【文章內(nèi)容簡介】 ，殺菌，熱回收等。板式換熱器的應用場合： （1）冷卻：冷凝器，蒸發(fā)器。 （2）空調(diào)：在熱交換器中的中間鍋爐和高層建筑。 （3）化工行業(yè)：制造二氧化鈦，酒精發(fā)酵，氨，樹脂及橡膠，冷磷酸，燒堿行業(yè)。 （4）冶金行業(yè)：鋁液加熱和冷卻，冷卻鋁酸鈉。 （5）機械工業(yè)：淬火液的冷卻，冷卻機，潤滑油，燃料油等發(fā)動機。 （6）電力工業(yè)：高壓變壓器油冷卻，發(fā)電機軸承油冷卻。 （7）造紙工業(yè)：鹽漂白，余熱回收玻璃紙，冷卻的氫氧化鈉水溶液，使廢氣中冷凝，預熱紙漿狀濃縮廢物。 （8）紡織行業(yè)：冷卻磷酸鹽纖維，粘膠纖維的加熱和冷卻，冷卻醋酸。 （9）食品工業(yè)：鹽，乳制品，醬油，醋，啤酒，糖，制造谷氨酸鈉。 （10）油工藝：常壓干燥肥皂，合成洗滌劑，鯨油加熱，冷卻植物油，冷卻甘油。 （11）中央供氣：火電廠的余熱用于區(qū)域供熱，生活熱水，集中供暖[13]。 （12）太陽能產(chǎn)業(yè)：參與的傳熱介質(zhì)，如乙二醇防凍液的熱交換過程。 （13）鋼鐵行業(yè)：冷卻淬火油，電鍍液，減速器潤滑油，拉絲機冷卻液。 （14）造船：柴油發(fā)動機，活塞等冷卻器，預熱器，海水淡化。 （15）水產(chǎn)養(yǎng)殖：加熱鍋爐，這樣可以節(jié)約使用煤炭，節(jié)能和環(huán)保。其他：石油，醫(yī)藥，海水淡化，地熱利用，陶瓷，玻璃，水泥等。4 板式換熱器熱力及相關(guān)計算 板式換熱器的設計計算概述 板式熱交換器的計算主要為設計計算，在作設計計算前，應具備以下資料：(1) 選擇一種板片型號，并確定板片的主要幾何參數(shù)，如板片外形尺寸、波紋形式、單板有效換熱面積、當量直徑或板間距、單通道橫截面積及通道長度等。(2) 適用介質(zhì)種類與適用溫度，壓力范圍。(3) 該板片的傳熱和阻力特性曲線，計算關(guān)聯(lián)準則式。 設計計算時，換熱器的流程組合及結(jié)構(gòu)尺寸未定，冷、熱流體的流量、進出口溫度六個量需要給定五個。還要給定最大許用壓力損失，設計溫度。然后查平均工作溫度下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)，主要包括：密度、比熱容、導熱系數(shù)及粘度。算出熱負荷，計算對數(shù)平均溫差，確定溫差修正系數(shù)，算出六個量中的未知量。然后假定冷、熱流體的流程數(shù)、流道數(shù)，假定冷、熱流體板間流速，算得該流速下的雷諾數(shù)，努塞爾數(shù)，兩側(cè)對流換熱系數(shù)，然后求出總的傳熱系數(shù)，由計算出的換熱系數(shù)確定出實際所需的換熱面積并校核，如果和要求面積相差很小，可以認為計算正確，這樣可以求出板片數(shù)。然后根據(jù)板間流速初值確定流體需要的總的流道截面積。由板片數(shù)，可算出所需的并聯(lián)通道數(shù)。流道數(shù)、板片應湊成整數(shù)。如果面積相差很大，重新計算。接下來就可以用相應的阻力系數(shù)和準則關(guān)系式計算出壓力損失并校核。如果壓力損失超過許用的數(shù)值，則將流速取低一些重新計算。流速取低，將使傳熱系數(shù)降低，換熱面積增大，板片數(shù)增多。新的結(jié)果再與許用阻力相比，如不合適就再重新計算，一直到滿意為止。如果所得的阻力遠低于給定值，這意味著換熱器換熱效果差，這時應增加板間流速，即換熱器設計也須重新計算[14]。 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）、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。 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(zhì)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(chǎn)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(qū)動下，在管內(nèi)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(shù)高。如：空氣的自由流動換熱系數(shù)約為5~25W/(m2K)，而它的強制流動傳熱系數(shù)為10~100W/(m2K)。影響對流換熱的因素很多，如流體的物性（比熱容、導熱系數(shù)、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[14]（牛頓冷卻公式）： ()式中：Q—換熱量，W； α—對流換熱系數(shù)，W/(m2K) ； tw、tf—分別為壁面溫度與流體溫度，℃； F—換熱面積，m2。 由該公式可見，影響對流換熱的因素都被歸結(jié)到對流換熱系數(shù)中，對流換熱系數(shù)數(shù)值上的大小反映了對流換熱的強弱。 相變換熱 在對流換熱中發(fā)生著蒸汽的凝結(jié)或液體的沸騰（或蒸發(fā)）的換熱過程，統(tǒng)稱為相變換熱。由于在這類換熱過程中，同時發(fā)生著物態(tài)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(lǐng)域，而一般的對流換熱問題也就僅指單相流體而言。 （1）凝結(jié)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(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)時所釋放出來的潛熱必須通過凝結(jié)膜才能供給較低溫度的壁面，顯然，這層液膜成為一項熱阻。而珠狀凝結(jié)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(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W/(m2K)，但是在工業(yè)過程中，一般都是膜狀凝結(jié)，除非對壁面進行預處理或在蒸汽中加入促進劑。 （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(fā)生的沸騰現(xiàn)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(chǎn)生的氣泡不再被液體重新凝結(jié)的沸騰。 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[14]： （）式中：Q—換熱量,W； λ—導熱系數(shù)，W/(mK) ； Δt—導熱溫差，℃； F—換熱面積，m2。 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上能夠滿足熱負荷所應具有的換熱面積、傳熱系數(shù)、總傳熱系數(shù)、平均溫差等綜合方面的計算。 設計要求 （1）板間流速 板間流體的流速，影響傳熱性能和壓降，高的傳熱系數(shù)的同時也增加了流體的阻力；反之，相反。~（主線上的流速比平均流速高4~5倍）。，流體達到湍流狀態(tài)和形成較大的死角區(qū)，流速過高會導致壓力降急劇增加。具體設計時，可以先確定一個流速，計算其阻力降是否在給定的范圍內(nèi)；也可按給定的壓力降求出流速的初選值。在阻力降容許的情況下取大值，以提高對流傳熱系數(shù)，從而減小換熱面積，節(jié)省設備投資。 （2）流程組合板式換熱器一般是對稱的流道，兩流體體積流量大約一致，應安排等流程；如果流的兩側(cè)之間的流量差異大，流量小的一側(cè)可以布局更多流程。一側(cè)是相變流體，板式熱交換器通常是單程的。多通道熱交換器中，除非特別需要，通常在每個流程中相同的流體應該采取同樣的流道數(shù)。給定的總的允許壓力降，多程布置使得相應的每個流程允許壓降變得更小，從而迫使流速降低，對傳熱不利。此外，不等程安排是降低平均溫差的一個重要原因，應盡可能避免。 并聯(lián)流道數(shù)的數(shù)目由給定流量及選取的流速而定，流速決定于可受允許壓降，小于給定的流速時，流道的數(shù)目取決于流量大小。 由于單流程并聯(lián)式流程的結(jié)構(gòu)簡單，所以本設計選單流程并聯(lián)式流程組合方式進行設計計算。 （3）選擇板片 1）板片的波紋型式只有人字形波紋和水平平直波紋兩種。波紋板的型式，應按工藝條件進行選擇。人字形板被廣泛使用，人字角大的板片(如：β=120176。，稱為H板片)，適用于允許阻力損失較大，而傳熱效率要求高的場合；人字角小的板片(如β=60176。，稱為L板片)，適用于阻力損失限制要求非常嚴格的場合。水平平直波紋板片則適用于傳熱效率高，阻力損失也適中的場合。，；人字形波紋板片的傳熱系數(shù)和流體阻力都高于水平平直波紋板片。選擇板片的波紋型式，主要考慮板式換熱器的工作壓力、流體的壓力降和傳熱系數(shù)。，則別無選擇的要采用人字形波紋板片；如果工作壓力不高，又特別要求阻力降低，則選用水平平直波紋板片較好一些；如果由于安裝位置所限，需要較高的換熱效率以減少換熱器占地面積，而阻力降可以不受限制，則應選用人字形波紋板片。對于兩種傳熱流體，其流動有很大的不同，該考慮使用板的非對稱流道來組裝板式換熱器。對于兩換熱流體的對數(shù)溫度相差很大，流量差亦很大的換熱工況，波紋板片長寬比小是優(yōu)選選擇的。 角孔的尺寸與單板面積有一定的內(nèi)在聯(lián)系，為使流體通過角孔流道不致?lián)p失過多壓力，一般流體在角孔中的流速為4~6m/s。2）板片材料。根據(jù)介質(zhì)的腐蝕性能來選擇板片的材料。國外制造板片的材料品種繁多，有較大的選擇余地。我國制造板片的材料主要有不銹鋼和鈦等，在選擇的耐腐蝕材料基礎上，輔以增加板片厚度或防腐處理來延長板片的使用壽命。 （4）選擇墊片密封墊片的結(jié)構(gòu)形式也有很多種，其截面形式大致有矩形、梯形、六邊形、五邊形等。常用的形式有兩大類型：,其密封墊片橫截面的上部為尖形的；,其上部為平面。前者是通過尖端至中部的尺寸差來增加密封墊片的變形程度，其結(jié)構(gòu)設計實際上仍然是平面密封，而非線性密封，因為板片的密封槽底部是平面，當板片密封槽底部平面有缺陷時，這種結(jié)構(gòu)能抵消一些。后者設計的目的是為了減少密封墊片的壓縮量，其壓緊形式為平面壓緊。其主要缺點是在板片裝配過程中，板片容易錯位,夾緊力過大，容易造成板片變形等[15]。本文選用a型。 　　 （a） (b) 密封墊片結(jié)構(gòu)形式 墊片材料既要耐高溫又要耐腐蝕。 （5）流動方式的選取單相換熱時，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(cè)必須為等程。若安排為不等程，則順逆流需交替出現(xiàn)，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(qū)別比單相換熱時小，但由于這時牙尖大小與流向有密切關(guān)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）單板面積的選擇單板面積過小，則板式換熱器的板片數(shù)多，也使得占地面積增大，程數(shù)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。按角孔中速度為6m/s時。 單臺最大處理量參考值單板面積（m2）角孔直徑（mm）40~5065~8080~100125~150175~200200~250225~400單臺最大流通能力（m3/h）27~42~137103~170264~381520~678678~10601060~2500 （7）其他1）板式換熱器一般