《板翅式換熱器》課件

板翅式換熱器設(shè)計(jì)Plate-finHeatExchanger二零零五年七月1精選課件ppt本章主要內(nèi)容一、緒論二、板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)三、板翅式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算四、板翅式換熱器的流動(dòng)阻力計(jì)算五、板翅式換熱器的強(qiáng)度計(jì)算六、板翅式換熱器的制造工藝本章學(xué)習(xí)重點(diǎn)（1）了解板翅式換熱器的基本型式及結(jié)構(gòu)（2）能應(yīng)用基本傳熱公式對(duì)板翅式換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算2精選課件ppt§3-1緒論1發(fā)展概述二十世紀(jì)三十年代，英國(guó)的馬爾斯頓·艾克歇爾瑟（MarstonExcelsior）公司首次開(kāi)發(fā)出銅及銅合金制板翅式換熱器，并將其用作航空發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器。此后，各種金屬材料的板翅式換熱器相繼出現(xiàn)在工程應(yīng)用中，唯以鋁合金材料為主。我國(guó)是從60年代初期開(kāi)始試制的。首先用于空分制氧，制成了第一套板翅式空分設(shè)備。近幾年來(lái)，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、翅片規(guī)格、生產(chǎn)工藝和設(shè)計(jì)、科研方面都有較大發(fā)展，應(yīng)用范圍也日趨廣泛。3精選課件ppt2優(yōu)缺點(diǎn)－優(yōu)點(diǎn)傳熱效率高，溫度控制性好翅片的特殊結(jié)構(gòu)，使流體形成強(qiáng)烈湍流，從而有效降低熱阻，提高傳熱效率。其傳熱系數(shù)也比列管式換熱器高5-10倍。傳熱效率與功耗比低，可精確控制介質(zhì)溫度。結(jié)構(gòu)緊湊傳熱面積密度可高達(dá)17300m2/m3，一般為管殼式換熱器的6-10倍，最大可達(dá)幾十倍。輕巧，經(jīng)濟(jì)性好翅片很薄，而結(jié)構(gòu)很緊湊、體積小、又可用鋁合金制造，因而重量很輕(可比管殼式換熱器降低80%)，故成本低。4精選課件ppt可靠性高全釬焊結(jié)構(gòu)，杜絕了泄漏可能性。同時(shí)，翅片兼具傳熱面和支撐作用，故強(qiáng)度高。靈活性及適應(yīng)性大：

1）兩側(cè)的傳熱面積密度可以相差一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，以適應(yīng)兩側(cè)介質(zhì)傳熱的差異，改善傳熱表面利用率；2）可以組織多股流體換熱(可達(dá)12股，這意味著工程、隔熱、支撐和運(yùn)輸?shù)某杀鞠慕档?，每股流的流道數(shù)和流道長(zhǎng)都可不同；

3）最外側(cè)可布置空流道（絕熱流道），從而最大限度地減少整個(gè)換熱器與周?chē)h(huán)境的熱交換。5精選課件ppt2優(yōu)缺點(diǎn)－缺點(diǎn)流道狹小，容易引起堵塞而增大壓降；當(dāng)換熱器結(jié)垢以后，清洗比較困難，因此要求介質(zhì)比較干凈。

鋁板翅式換熱器的隔板和翅片都很薄，要求介質(zhì)對(duì)鋁不腐蝕，若腐蝕而造成內(nèi)部串漏，則很難修補(bǔ)。

板翅式換熱器的設(shè)計(jì)公式較為復(fù)雜，通道設(shè)計(jì)十分困難，不利于手工計(jì)算；這也是限制板翅式換熱器應(yīng)用的主要原因。6精選課件ppt3板翅式換熱器應(yīng)用空氣分離裝置可逆式換熱器，冷凝蒸發(fā)器，液化器，液氮和液態(tài)空氣過(guò)冷器；石油化工在天然氣的液化、分離裝置，及合成氨工業(yè)中逐步獲得應(yīng)用；動(dòng)力機(jī)械內(nèi)燃機(jī)車(chē)散熱器，汽車(chē)散熱器、挖掘機(jī)循環(huán)油冷卻器和壓縮機(jī)空冷器、油冷器等；原子能和國(guó)防工業(yè)氫液化器和氮液化器。7精選課件ppt序號(hào)溫度范圍(℃)應(yīng)用領(lǐng)域1-269~-253氮?dú)庖夯蛛x2-253~-196氫氣液化分離3-196~-162空氣分離4-162~常溫乙烯精制、丙烯液化、氟里昂冷凍5常溫~150車(chē)船散熱器、冷卻器、油冷器、空冷器、空調(diào)裝置冷卻器及回?zé)崞?、地?zé)峒疤?yáng)能利用裝置的換熱器及回?zé)崞?各種溫度某些化工及石油化工用換熱器7100~500核電廠反應(yīng)堆用換熱器（前景較好）8特殊用途航天、航空及電子工業(yè)用的特殊換熱器、化學(xué)反應(yīng)及精餾等(主要是微槽道換熱器)8精選課件ppt機(jī)車(chē)水冷式中冷器風(fēng)冷式換熱器壓縮機(jī)風(fēng)冷式油、氣換熱器9精選課件ppt風(fēng)冷式氣冷卻器冷凝蒸發(fā)器工程機(jī)械風(fēng)冷式油換熱器10精選課件ppt壓縮機(jī)風(fēng)冷式油、氣換熱器空分主換熱器機(jī)車(chē)風(fēng)冷式油換熱器11精選課件ppt§3-2板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)板翅式換熱器由芯體、封頭、接管和支座組成。

熱交換由芯體完成，因此最關(guān)鍵的部件是芯體。芯體由翅片、隔板、封條和導(dǎo)流片組成。1基本結(jié)構(gòu)12精選課件ppt板翅式換熱器結(jié)構(gòu)圖13精選課件ppt2翅片作用及類(lèi)型翅片是板翅式換熱器最基本的元件，傳熱主要是依靠翅片來(lái)完成，一部分直接由隔板來(lái)完成。（1）作用（2）類(lèi)型翅片有鋸齒形、平直形、多孔形等多種結(jié)構(gòu)型式，可根據(jù)不同的操作條件來(lái)選擇合適的翅片型式；翅片的擴(kuò)展面和翅片對(duì)流體的擾流能力決定了熱交換能力；因此板翅式換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧及傳熱效率高等特點(diǎn)。而翅片傳熱不像隔板是直接傳熱，故翅片有“二次表面”之稱。翅片除承擔(dān)主要的傳熱任務(wù)外，還起著兩隔板間的加強(qiáng)作用。14精選課件ppt平直翅片特點(diǎn)是有很長(zhǎng)的帶光滑壁的長(zhǎng)方型翅片，傳熱與流動(dòng)特性類(lèi)似于流體在長(zhǎng)圓型管道中的流動(dòng)。鋸齒翅片特點(diǎn)是流體的流道被沖制成凹凸不平，從而增加流體的湍流程度，強(qiáng)化傳熱過(guò)程，故被稱為“高效能翅片”。15精選課件ppt多孔翅片是在平直翅片上沖出許多孔洞而成的，常放置于進(jìn)出口分配段和流體有相變的地方。波紋翅片是在平直翅片上壓成一定的波紋，促進(jìn)流體的湍動(dòng)，波紋愈密，波幅愈大，其傳熱性能愈好。16精選課件ppt百葉窗式翅片又稱鱗片式翅片或切斷式翅片，其特點(diǎn)是翅片上沖有等距離的百葉窗式的柵格，向內(nèi)流道凸出，起到強(qiáng)化傳熱的作用。板翅式換熱器有釬焊式和擴(kuò)散焊兩種基本結(jié)合型式。大多數(shù)熱交換工況采用的是真空釬焊的鋁制板翅式換熱器，對(duì)于腐蝕性較高的介質(zhì)，有真空釬焊的不銹鋼板翅式換熱器和鈦板翅式換熱器。17精選課件ppt（2）代號(hào)各翅片均采用我國(guó)漢語(yǔ)拼音符號(hào)和數(shù)字統(tǒng)一表示：例：PZ平直翅片DK多孔翅片JC鋸齒翅片BW波紋翅片例：65PZ2103表示:翅高6.5mm，節(jié)距（或翅片間距）2.1mm，厚度0.3mm

平直翅片18精選課件ppt3流動(dòng)形式通道以不同方式的疊置和排列可形成不同的流動(dòng)形式錯(cuò)流逆流錯(cuò)逆流19精選課件ppt1幾何尺寸計(jì)算hf----翅片高度，m；----翅片厚度，m；sf----翅片間距，m；B----翅片有效寬度，m；Le----翅片有效長(zhǎng)度，m；n----通道層數(shù)；x----翅片內(nèi)距x=s-，m；y----翅片內(nèi)高y=h-，m§3-3板翅式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算20精選課件ppt(1)當(dāng)量直徑

(2)通道橫截面積A

對(duì)于每層單元，通道的橫截面積為,m2

芯體的n層通道的橫截面積為,m2(3)通道橫截面積A

n層通道的一次傳熱面積,m2

n層通道的二次傳熱面積,m2

n層通道的總傳熱面積,m2

21精選課件ppt2傳熱設(shè)計(jì)計(jì)算1）翅片效率(1)翅片效率和表面效率取一個(gè)翅片間距的微小單元進(jìn)行分析：通過(guò)一次傳熱面的熱量

-壁面與流體間的給熱系數(shù)，W/m2?

KF1-次傳熱面積，m2；tW-隔板表面溫度；T-流體溫度，K

22精選課件ppt由于沿氣流方向的翅片長(zhǎng)度大大超過(guò)翅片厚度，所以翅片的導(dǎo)熱可以作為一維導(dǎo)熱處理。

根據(jù)翅片表面溫度分布曲線，兩端溫度最高等于隔板表面溫度tW，而隨著翅片與流體的對(duì)流給熱，溫度不斷降低，在翅片中部趨于流體溫度T。

通過(guò)二次傳熱面的熱量：翅片效率：可見(jiàn)，翅片效率就是二次傳熱面的實(shí)際平均傳熱溫差和一次傳熱面?zhèn)鳠釡夭畹谋戎?。換算成23精選課件ppt在忽略金屬翅片厚度方向溫度梯度的前提下，在截面和之間的翅片中，由于熱傳導(dǎo)所得到的熱量為：

同時(shí)這段翅片與流體之間通過(guò)對(duì)流傳熱得到的熱量為：在假設(shè)傳熱過(guò)程穩(wěn)定的前提下，有如下等式成立：解微分方程24精選課件ppt由解式可看出，操作時(shí)沿翅片高度溫差是變化的，在翅片整個(gè)高度上平均溫差可由解式根據(jù)中值定理求出：根據(jù)翅片效率的定義，即翅片的平均溫差與翅片根部溫差的比值，得：上式中為雙曲正切函數(shù)。25精選課件ppt對(duì)于兩股流板翅式換熱器，當(dāng)一個(gè)熱通道與一個(gè)冷通道間隔排列時(shí)，根部溫差對(duì)稱，則，并用定性尺寸表示，翅片效率可以表示為：其中：式中：b-翅片的定性尺寸，m-流體給熱系數(shù)，W/m2?

Kr-污垢系數(shù)，m2?

K/W

26精選課件ppt翅片的定性尺寸是指二次表面熱傳導(dǎo)的最大距離，通道中的傳熱具有對(duì)稱性時(shí)，在計(jì)算時(shí)可根據(jù)下圖來(lái)確定。冷熱通道間隔兩個(gè)熱通道之間隔兩個(gè)冷通道兩個(gè)熱通道之間隔三個(gè)冷通道27精選課件ppt1）表面效率板翅式換熱器的總的傳熱量等于一次傳熱面和二次傳熱面的傳熱量之和。對(duì)于二股流換熱器，當(dāng)一個(gè)熱通道和一個(gè)冷通道間隔排列時(shí)，可以表達(dá)為：可以設(shè)想這樣一個(gè)傳熱面和綜合的表面效率，板翅式換熱器的總傳熱方程式可以寫(xiě)成：28精選課件ppt又因：因此：所以：由于總是小于1，所以表面效率總是大于翅片效率。同理，翅片效率越高，則表面效率也越大。29精選課件ppt(2)翅片的傳熱方程式翅片的傳熱方程和一般的換熱器傳熱方程的差別僅在于考慮表面效率。熱流體的傳熱方程式為：冷流體的傳熱方程式為：在穩(wěn)定傳熱情況下，，將上兩式相加得：

30精選課件ppt所以：

同理得：式中：-對(duì)應(yīng)于熱流體通道的總傳熱系數(shù)，W/m2?K-對(duì)應(yīng)于冷流體通道的總傳熱系數(shù)，W/m2?K

31精選課件ppt前兩式中忽略了污垢熱阻和隔板的導(dǎo)熱熱阻，考慮以上因素后，可分別表示為：

式中：-冷流體的污垢熱阻，m2?K/W-熱流體的污垢熱阻，m2?K/W-隔板的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m?K

-隔板厚度，m32精選課件ppt(3)給熱系數(shù)的計(jì)算

在板翅式換熱器中，流體無(wú)相變時(shí)的給熱系數(shù)，同樣是通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究最后整理成方程而求得的。板翅式換熱器中常用斯坦頓準(zhǔn)數(shù)，其計(jì)算公式如下：

1）流體無(wú)相變時(shí)的給熱系數(shù)式中：-流體的給熱系數(shù)，W/m2?K-斯塔頓準(zhǔn)數(shù)（無(wú)因次）

-流體的定壓比熱，J/kg?K-普蘭特準(zhǔn)數(shù)（無(wú)因次）

-流體的質(zhì)量流速，kg/m2?s-傳熱因子（無(wú)因次）33精選課件ppt2）液體沸騰側(cè)的給熱系數(shù)

有關(guān)板翅式換熱器的兩相流給熱系數(shù)的計(jì)算過(guò)去所做的工作較少，只能使用單管的計(jì)算公式來(lái)近似地計(jì)算冷凝、沸騰和多組分系統(tǒng)的給熱系數(shù)。所以液體在核態(tài)沸騰時(shí)，其給熱系數(shù)可以按下式計(jì)算：下標(biāo)：表示液相，表示汽相。34精選課件ppt(4)傳熱計(jì)算中的對(duì)數(shù)溫差法和傳熱單元數(shù)法1）對(duì)數(shù)溫差法在換熱器的設(shè)計(jì)中，通常存在兩種比較常用的設(shè)計(jì)方法，即對(duì)數(shù)平均溫差法和傳熱單元數(shù)法。對(duì)數(shù)平均溫差法的傳熱方程如下：對(duì)數(shù)平均溫差是換熱器設(shè)計(jì)中經(jīng)常采用的方法，對(duì)于并流和逆流換熱器均可使用下面的平均溫差計(jì)算公式：代表?yè)Q熱器兩端溫差中數(shù)值大的那一端溫差代表?yè)Q熱器兩端溫差中數(shù)值小的那一端溫差35精選課件ppt混流和錯(cuò)流流動(dòng)的平均溫差的計(jì)算要比并流和逆流復(fù)雜，但在附加一些簡(jiǎn)化的假設(shè)條件后，都可以用數(shù)學(xué)方法導(dǎo)出。不過(guò)這些公式很繁雜，因而常將這些流動(dòng)方式的流體進(jìn)出口溫度先按逆流算出平均溫差，然后乘以考慮因其流動(dòng)方式不同于逆流而引入的修正系數(shù)，即：式中：為按逆流方式計(jì)算得到的對(duì)數(shù)平均溫差；為修正系數(shù)。

值可根據(jù)輔助量P和R查工程圖表來(lái)確定。36精選課件ppt2）傳熱單元數(shù)法對(duì)于板翅式換熱器，不僅流體流動(dòng)形式較多，而且經(jīng)常出現(xiàn)多股流同時(shí)換熱，當(dāng)通道排列不對(duì)稱時(shí)，各通道的溫度分布也不相同，因此對(duì)數(shù)平均溫差計(jì)算也就十分復(fù)雜。用傳熱單元數(shù)法可以得出各種情況下的換熱效率與傳熱單元數(shù)的關(guān)系，而不必計(jì)算對(duì)數(shù)平均溫差。在假設(shè)流體流量、比熱和給熱系數(shù)一定，只有顯熱變化，無(wú)冷損的情況下，有如下方程式：流體水當(dāng)量C用右式計(jì)算：

37精選課件ppt顯見(jiàn)，小的流體水當(dāng)量對(duì)應(yīng)于大的溫度降：

式中：-傳熱單元數(shù)（無(wú)因次）； -最小流體水當(dāng)量，即冷、熱流體水當(dāng)量，中較小的一個(gè)，W/K -某一流體的最大溫度降，K -對(duì)數(shù)平均溫差，K

38精選課件ppt再引入一個(gè)無(wú)因次量，即換熱器效率，用表示，其值為換熱器內(nèi)所利用的熱量與給定初始溫度下能從熱流體中獲得的最大熱量的比。當(dāng)時(shí)：當(dāng)時(shí)：求得和后，根據(jù)流體流動(dòng)形式查表得，然后可求得所需傳熱面積，完成設(shè)計(jì)計(jì)算；利用換熱效率公式用來(lái)驗(yàn)算冷熱流體出口溫度。39精選課件ppt3通道設(shè)計(jì)通道設(shè)計(jì)是板翅式換熱器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題，通道分配、排列是否合理直接決定著板翅式換熱器的性能與指標(biāo)。通道排列的設(shè)計(jì)原則：1）盡可能做到局部熱負(fù)荷平衡，以減少過(guò)剩熱負(fù)荷與傳導(dǎo)距離。2）通道分配應(yīng)使各個(gè)通道的計(jì)算長(zhǎng)度基本相近。3）應(yīng)使同一股流體的各個(gè)通道的阻力基本相同，并使阻力低于控制值。4）切換的通道數(shù)應(yīng)相等，排列應(yīng)比鄰。5）通道排列原則上應(yīng)對(duì)稱，便于制造裝配。40精選課件ppt3板翅式換熱器設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)一個(gè)板翅式換熱器其目的就是選擇一個(gè)合適的翅片型式與參數(shù)，并確定通道排列，最終確定傳熱系數(shù)和傳熱面積，使其與各股流體的給熱系數(shù)和傳熱面積相適應(yīng)。設(shè)計(jì)步驟：1）選擇翅片型式和確定翅片幾何參數(shù)。2）確定流路型式，根據(jù)具體情況，選擇逆流、并流或錯(cuò)流等流路。3）求出對(duì)數(shù)平均溫差；比熱變化大時(shí)，求積分平均溫差。41精選課件ppt4）確定通道數(shù)，根據(jù)傳熱系數(shù)和流體阻力等要求確定流體重量流速，然后確定通道數(shù)和換熱器的有效寬度。5）根據(jù)通道布置原則，確定通道排列。6）進(jìn)行傳熱計(jì)算，確定換熱器的有效長(zhǎng)度。(A)計(jì)算準(zhǔn)數(shù)Re、St及Pr，并查圖得j和f因子；(B)計(jì)算給熱系數(shù)；(C)計(jì)算翅片效率和表面效率；(D)計(jì)算傳熱系數(shù)K；(E)計(jì)算傳熱面積；7）計(jì)算壓力損失。42精選課件ppt§3-4板翅式換熱器的流動(dòng)阻力計(jì)算板翅式換熱器的流動(dòng)阻力是指入口管的靜壓與出口管靜壓的差。通常出入口管道的摩擦阻力比芯體部分的阻力小，因此在計(jì)算時(shí)可以忽略。總的流動(dòng)阻力為芯體進(jìn)口處阻力、芯體部分阻力和芯體出口處阻力的代數(shù)和，即：1芯體進(jìn)口處和出口處阻力和在芯體入口和出口處，流體要發(fā)生收縮和擴(kuò)大。43精選課件ppt入口（急劇收縮部）阻力為：出口（急劇擴(kuò)大部）阻力為：式中：G-流體的質(zhì)量流速，kg/m2?s、-流體在入、出口處的比容，m3/kg-相對(duì)自由截面，即有效自由流動(dòng)面積與流體迎面面積之比，，其中n1為某種流體的通道數(shù)，n為總的通道數(shù)。、分別為收縮和擴(kuò)大系數(shù)，與和Re有關(guān)，可查表求出。

44精選課件ppt2流體在芯體中的流動(dòng)阻力該項(xiàng)阻力主要是由換熱面的形狀阻力和摩擦阻力組成，但并不分開(kāi)，可看作是作用于總摩擦面積上的等效剪切力。因此板翅式換熱器的芯體可以簡(jiǎn)單地當(dāng)作具有當(dāng)量直徑的等效圓管來(lái)考慮，板內(nèi)的阻力可以表示為：式中：-流體的平均比容，m3/kg

45精選課件ppt3換熱器總的流動(dòng)阻力換熱器總的流動(dòng)阻力為：一般情況下，由于流體在進(jìn)口、出口處的局部阻力損失比芯體部分的阻力損失小，所以為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，可以只計(jì)算流體在芯體內(nèi)的流動(dòng)阻力，忽略進(jìn)出口處的局部阻力損失。芯體內(nèi)的流體流動(dòng)阻力可以簡(jiǎn)單地根據(jù)下式計(jì)算：式中：-芯體的有效長(zhǎng)度，m。46精選課件ppt§3-5板翅式換熱器的強(qiáng)度計(jì)算一般來(lái)說(shuō)，板翅式換熱器在低壓（0.3～0.7MPa）條件下工作時(shí)，芯體的設(shè)計(jì)和封頭的布置，主要決定于換熱器的性能和安裝要求，機(jī)械強(qiáng)度不是主要的問(wèn)題。但是在高壓或交變壓力下操作的換熱器，首先需要考慮機(jī)械強(qiáng)度的問(wèn)題，主要的兩個(gè)零件是翅片和封頭，因?yàn)檫@兩個(gè)零件承受內(nèi)壓，并且在安裝接管時(shí)會(huì)引起附加載荷。根據(jù)“ASME”中的“檢查和檢驗(yàn)”部分的規(guī)定，即當(dāng)無(wú)恰當(dāng)?shù)膹?qiáng)度計(jì)算公式時(shí)，可用下述方法中的任何一個(gè)進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。47精選課件ppt

對(duì)應(yīng)試驗(yàn)的部件施以5倍于設(shè)計(jì)壓力的壓力進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，而結(jié)果不破壞者為強(qiáng)度驗(yàn)算合格。當(dāng)材料的最小屈服強(qiáng)度和最小抗拉強(qiáng)度之比小于0.626時(shí)，可按下述方法進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。焊縫系數(shù)：X射線檢查 100%25%不檢查單面焊0.90.80.6雙面焊1.00.850.7設(shè)計(jì)壓力常用壓力×1.1和最高工作壓力中之較大者氣密試驗(yàn)壓力設(shè)計(jì)壓力×1.1耐壓試驗(yàn)壓力設(shè)計(jì)壓力×1.5（穩(wěn)定壓力的換熱器）和設(shè)計(jì)壓力×2（可逆式換熱器）48精選課件ppt雖然板翅式換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能