【文章內(nèi)容簡介】 平平直波紋板和人字形波紋板兩種。其板式換熱器技術(shù)特性見表 13： 表 13 HISAKA公司板式換熱器技術(shù)特性 型號 單位換熱面 積 ( 2m ) 處理量(h/3) 最高工作壓 力(MPa) 最高工作溫 度 ( C?) 最大單臺換熱面積( 2m ) 水平平直波紋板片 EX1 23 200 15 EX15 140 200 60 EX16 240 200 150 EX11 460 200 150 EX12 883 200 260 人字形波紋板片 UX01 36 ～ 200 5 UX20 140 ～ 200 100 UX40 540 ～ 200 250 UX60 900 1～ 200 500 UX80 1520 1～ 200 800 蘭州交通大學畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 7 板式換熱器的國內(nèi)研究進展 我國板式換熱器的研究，設(shè)計，制造始于 20 世紀 60 年代。 1965 年，蘭州石油化工機械廠設(shè)計、制造了單板換熱面積為 2m 的水平平直波紋板片的板式換熱器，這也是我國生產(chǎn)的第一臺板式換熱器，供造紙廠、維尼綸廠使用。 80 年代初期，該廠又引進 公司的板式換熱器制造技術(shù)，增加了產(chǎn)品的品種。 1967 年，蘭州石油機械研究所不同波紋板片做了對比實驗，肯定了人字形波紋的優(yōu)點，并在 1971 年制造了我國第一臺人字形波紋板片的板式換熱器，單片換熱面積為 2m ，這對我國板式換熱器采用波紋形式的決策起了重要作用 。 國內(nèi)許多學者對板式換熱器也進行了一系列的研究。如趙鎮(zhèn)南對板式換熱器速度場進行了研究，他發(fā)現(xiàn)了板式換熱器速度場的流動情況與 所研究的相一致。在他的文獻中，趙鎮(zhèn)南還結(jié)合實驗數(shù)據(jù)闡明了板式換熱器人字形波紋板間的流動方式以及波紋傾角對換熱器性能的重要影響，并得到以下結(jié)論： （ 1）人字波紋的傾斜角是影響板式換熱器性能最重要的一個幾何參數(shù)，它通過改變流動狀態(tài)來影響板片通道的傳熱和阻力特性； （ 2）在相同雷諾數(shù)和波紋參數(shù)下，大傾角板片的傳熱和阻力降均高于小傾角板片，但在相同的通道阻力降下則無論大、小傾角 ，傳熱速率都基本相等； （ 3）對板式換熱器的具體工程應用要力爭達到換熱、流量和阻力降三者之間的良好匹配。許淑惠、周明連等對板式換熱器進行壓力分布和阻力特性進行了研究，他們通過兩種形式板片的實驗給出不同雷諾數(shù)下兩種板型：不同雷諾數(shù)下的壓差分布及各種通道中的流阻與比數(shù)的關(guān)系式，同時運用流型顯示的方法揭示影響板式換熱器入口流體分布和壓力損失的原因。此外，周明連通過比較兩種板式換熱器發(fā)現(xiàn)：具有相同波紋槽道的板式換熱器在流阻和傳熱方面有較大差距，通過流型觀測發(fā)現(xiàn)板式熱交換器的流量分布不均，偏流的存在降低了板式熱交換器 的性能，增大了流阻；同時在測試壓力降的基礎(chǔ)上提出單元流路分析的原理和方法，該方法能定量計算板武熱交挾器內(nèi)的流量分布。天津大學趙鎮(zhèn)南根據(jù)聯(lián)箱和分流聯(lián)葙流量分布解，對流量非均勻分布導致板式換熱器單相液一寢換熱和冷凝換熱時的傳熱性能變化作了模擬計算和深入分析，指出單相換熱時，若冷、熱流體進出口位于同一測，各分支通道的傳熱量嚴重不均勻，但整機總傳熱量變化不大；當進出口分別位于換熱器兩側(cè)時，傳熱分布的非均勻性會明顯改善，但總傳熱量會比流量均勻分布時明顯降低；作為冷凝器使用時，流量的非均勻分布同樣導致蘭州交通大學畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 8 其傳熱性能的變化， 這時熱負荷的分布狀況將王要受允許壓降分配規(guī)律的制約。此外，國內(nèi)一些學者采用染色示蹤往對人字形波紋槽道和斜波紋槽道進行了流型觀察，得到一些有益結(jié)論。對傳熱單元的傳熱實驗 E? M Sparrow 采用的是恒壁溫加熱法，但國內(nèi)的實驗技術(shù)較難實現(xiàn)，一般呆用大電流恒熱流法。在湍流換熱狀態(tài)下，兩者區(qū)別不大，后者更接近實際。采用局部組合通道內(nèi)的可視化及傳熱機理研究方法來推算整個板片的傳熱及流阻特性對開發(fā)板片有一定的指導意義。 蘭州交通大學畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 9 2. 板 (片 )式換熱器的基本構(gòu)造 板 (片 )式換熱器的基本構(gòu)造 板式換熱器的結(jié)構(gòu)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、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，板式換熱器基本構(gòu)造如圖 21 所示。 圖 21 板式換熱器的基本構(gòu)造 流程組合 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(guī)律地排列起來，形成流體的通道，稱為流程組合。（圖 22 [a]、 [b]、[c]是典型的排列方式）板束中板片的數(shù)量和排列方式，由設(shè)計確定。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。流程組合就是板片數(shù)量和排列方式的有機組合，并以數(shù)學形式表示為： 蘭州交通大學畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 10 1 1 2 21 1 2 2+M+ iiiiM N M N Nm n m n m n? ? ? ? ?? ? ? ? ? （ 21） 式中： 1M 、 2M … iM — 指 從固定壓緊板開始，甲流體側(cè)流道數(shù)相等的流程數(shù)； 1N 、 2N … iN — 1M 、 2M … iM 中的流道數(shù)； 1m 、 2m 、 im — 指 從固定壓緊板開始，乙流體側(cè)流道數(shù)相等的流程數(shù)； 1n 、 2n 、 in — 1m 、 2m 、 im 中的流道數(shù)。 圖 22 流程組合方 式 由于單流程并聯(lián)式流程的結(jié)構(gòu)簡單，所以本設(shè)計初選單流程并聯(lián)式流程組合方式進行設(shè)計計算。 蘭州交通大學畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 11 框架型式 板式換熱器的框架多種多樣， 板式換熱器的框架多種多樣，如圖 23 所示，其中尤以（ a）、（ b）、更為常用。應用于乳品等食品行業(yè)中的板式換熱器，常有兩種以上的介質(zhì)換熱，所以要設(shè)置中間隔板，中間隔板的數(shù)量視換熱介質(zhì)的數(shù)量而定，另外山于工作壓力不高，又需經(jīng)常拆卸清洗，所以常采用頂桿式。 圖 23 框架主要形式及螺栓壓緊式板式換熱器結(jié)構(gòu) （ 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 蘭州交通大學畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 12 板片 選用板片是傳熱元件，一般由 ～ 的金屬板壓制成波紋狀，波紋板片上貼有密封墊圈。板片按設(shè)計的數(shù)量和順序安放在固定壓緊板和活動壓緊板之間，然后用壓緊螺柱和螺母壓緊，上、下導桿起著定位和導向作用。固定壓緊板、活動壓緊板、導桿、螺柱、螺母、前支桿可統(tǒng)稱為板式換熱器的框架；眾多的板片、墊片可稱為板束。分析以上的結(jié)構(gòu)和零部件的組成，可見其零部件品種少，且通用性極強，這十分有利于成批生產(chǎn)及使用維修。 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，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。 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形式區(qū)分，有管狀流動、帶狀流動、網(wǎng)狀流動的波紋板片。 常用板片如 24 所示： 圖 24 兩種常用板片示圖 （ a）人字波紋板；（ b）水平平直波紋板 蘭州交通大學畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 13 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(shù)高、流體阻力亦大 。反之人字角 ? 小的板片傳熱系數(shù)和流體阻力都低些，圖25 是人字角對傳熱影響的曲線示圖。 圖 25 人字角 ? 對傳熱的影響 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(guī)格的板片做成大人字角和小人字角兩種，如圖 26 所示。國外把大人字角的板片稱為 H 板片 (硬板 Hard plate)，小人字角的板片稱為 L板片 (軟板 Soft plate)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 26 和圖 27 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(shè)計，其換熱面積可減少 25～ 30 %。 蘭州交通大學畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 14 圖 26 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 圖 27 H、 M、 L 流道性能示圖 蘭州交通大學畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 15 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(fā)展，前者釬焊而成，是不可拆卸的板式換熱器，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(yōu)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。 特種形式 為了適應各種工程的需要，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 密封墊片 板式換熱器的密封墊片是一個關(guān)鍵的零件。板式換熱器的工作溫度實質(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，密封周邊的長度 ( m)將是換熱面積 ( 2m )的 6～ 8 倍，超過了任何其它類型的換熱器。密封墊片是板式換 熱器的重要構(gòu)件，對它的基本要求是耐熱、耐壓、耐介質(zhì)腐蝕。板式換熱器是通過壓板壓緊墊片，達到密封。為確?？煽康拿芊?，必須在操作條件下密封面上保持足夠的壓緊力。板式換熱器由于密封周邊長，需用墊片量大，在使用過程中需要頻繁拆卸和清洗，泄漏的可能性很大。如果墊片材質(zhì)選擇不當，彈性不好，所用的膠水不粘或涂的不勻，都可導致運行中發(fā)生脫墊、伸長、變形、老化、斷裂等。加之板片在制造過程中，有時發(fā)生翹曲，也可造成泄漏。一臺板式換熱器往往由幾十片甚至幾百片傳熱板片組成，墊片的中心線很難準，組裝時容易使墊片某段壓偏或擠出，造成泄 漏，因此必須適當增加墊片上下接觸面積。 蘭州交通大學畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 16 墊片材料廣泛采用天然橡膠、腈橡膠、氯丁橡膠、丁苯橡膠、丁腈橡膠、硅橡膠和氟化橡 以下，最高不超過膠等。這些材料的安全使用溫度一般在C?150以下，最高不超過 200C （見表 21）。對橡膠墊片除要求抗介質(zhì)腐蝕外，還應保證下列機械性能： 抗張強度： 580 10 Pa?? 相對伸長： 200%? 邵氏硬度： 65 80 永久變形： 20%? 增減量：%)15%(15 ?? 壓縮變形： 10%? 上述橡膠墊片有不耐有機溶劑 腐蝕的缺點。目前國外有采用壓縮石棉墊片和壓縮石棉橡膠墊片，不僅抗有機溶劑腐蝕，而且可耐較高溫度，達 360C 。壓縮石棉墊片由于含橡膠量甚少，和橡膠墊片比幾乎是無彈性的，因此需要較高的密封壓緊力。其次當溫度升高后，墊片的熱膨脹有助于更好密封。為了承受這種較大的密封壓緊力和熱膨脹力，框架和墊片必須有足夠的強度。 表 21 板片的材料代號 焊接式板式換熱器 半焊式板式換熱器 半焊式板式換熱器的結(jié)構(gòu)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一側(cè)的工作壓力。 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 N E F Q A 適用 溫度 20～ 110 50～ 150 0～ 180 40～ 100 20～ 250 蘭州交通大學畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 17 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。 ALFALAVAL 公司生產(chǎn) 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(jié)構(gòu)制造困難，板片破損后也無法修復。 3. 板式換熱器的性能特點 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(chǎn)品大型化、使用工況多樣化方面取得了一定進展，這就是現(xiàn)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 31 列出了當前國內(nèi)外板式換熱器的一