)展。國(guó)家石油鉆采煉化設(shè)備質(zhì)量監(jiān)測(cè)中心還對(duì)板式

5、換熱器的性能進(jìn)行了大量的測(cè)定。清華大學(xué)于八十年代初期，對(duì)板式換熱器的換熱、流體阻力和優(yōu)化等方面進(jìn)行了理論研究，認(rèn)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(duì)板式換熱器的熱工性能評(píng)價(jià)指標(biāo)及板式換熱器的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。近幾十年來(lái)，他們還作了大量的國(guó)產(chǎn)板片的性能測(cè)定。河北工學(xué)院就板式換熱器的流體阻力問(wèn)題進(jìn)行了研究，認(rèn)為只有當(dāng)板片兩側(cè)的壓差相等或壓差很小時(shí)，板片以自身的剛性使板間距保持在設(shè)計(jì)值上，否則板片會(huì)發(fā)生變形，致使板間距發(fā)生變化，出現(xiàn)受壓通道和擴(kuò)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(jìn)、出口管）進(jìn)行整理，得到一種新的流體阻力計(jì)算公式

6、。天津大學(xué)對(duì)板式換熱器的兩相流換熱及其流體主力計(jì)算進(jìn)行了大量的研究，得出考慮因素比較全面的換熱計(jì)算公式。近年來(lái)，研制了非對(duì)稱型的板式換熱器，進(jìn)行了國(guó)產(chǎn)板式換熱器的性能測(cè)定及優(yōu)化設(shè)計(jì)等工作。華南理工大學(xué)、大連理工大學(xué)等高等院校和科研單位，也對(duì)板式換熱器的換熱、流體阻力理論或工程應(yīng)用方面作了很多有益的工作。進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)，我過(guò)的板式換熱器研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，在借鑒國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，也逐漸形成了自己的一套設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)模式，與世界領(lǐng)先技術(shù)的差距進(jìn)一步縮小。我國(guó)板式換熱器的制造廠家有四五十家、年產(chǎn)各種板式換熱器數(shù)千臺(tái)計(jì)，但是我國(guó)的板式換熱器的應(yīng)用遠(yuǎn)不及國(guó)外，這與人們對(duì)板式換熱器的了解程度、使用習(xí)慣以

7、及國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的水平有關(guān)。七十年代，板式換熱器主要應(yīng)用于食品、輕工、機(jī)械等部門；八十年代也僅僅是應(yīng)用到民用建筑的集中供熱；八十年代中期開(kāi)始，在化工工藝流程中較苛刻的場(chǎng)合也出現(xiàn)了板式換熱器的身影。由于人們對(duì)板式換熱器工作原理、熱力計(jì)算、校驗(yàn)等不熟悉的原因，使得板式換熱器在開(kāi)發(fā)到應(yīng)用的時(shí)間跨度上，花費(fèi)了較多的時(shí)間。國(guó)外著名廠家及其產(chǎn)品現(xiàn)在，世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都制造板式換熱器，其產(chǎn)品銷往世界各地。最著名的廠家有英國(guó)APV公司、瑞典ALFA-LAVAL公司、德國(guó)GEA公司、美國(guó)OMEXEL公司、日本日阪制作所等。（一）：英國(guó)APV公司。APV公司的Richard Seligman博士于1923年就成功設(shè)

8、計(jì)了第一臺(tái)工業(yè)性的板式換熱器。其在國(guó)外有20個(gè)聯(lián)合公司，遍及美、德、法、日、意、加等國(guó)。Seligman設(shè)計(jì)的板式換熱器板片為塞里格曼溝道板。三十年代后期，英國(guó)人Goodman提出的階梯形斷面的平直波紋，性能并不十分優(yōu)越。目前APV公司生產(chǎn)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(tái)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(tái)換熱面積為1600m2。APV公司換熱器產(chǎn)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(hào)最高工作 壓 力(MPa單板換熱 面 積(m2半片外型尺寸

9、 長(zhǎng)X寬 (mm X mm單臺(tái)最多 板 片 數(shù)長(zhǎng)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(hào)最高工作 壓 力(MPa單板換熱 面 積(m2半片外型尺寸 長(zhǎng)X寬 (mm X mm單臺(tái)最多 板 片

10、數(shù)長(zhǎng)管尺寸（mm）(表1-1續(xù)（二）：ALFA-LAVAL公司。ALFA-LAVAL公司制造的板式換熱器，其銷售遍布99個(gè)國(guó)家，從該公司于1930年生產(chǎn)的第一臺(tái)板式巴氏滅菌器開(kāi)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(fā)展了釘焊板式換熱器；1980年對(duì)葉片的邊緣做了改造，以增強(qiáng)抗壓能力。該公司的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品性能：最高工作壓力2.5MPa；最高工作溫度250；最大單臺(tái)流量3600m3/h；總傳熱系數(shù)35007500W/(m2.K；每臺(tái)換熱面積0.12200m2；最大接管尺寸450mm。（三）：GEA AHLBORN公司。該公司現(xiàn)有Free-Flow和Varitherm

11、兩個(gè)系列產(chǎn)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(jié)構(gòu)特殊，板片的斷面是弧狀，而且分割成幾個(gè)獨(dú)立的流道，相鄰兩板波紋之間無(wú)支點(diǎn)，靠分割流道的墊片作支撐，以抗壓力差。顯而易見(jiàn)，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(shù)特性如表1-2：表1-2 GEA AHLBORN公司主要板式換熱器技術(shù)特性縱/span橫人字形1.28td td 型號(hào)板片最高工作壓 力(MPa最高工作溫 度(最大流量(m3/h波紋型式外形尺寸長(zhǎng)x寬(mm單板

12、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1754X6100.811.6250500805縱/橫人字形1194X6100

13、.401.62505001302195X810p1.6250pspan15001306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(chǎn)截球形波紋片（sigma-20），因性能欠佳已不再生產(chǎn)。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(yīng)各種工況的需要。W.Schmidt公司的板式換熱器，一般工作壓力為1.6

14、MPa，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(xiàn)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(shù)特性見(jiàn)表1-3：表1-3 HISAKA公司板式換熱器技術(shù)特性型號(hào)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(tái)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-110.714601.2200150EX-120.88831.0200

15、260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(chǎn)的產(chǎn)品符合壓力容器規(guī)范和質(zhì)量保證體系:美國(guó)ASME日本JIS標(biāo)準(zhǔn)美國(guó)3A衛(wèi)

16、生標(biāo)準(zhǔn)中國(guó)GB16409-1996ISO9001/14001/18000OMEXELL公司產(chǎn)品提供的材料、材質(zhì)特性（表1-4、表1-5、表1-6、表1-7）：表1-4板片材質(zhì)不銹鋼AISI304/316/316L凈水、河川水、食用油、礦物質(zhì)SM0254稀硫酸、無(wú)機(jī)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(wú)機(jī)水溶液石墨鹽酸、中濃度硫酸、磷酸、氟酸表1-5墊片材質(zhì)丁腈橡膠水、海水、礦物質(zhì)、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(jī)溶劑180氯丁橡膠酸、堿、礦物質(zhì)、潤(rùn)滑油130硅橡膠食品、油、脂肪、酒精180-

17、220石棉260表1-6框架材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)碳鋼特殊包不銹鋼/全不銹鋼表1-7接口材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)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(guó)公司的發(fā)展情況不難發(fā)現(xiàn)，板式換熱器的整個(gè)發(fā)展，其最終目的都是圍繞著如何提高熱交換效率。早期的發(fā)展由于技術(shù)限制，主要發(fā)展的就是結(jié)構(gòu)、板型，通過(guò)優(yōu)化、熱力計(jì)算及分析，這些優(yōu)化的方法都是可行的。進(jìn)入現(xiàn)代以后，板式換熱器的發(fā)展著重于材料的選擇以及結(jié)構(gòu)上的細(xì)節(jié)優(yōu)化。1.2 板式換熱器基本構(gòu)造整體結(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

18、件所組成，如圖1-1所示：圖1-1 板式換熱器結(jié)構(gòu)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(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)稱為板式換熱器的框架。按一定規(guī)律排列的所有板片，稱為板束。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

19、，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。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(shí)間，通常需要在滅菌器的特定位置上安裝延遲板。為了節(jié)約占地面積，APV公司和ALFA-LAVAL公司開(kāi)發(fā)應(yīng)用了一種雙框架結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)有兩種形式，第一種是公用一個(gè)檢修空間，左

20、右各設(shè)一個(gè)固定壓緊板，中間設(shè)兩個(gè)活動(dòng)壓緊板；第二種是共用中間的固定壓緊板，左、右各設(shè)一個(gè)活動(dòng)壓緊板。雙框架的結(jié)構(gòu)，可視為兩臺(tái)板式換熱器裝在一起。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 典型的流程組合板

21、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。（一）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。（二）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：寬窄通道的板片板式換熱器的

22、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，密封周邊的長(zhǎng)度(m將是換熱面積(m2的68倍，超過(guò)了任何其它類型的換熱器。（一）半焊式板式換熱器半焊式板式換熱器的結(jié)構(gòu)是每?jī)蓮埐y板焊接在一起，然后將它們組合在一起，彼此之間用墊片進(jìn)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一側(cè)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(chǎn)品。ALFA-LAVAL公司生產(chǎn)的Lamal

23、la板式換熱器就是屬于全焊接式板式換熱器。但是這種結(jié)構(gòu)制造困難，板片破損后也無(wú)法修復(fù)。再生式冷卻系統(tǒng)，就板式換熱器本身而言，和普通的板式換熱器沒(méi)有差別，只是在管線上增加了換向閥，并進(jìn)行自動(dòng)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(zhì)。1.3板式換熱器的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用人們通過(guò)科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐，對(duì)板式換熱器的特點(diǎn)有了深刻的了解，并總結(jié)出一系列優(yōu)缺點(diǎn)，通常是和管殼式換熱器加以比較，共歸納為以下幾點(diǎn)：（一）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

24、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)，

25、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

26、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)??；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(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。（二）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

27、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粒或纖維物質(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)。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。隨著制造技術(shù)的提高，出現(xiàn)了耐腐蝕的

28、板片材料和耐溫、耐腐蝕的墊片材料，板片也逐漸大型化。現(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、海洋石油平臺(tái)、機(jī)械工業(yè)、污水處理、民用建筑工業(yè)等。1.4 產(chǎn)品質(zhì)量及產(chǎn)生的問(wèn)題板式換熱器的零部件品種少，標(biāo)準(zhǔn)化、通用化程度高，所以制造工藝很容易實(shí)現(xiàn)規(guī)范化。國(guó)外大型的板式換熱器制造廠都有自己的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，但均不公開(kāi)對(duì)外。目前尚無(wú)板式換熱器制造的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或通用的先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)。這就給產(chǎn)品的質(zhì)量控制帶來(lái)了問(wèn)題。我國(guó)根據(jù)自己的生產(chǎn)、使用實(shí)踐，并分析了國(guó)外產(chǎn)品的質(zhì)量，制定了專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，即：ZBJ74001-87可

29、拆卸板式換熱器技術(shù)條件、JB/TQ540-87可拆卸板式換熱器性能測(cè)試方法、JB/TQ538-87可拆卸板式換熱器質(zhì)量分等。適用于輕工、醫(yī)藥、食品、石油、化工、機(jī)械、冶金、礦山、電力及船舶等部門。綜上所述，對(duì)板式換熱器的主要制造技術(shù)要求是：一、制造材料我國(guó)板式換熱器主要零部件的制造材料參見(jiàn)表1-6、表1-7。二、半片質(zhì)量1：表面不允許超過(guò)厚度公差的凹坑、劃傷、壓痕等缺陷，沖切毛刺必須清除干凈。2：食品工業(yè)用的板片，沖壓后其工作表面的粗糙度應(yīng)不低于原板材。3：波紋深度偏差應(yīng)不大于0.20mm，墊片槽深度偏差也不應(yīng)大于0.20mm。4：成型減薄量應(yīng)不大于原實(shí)際板厚的30%。5：任意方向的基面平行度

30、不大于3/1000mm。42850.14 三、墊片質(zhì)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(yīng)符合表1-8的規(guī)定：表1-8 墊片性能要求和使用溫度633硅橡膠其中住宅：40050.14，商業(yè)：1200，托兒所：600總計(jì)1180346.4213275 項(xiàng)目氯丁橡膠丁腈橡膠三元乙丙橡膠氟橡膠石棉纖維板性能扯斷強(qiáng)度(MPa87.010.0扯斷伸長(zhǎng)率(%429357.3硬度 (邵氏A永久壓縮變形(%使用溫度-40100-20120-50150-65230-2020020350四、換熱性能板片的性能，在水水換熱、逆流運(yùn)行、熱側(cè)定

31、性溫差為40、兩側(cè)流速為0.5m/s條件下的總傳熱系數(shù)，對(duì)水平平直波板片，應(yīng)大于2210W/(m2.K;對(duì)于人字形波紋板片，應(yīng)大于2908W/(m2.K。在第二章及以后章節(jié)，將會(huì)對(duì)板式換熱器的熱力計(jì)算進(jìn)行重點(diǎn)、綜合的研究。五、液壓試驗(yàn)以水為實(shí)驗(yàn)液體，兩側(cè)應(yīng)分別進(jìn)行單側(cè)壓力試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為1.25倍設(shè)計(jì)壓力。試壓后應(yīng)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(guān)計(jì)算2.1 傳熱過(guò)程板式換熱器中冷、熱流體之間的換熱一般都是通過(guò)流體的對(duì)流換熱（或相變換熱）、垢層及板片的導(dǎo)熱來(lái)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(duì)流換熱對(duì)流和導(dǎo)熱都是傳熱的基本方式

32、。對(duì)于工程上的傳熱過(guò)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(zhì)點(diǎn)的不斷運(yùn)動(dòng)的混合，即所謂的對(duì)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(dǎo)熱作用。這種對(duì)流和導(dǎo)熱同時(shí)存在的過(guò)程，稱為對(duì)流換熱。由于引起流體流動(dòng)的原因不同而使對(duì)流換熱的情況有很大的差異，所以將對(duì)流換熱分為兩大類。一類是自然對(duì)流（或稱自由流動(dòng)）換熱，即因流體各部分溫度不同引起的密度差異所產(chǎn)生的流動(dòng)換熱，如：空氣沿散熱器表面的自然對(duì)流換熱；另一類是強(qiáng)制對(duì)流（或稱為強(qiáng)迫流動(dòng)）換熱，即流體在泵或風(fēng)機(jī)等外力作用下流動(dòng)時(shí)的換熱，如：熱水在泵的驅(qū)動(dòng)下，在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的換熱。一般情況下，強(qiáng)制流動(dòng)時(shí)，流體的

33、流速高于自由流動(dòng)時(shí)，所以強(qiáng)制流動(dòng)的對(duì)流換熱系數(shù)高。如：空氣的自由流動(dòng)換熱系數(shù)約為525W/（m2.），而它的強(qiáng)制流動(dòng)傳熱系數(shù)為10100W（m2.）。影響對(duì)流換熱的因素很多，如流體的物性（比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、密度、粘度等），換熱器表面形狀、大小，流體的流動(dòng)方式，都會(huì)影響對(duì)流換熱，而且情況很復(fù)雜。在傳熱計(jì)算上為了方便，建立了以下的對(duì)流換熱量的計(jì)算公式（牛頓冷卻公式）：Q=（tw-tf）A或q=（tw-tf）有該公式可見(jiàn)，影響對(duì)流換熱的因素都被歸結(jié)到對(duì)流換熱系數(shù)中，對(duì)流換熱系數(shù)數(shù)值上的大小反映了對(duì)流換熱的強(qiáng)弱。（二）相變換熱在對(duì)流換熱中發(fā)生著蒸汽的凝結(jié)或液體的沸騰（或蒸發(fā)）的換熱過(guò)程，統(tǒng)稱為相變換熱

34、。由于在這類換熱過(guò)程中，同時(shí)發(fā)生著物態(tài)的變化，情況要比單相流體中的對(duì)流換熱復(fù)雜得多，所以，相變換熱問(wèn)題成為一個(gè)獨(dú)立的研究領(lǐng)域，而一般的對(duì)流換熱問(wèn)題也就僅指單相流體而言。1：凝結(jié)換熱蒸汽和低于相應(yīng)壓力下飽和溫度的壁面相接觸，在壁面上就會(huì)發(fā)生凝結(jié)。蒸汽釋放出汽化潛熱而凝結(jié)成液體，這種放熱現(xiàn)象稱為凝結(jié)換熱。按照蒸汽在壁面上的凝結(jié)形式不同，可分為兩種凝結(jié)。一種為膜狀凝結(jié)，即凝結(jié)液能很好地潤(rùn)濕壁面，凝結(jié)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(jié)情況。膜狀凝結(jié)時(shí)所釋放出來(lái)的潛熱必須通過(guò)凝結(jié)膜才能供給較低溫度的壁面，顯然，這層液膜成為一項(xiàng)熱阻。而珠狀凝結(jié)時(shí)，換熱是在蒸汽與液珠表面和蒸汽與裸

35、露的冷壁間進(jìn)行的，所以膜狀凝結(jié)傳熱系數(shù)要比珠狀凝結(jié)傳熱系數(shù)低，如：水蒸汽在大氣壓下，膜狀凝結(jié)傳熱系數(shù)約為6000104/(m2.，而珠狀凝結(jié)時(shí)則為4*(104106W/(m2.。但是在工業(yè)過(guò)程中，一般都是膜狀凝結(jié)，除非對(duì)壁面進(jìn)行預(yù)處理或在蒸汽中加入促進(jìn)劑。對(duì)于單一介質(zhì)，在層流膜狀凝結(jié)情況下，不考慮液膜內(nèi)流體的對(duì)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(jié)液膜中的速度和溫度分布蒸汽流速對(duì)凝結(jié)換熱的影響很大，當(dāng)蒸汽以一定的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，蒸汽和液膜間會(huì)產(chǎn)生一定的力的作用。若蒸汽和液膜的流動(dòng)方向相同，這種力的作用將使凝結(jié)液膜減薄，并促使液膜產(chǎn)生一定的波動(dòng)，故使凝結(jié)傳熱增強(qiáng)。當(dāng)蒸汽和液

36、膜流向相反時(shí)，力的作用會(huì)阻礙液膜流動(dòng)，使液膜增厚，導(dǎo)致傳熱惡化。但是，當(dāng)這種力的作用超過(guò)重力時(shí)，液膜會(huì)被蒸汽帶動(dòng)面脫離壁面，反而使傳熱系數(shù)急劇增大。在板式換熱器中，由于流道狹窄，蒸汽的流動(dòng)方向宜于自上而下，并且應(yīng)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(zhì)與蒸汽在板式換熱器的通道中是平行地流動(dòng)，兩者相對(duì)的流動(dòng)方向不同影響到凝結(jié)過(guò)程的不同。逆流時(shí)因通道的下部溫差大，所以蒸汽凝結(jié)大部分發(fā)生在通道下部，而順流時(shí)則相反。見(jiàn)圖2-2所示：圖2-2 順、逆流時(shí)流體沿程的溫度變化所以，逆流時(shí)蒸汽的壓降要比順流時(shí)大，相應(yīng)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(fù)荷的條件下，應(yīng)該首先

37、考慮選擇使用順流布置。蒸汽的壓力對(duì)凝結(jié)換熱也有一定的影響，天津大學(xué)的研究表明，在同養(yǎng)殖量的流速下，壓力的提高使密度增大。從而使凝結(jié)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(shù)也將大大降低。例如：水蒸汽中不凝性氣體容積的含量?jī)H為0.5%時(shí)，傳熱系數(shù)就下降50%。在板式換熱器的運(yùn)行系統(tǒng)中，應(yīng)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(chǎn)生的沸騰或蒸發(fā)吸熱過(guò)程，稱為沸騰換熱，這是一種流體由液相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀嗟膿Q熱過(guò)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(qiáng)迫對(duì)流沸騰）。不論哪種沸騰，又都有過(guò)冷沸騰和飽和沸騰之分。過(guò)冷沸騰是在液體主流溫度低于

38、相應(yīng)壓力下的飽和溫度而加熱壁面溫度已超過(guò)飽和溫度的條件下所發(fā)生的沸騰現(xiàn)象。飽和沸騰則是液體的主流溫度超過(guò)了飽和溫度，從加熱壁面產(chǎn)生的氣泡不再被液體重新凝結(jié)的沸騰。飽和沸騰時(shí)，壁溫與液體飽和溫度之差（q=tw-ts）稱為沸騰溫差，設(shè)沸騰傳熱系數(shù)為b，則有：q= b(tw-ts在板式換熱器內(nèi)所發(fā)生的飛騰過(guò)程屬于有限空間沸騰，流體是在外力驅(qū)動(dòng)下的流動(dòng)過(guò)程中因受熱而發(fā)生的沸騰，故也稱為強(qiáng)迫對(duì)流沸騰，它的沸騰點(diǎn)與流體在垂直管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的沸騰狀況基本相同，見(jiàn)圖2-3。開(kāi)始時(shí)是過(guò)冷沸騰，隨著溫度的提高，產(chǎn)生愈來(lái)愈多的氣泡，于是相繼產(chǎn)生泡狀、塊狀、氣塞狀、環(huán)狀以至霧狀的流動(dòng)沸騰。在蒸汽中的液滴蒸發(fā)完后，流體的加

39、熱就屬于單相流的強(qiáng)制換熱了，蒸汽得到過(guò)熱。圖2-3 垂直管內(nèi)沸騰時(shí)流型圖（三）導(dǎo)熱在板式換熱器中，板片及垢層的傳熱均屬于導(dǎo)熱。由于板片及垢層的厚度和板面尺寸相比很小，所以導(dǎo)熱過(guò)程可認(rèn)為是沿厚度方向的一維導(dǎo)熱，其計(jì)算公式為：及式中 、分別為板材、一側(cè)垢層及另一側(cè)垢層的熱導(dǎo)率(W/m.；、分別為板材、一側(cè)垢層及另一側(cè)垢層的厚度(m。如果板片表面有非金屬涂層，則還應(yīng)考慮通過(guò)涂層的導(dǎo)熱，其計(jì)算式為：式中 涂層熱導(dǎo)率(W/m.； 涂層表面溫度(； 涂層與板壁面接觸處溫度(； 涂層厚度(m。2.2 熱力計(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)撒謊能夠滿足熱負(fù)荷所應(yīng)具有的換熱面積、傳熱系

40、數(shù)、總傳熱系數(shù)、平均溫差等綜合方面的計(jì)算。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)備類型類似的換熱器的總傳熱系數(shù)值作為設(shè)計(jì)依據(jù)。表2-1列出了一般情況下板式換熱器的總傳熱系數(shù)值。表2-1 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/m2.280046508709304005801753502858（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

41、，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。（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：為了解決腐蝕問(wèn)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(shù)的計(jì)算式則為：涂層的厚度雖然一般僅為幾十微米，但涂層的導(dǎo)熱系數(shù)很小，一般為0.30.6W/(m.，所以涂層熱阻相當(dāng)大，絕對(duì)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

42、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：（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(jié)放熱Q=qmxr或 Q=qmx(i-i以上式子表示產(chǎn)生qmx公斤的蒸汽所需要的沸騰吸熱量或qmx公斤蒸汽凝結(jié)所放出的熱量。如果在板式冷凝器中產(chǎn)生過(guò)冷或板式蒸發(fā)器中發(fā)生過(guò)熱，則總熱量為凝結(jié)段放熱量與過(guò)冷段放熱量之和，或?yàn)檎舭l(fā)段吸熱量與過(guò)熱段吸熱量之和。過(guò)冷段的熱量可用（1）中的式子進(jìn)行計(jì)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(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

43、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)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

44、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。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傳熱系數(shù)的計(jì)算（一）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如果流體的粘度變化很大，則可采用S

45、ieder-Tate的關(guān)聯(lián)式的形式：Marriott指出，當(dāng)流體被加熱時(shí)m=0.4；被冷卻時(shí)，m=0.3。C=0.150.4，n=0.650.85，x=0.050.2(指粘度修正項(xiàng)上的指數(shù)對(duì)于牛頓型層流換熱時(shí)，可采用下面關(guān)聯(lián)式：上式中C=1.864.50；n=0.250.33；x=0.10.2過(guò)渡流時(shí)所得出的關(guān)聯(lián)式比較復(fù)雜，故通?？筛鶕?jù)Re的數(shù)值，由板式換熱器的特性圖線查得。對(duì)流傳熱系數(shù)的求解也可利用表達(dá)傳熱因子與Re的關(guān)聯(lián)式計(jì)算：式中柯?tīng)柵髠鳠嵋蜃?，即式中，斯坦頓數(shù)，所以，對(duì)流傳熱系數(shù)為：圖2-7為某種板式換熱器的柯?tīng)柵髠鳠嵋蜃雍蚏e的關(guān)系圖：圖2-7 關(guān)系圖在計(jì)算Re數(shù)值時(shí)，所采用的當(dāng)量直

46、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(稱為非對(duì)稱型結(jié)構(gòu)，這是兩側(cè)的當(dāng)量直徑應(yīng)分別計(jì)算。（二）凝結(jié)傳熱系數(shù)板式冷凝器中蒸汽的流速高，凝結(jié)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(jì)算式不能用來(lái)求解板式冷凝器中的蒸汽傳熱系數(shù)。由于板式冷凝器的復(fù)雜通道結(jié)構(gòu)，使得其中的蒸汽流動(dòng)凝結(jié)換熱過(guò)程很復(fù)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(zhì)的相對(duì)流動(dòng)方向等。所以雖然有專家提出過(guò)計(jì)算式，但尚未得到人們的公認(rèn)，即

47、使國(guó)外的權(quán)威書籍換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)也未曾列入板式冷凝器的凝結(jié)傳熱計(jì)算式。（三）沸騰傳熱系數(shù)由于板式蒸發(fā)器的應(yīng)用還有較大的局限性，以及其中蒸發(fā)傳熱過(guò)程的復(fù)雜性，所以，迄今為止，無(wú)論對(duì)于波紋型或非波紋型板式蒸發(fā)器的沸騰傳熱計(jì)算式已正式發(fā)表的極少。Chen求解沸騰傳熱系數(shù)b的計(jì)算式為：式中S核沸騰影響的系數(shù)；池沸騰傳熱系數(shù)；兩相流強(qiáng)制對(duì)流傳熱系數(shù)式中表面張力(N/m；對(duì)應(yīng)于=(tw-to的蒸汽壓力差(Pa；R換算系數(shù)，為9.8(N.m/(s2.N。式中修正系數(shù)，是液體湍流氣體湍流時(shí)馬丁尼利參數(shù)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

48、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，即污垢熱阻的大小和流體種類、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)。如圖2-8所示：圖2-8 污垢熱阻與時(shí)間的關(guān)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(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

49、半。在設(shè)計(jì)選取板式換熱器的污垢熱阻值時(shí)，其數(shù)值應(yīng)不大于客觀是的公開(kāi)發(fā)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(jiàn)表2-2所示：表2-2 板式換熱器中的污垢熱阻值液 體 名 稱污 垢 熱 阻(m2./W液 體 名 稱污 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0.0000070.000052p 處理過(guò)的冷卻水0.000034有機(jī)溶劑0.0000090.000026p 沿海海水或港灣水0.000043水蒸氣0.000

50、009p 大洋的海水0.000026工藝流體、一般流體0.0000090.000052p 河水、運(yùn)河水0.000043壁溫的計(jì)算在計(jì)算板式換熱器的液體對(duì)流傳熱系數(shù)、凝結(jié)傳熱系數(shù)及沸騰傳熱系數(shù)時(shí)，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(jié)構(gòu)關(guān)系，無(wú)法直接測(cè)定板片表面溫度，所以必須通過(guò)計(jì)算求得。而壁溫的計(jì)算有總是與傳熱系數(shù)發(fā)生關(guān)系，故只能采用試算的方法，具體步驟如下：1：假定一側(cè)壁溫，如；2：由準(zhǔn)則關(guān)系式求該側(cè)傳熱系數(shù)；3：由下式計(jì)算該側(cè)單位面積上換熱量；4：根據(jù)壁的熱阻用下式計(jì)算另一側(cè)壁溫5：由準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式求得另一側(cè)傳熱系數(shù)6：計(jì)算另一側(cè)的單位面積換量如果假定的壁溫

51、正確，則應(yīng)有。因此，當(dāng)時(shí)，則應(yīng)重新假定壁溫再進(jìn)行計(jì)算，直至與基本相等為止。在試算中，為了使試算過(guò)程明了簡(jiǎn)捷，可一次假定幾個(gè)壁溫，使其中最低的一個(gè)明顯低于實(shí)際上的壁溫，而最高的一個(gè)明顯高于實(shí)際壁溫；將計(jì)算的各項(xiàng)數(shù)據(jù)列成表格，然后以、為縱坐標(biāo)，以或?yàn)闄M坐標(biāo)，即可得到兩條相交的曲線，其交點(diǎn)即為所求的壁溫值，見(jiàn)圖2-9。圖2-9 試算確定壁溫如果兩側(cè)的傳熱系數(shù)只有一側(cè)與壁溫有關(guān)，另一側(cè)與壁溫?zé)o關(guān)，則試算工作可從與壁溫?zé)o關(guān)的這一側(cè)開(kāi)始，即先酸楚這一側(cè)的傳熱系數(shù)，并假定該側(cè)壁溫，然后計(jì)算出另一側(cè)的q，并使兩側(cè)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

52、得問(wèn)題簡(jiǎn)化，在工程計(jì)算中一般可不考慮垢阻對(duì)壁溫的影響。換熱面積計(jì)算（一）平均溫差法根據(jù)傳熱的基本方程式，可求得所需的換熱面積為（二）傳熱單元數(shù)法板式換熱器換熱面積的計(jì)算，可運(yùn)用平均溫差法，也可以運(yùn)用傳熱單元數(shù)法。傳熱單元數(shù)NTU的定義式可更廣泛地表達(dá)為：或式中、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(shù)K值，換熱面積A即可由上式求得。傳熱單元數(shù)的大小和溫度效率及兩換熱流體的熱容量之比有關(guān)。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(jìn)口溫度差之比，即：或與之相對(duì)應(yīng)的熱容量比為或通過(guò)建立能量平衡方程式，可求的溫度效率和傳熱單元數(shù)、熱容量比之間的關(guān)系，并繪制成圖線。（三

53、）流程組合確定后換熱面積的計(jì)算無(wú)論應(yīng)用平均溫差法還是應(yīng)用NTU法，計(jì)算換熱面積都要先設(shè)定一個(gè)流程組合，由計(jì)算所得的換熱面積和該流程組合的換熱面積相等或稍小時(shí)即能滿足工況的要求，否則應(yīng)重新設(shè)定一個(gè)流程組合再作計(jì)算，直到滿足工況為止。在流程組合確定的情況下，總的板片數(shù)就被確定為當(dāng)冷流體、熱流體的各程通道數(shù)相等時(shí)，則式中與程內(nèi)通道數(shù)除去兩端板片，實(shí)際參與傳熱的板片數(shù)為若單板的有效換熱面積為，則總的換熱面積為2.3 板式換熱器的流動(dòng)阻力計(jì)算流體在流動(dòng)中只有克服阻力才能前進(jìn)，流速愈高阻力愈大。在同樣的流速下，不同的板型或不同的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，阻力也不同。流動(dòng)阻力的大小不僅直接關(guān)系到輸送流體的泵或風(fēng)機(jī)的動(dòng)力消耗，而且也關(guān)系到泵或風(fēng)機(jī)的容量與型式的選擇，因此，對(duì)于換熱器必須進(jìn)行流動(dòng)阻力的計(jì)算。此外，通過(guò)阻力計(jì)算還可以了解并比較不同換熱器的阻力性能的差別。在有相變的情況（如板式冷凝器或板式蒸發(fā)器）下，由于阻力不同而造成的壓降大小不同還影響到傳熱溫差的大小，因而流動(dòng)阻力的計(jì)算更進(jìn)一步地與熱力計(jì)算發(fā)生關(guān)聯(lián)。（一）單相流對(duì)于單相流體，在流體中所遇到的流動(dòng)阻力通常為兩種。1：摩擦阻力流體在流道中流動(dòng)時(shí)，流體與固體的壁面相接觸，由