《板翅式换热器》PPT课件.ppt
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(4)传热计算中的对数温差法和传热单元数法
1）对数温差法
1 基本结构
板翅式换热器由芯体、封头、接管和支座组成。 热交换由芯体完成，因此最关键的部件是芯体。 芯体由翅片、隔板、封条和导流片组成。
板翅式换热器结构图
2 翅片作用及类型
（1）作用
翅片是板翅式换热器最基本的元件，传热主要是 依靠翅片来完成，一部分直接由隔板来完成。
而翅片传热不像隔板是直接传热，故翅片有“二 次表面”之称。
-隔板的导热系数，W/m•K
-隔板厚度，m
(3)给热系数的计算
1）流体无相变时的给热系数
在板翅式换热器中，流体无相变时的给热系数， 同样是通过实验研究最后整理成方程而求得的。
板翅式换热器中常用斯坦顿准数，其计算公式 如下：
StCpG
式中：
St j / Pr 2 / 3
CpG
j Pr2/3
Q F00 (tw T )
Fe F00 F1 F2 f
0
F1
F2 f
F0
F1 F2 F2 F2 f
F0
1
F2 F0
(1 f
)
又因：
F2
F0
F1
F0
x x
y
F0
因此： F2 1 x y
F0
xy xy
所以：
0
1
x
y
y
(1
f
)
由于F2 / F0总是小于1，所以表面效率0总是大于 翅片效率 f。同理，翅片效率 f越高，则表面效率 0 也越大。
根据翅片表面温度分布曲线，两端温度最高等 于隔板表面温度tW ，而随着翅片与流体的对流给热， 温度不断降低，在翅片中部趋于流体温度T。
换热器教学课件-11
2016/1/12
根据各种结构型式的板翅式热交换器，导流片 可布置成几种型式。
Ⅰ型布置：主要是由于在热交换器的端部有两 个以上的封头，因此要用导流片把流体引导到端部 一侧的封头内。
2016/1/12
Ⅱ型布置：由于在热交换器端部有三个以上的封 头，需要把一股流体引导到中间封头内
2016/1/12
Ⅲ型布置主要是用于热交换器端部敞开或仅有一 个封头情况下
2016/1/12
Ⅳ型布置是为了满足把封头布置于两侧而设计的。
2016/1/12
V型布置是为满足管路布置需要而采用的。
应注意：设置导流片并不一定能完全克服流 体在流道内分配不均的问题，分配是否均匀 还与流体流速有关。
2016/1/12
（3）隔板与盖板 隔板材料是在母体金属 (铝锰金属)表面覆盖一 层厚约0.1~0.4mm，含硅5%~12%的钎料合金，所以 又称金属复合板，在钎焊时合金熔化而使翅片与 金属平板焊接成整体。隔板厚度一般为 1~2mm ， 最薄为0. 36mm。
2016/1/12
逆 流 布 置
示
意
图
2016/1/12
②顺流 这种流动形式应用 较少，主要用在加 热时需要避免流体 被加热 ( 或冷却 ) 到
高 ( 或低 ) 于某一规
定温度的场合。
2016/1/12
③错流 是最基本的一种布置方 式。从传热上考虑这种 布置并无突出优点，但 它常能使热交换器布置
最常用有燕尾形、燕尾槽形、矩形三种。
2016/1/12
（2）导流片和封头 导流片作用 把流体均匀地引导到翅片的各流道中或汇集到 封头中，同时导流片起保护较薄的翅片在制造时 不受损坏和避免通道被钎剂堵塞的作用。
2016/1/12
翅片管及翅片管换热器PPT课件
不仅因为结构紧凑使材料用量减少，而且有可能针对传 热和工艺要求来灵活选用材料，例如不同材料制成的镶嵌或 焊接翅片管等；
第8页/共23页
(4)当介质被加热时，与光管相比，同样热负荷下的翅片管 管壁温度有所降低，这对减轻金属面的高温腐蚀和超温破坏 是有利的。
不管介质是被加热或冷却，传热温差都比光管时小， 这对减轻管外表面结垢是有利的。结垢减轻的另一重要原因 是翅片管不会象光管那样沿圆周或轴向结成均匀的整体垢层， 沿翅片和管子表面结成的垢片在胀缩的作用下，会在翅片根 处断裂，促使硬垢自行脱落；
第20页/共23页
翅片管空气冷凝器的传热系数
被冷却介质
传热系数W/(m2℃)
水蒸气
773～790
氨
570～688
氟利昂
337～454
轻汽油
454
煤油
372
注：以光管外表面积为基准，翅化比为16.9
第21页/共23页
六、结构布置
根据传热计算所得的换热面积、流量、流速，确定管子 的数量。
第22页/共23页
K——为以翅管总外表面积为基准的传热系数，
ΔT——管内外流体的有效平均温差，
F′——光管的外表面积，
F——翅片管总的外表面积。
第18页/共23页
(2) 传热系数的计算(以F′为基准) 当壁面温度与换热系数均一定时，翅片管的传热系数
除多了翅片热阻外，翅片管传热系数计算式子完全一致。 (3) 翅片管传热系数的经验值(以F′为基准) (4) 压降计算
(1)厚度不变的直肋 (2)可变厚度的直肋 (3)厚度不变的圆肋
第13页/共23页
2. 翅(肋)片的效率及翅化比
(1)翅(肋)片的效率 是翅片管的实际传热量与假定肋片的温度都处于肋基
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(4)当介质被加热时，与光管相比，同样热负荷下的翅片管 管壁温度有所降低，这对减轻金属面的高温腐蚀和超温破坏 是有利的。
不管介质是被加热或冷却，传热温差都比光管时小， 这对减轻管外表面结垢是有利的。结垢减轻的另一重要原因 是翅片管不会象光管那样沿圆周或轴向结成均匀的整体垢层， 沿翅片和管子表面结成的垢片在胀缩的作用下，会在翅片根 处断裂，促使硬垢自行脱落；
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翅片管空气冷凝器的传热系数
被冷却介质
传热系数W/(m2℃)
水蒸气
773～790
氨
570～688
氟利昂
337～454
轻汽油
454
煤油
372
注：以光管外表面积为基准，翅化比为16.9
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六、结构布置
根据传热计算所得的换热面积、流量、流速，确定管子 的数量。
第22页/共23页
K——为以翅管总外表面积为基准的传热系数，
ΔT——管内外流体的有效平均温差，
F′——光管的外表面积，
F——翅片管总的外表面积。
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(2) 传热系数的计算(以F′为基准) 当壁面温度与换热系数均一定时，翅片管的传热系数
除多了翅片热阻外，翅片管传热系数计算式子完全一致。 (3) 翅片管传热系数的经验值(以F′为基准) (4) 压降计算
(1)厚度不变的直肋 (2)可变厚度的直肋 (3)厚度不变的圆肋
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2. 翅(肋)片的效率及翅化比
(1)翅(肋)片的效率 是翅片管的实际传热量与假定肋片的温度都处于肋基
板翅式换热器(1)
Q F 00(twT) F e F 00 F 1 F 2f
0 F 1 F F 0 2f F 1 F 2 F F 0 2 F 2f 1 F F 0 2( 1 f)
又因： F2F0F1F0x xyF0
因此： F2 1 x y
F0
xy xy
所以： 0 1xyy(1f )
由于F 2 / F 0总是小于1，所以表面效率 0 总是大于
2）液体沸腾侧的给热系数
有关板翅式换热器的两相流给热系数的计算过 去所做的工作较少，只能使用单管的计算公式来近 似地计算冷凝、沸腾和多组分系统的给热系数。
所以液体在核态沸腾时，其给热系数可以按下 式计算：
b0.26Cs2D L e(CLLL)0.69 ( q HD eL)0.69 (pD e)0.31 (
板翅式换热器中常用斯坦顿准数，其计算公式 如下：
StC pG Stj/Pr2/3
CpG
式中：
j Pr2/3
CpG
-流体的给热系数，W/m2•K St-斯塔顿准数（无因次）
C p -流体的定压比热，J/kg•K Pr-普兰特准数（无因次）
G-流体的质量流速，kg/m2•s j -传热因子（无因次）
板翅式换热器设计
Plate-fin Heat Exchanger
二零零五年七月
本章主要内容
一、绪论 二、板翅式换热器的结构 三、板翅式换热器的设计计算 四、板翅式换热器的流动阻力计算 五、板翅式换热器的强度计算 六、板翅式换热器的制造工艺
本章学习重点 （1）了解板翅式换热器的基本型式及结构 （2）能应用基本传热公式对板翅式换热器进行设计计算
§ 3-1 绪论
1 发展概述
二十世纪三十年代，英国的马尔斯顿·艾克歇尔 瑟（Marston Excelsior）公司首次开发出铜及铜合金 制板翅式换热器，并将其用作航空发动机散热器。
0 F 1 F F 0 2f F 1 F 2 F F 0 2 F 2f 1 F F 0 2( 1 f)
又因： F2F0F1F0x xyF0
因此： F2 1 x y
F0
xy xy
所以： 0 1xyy(1f )
由于F 2 / F 0总是小于1，所以表面效率 0 总是大于
2）液体沸腾侧的给热系数
有关板翅式换热器的两相流给热系数的计算过 去所做的工作较少，只能使用单管的计算公式来近 似地计算冷凝、沸腾和多组分系统的给热系数。
所以液体在核态沸腾时，其给热系数可以按下 式计算：
b0.26Cs2D L e(CLLL)0.69 ( q HD eL)0.69 (pD e)0.31 (
板翅式换热器中常用斯坦顿准数，其计算公式 如下：
StC pG Stj/Pr2/3
CpG
式中：
j Pr2/3
CpG
-流体的给热系数，W/m2•K St-斯塔顿准数（无因次）
C p -流体的定压比热，J/kg•K Pr-普兰特准数（无因次）
G-流体的质量流速，kg/m2•s j -传热因子（无因次）
板翅式换热器设计
Plate-fin Heat Exchanger
二零零五年七月
本章主要内容
一、绪论 二、板翅式换热器的结构 三、板翅式换热器的设计计算 四、板翅式换热器的流动阻力计算 五、板翅式换热器的强度计算 六、板翅式换热器的制造工艺
本章学习重点 （1）了解板翅式换热器的基本型式及结构 （2）能应用基本传热公式对板翅式换热器进行设计计算
§ 3-1 绪论
1 发展概述
二十世纪三十年代，英国的马尔斯顿·艾克歇尔 瑟（Marston Excelsior）公司首次开发出铜及铜合金 制板翅式换热器，并将其用作航空发动机散热器。
板翅式换热器
K c
1 F F 1 1 F oc c c r r c h F F F c oc h oh oh h 0
轻巧，经济性好
翅片很薄，而结构很紧凑、体积小、又可用铝 合金制造，因而重量很轻(可比管壳式换热器降低 80%)，故成本低。
可靠性高
全钎焊结构，杜绝了泄漏可能性。同时，翅片兼 具传热面和支撑作用，故强度高。
灵活性及适应性大：
1）两侧的传热面积密度可以相差一个数量级以上， 以适应两侧介质传热的差异，改善传热表面利用率； 2）可以组织多股流体换热(可达12股，这意味着工 程、隔热、支撑和运输的成本消耗降低)，每股流的 流道数和流道长都可不同； 3）最外侧可布置空流道（绝热流道），从而最大 限度地减少整个换热器与周围环境的热交换。
冷流体的传热方程式为：
Q F ( t T ) c c o c o c w c
Q h T t h w hF oh oh
Q c tw T c cF oc oc
Q Q Q 在稳定传热情况下， ，将上两式相加得： h c
1 1 T T Q ( ) h c F F h o h o h c o c o c
6 7
8
机车水冷式中冷器
风冷式换热器
压缩机风冷式油、气换热器
工程机械风冷式油换热器
风冷式气冷却器
冷凝蒸发器
机车风冷式油换热器
空分主换热器
压缩机风冷式油、气换热器
§ 3-2 板翅式换热器的结构
1 基本结构
板翅式换热器由芯体、封头、接管和支座组成。
热交换由芯体完成，因此最关键的部件是芯体。 芯体由翅片、隔板、封条和导流片组成。
§ 3-1 绪论
板翅式换热器
多孔翅片
在平直翅片上冲出许多圆孔或方孔而成的翅片。开孔率一般为5％ 一10％。孔的排列有长方形、平行四边形和正三角形三种。 翅片上的孔可使传热边界层不断破裂、更新，起到强化传热的效果。 在高雷诺数范围会出现噪音和振动。翅片上开孔能使流体在翅片中 分布更加均匀，利于流体中杂质颗粒的冲刷排除。用于导流片及流 体中夹杂颗粒或相变换热的场合。
n 层通道的二次传热面积Ff
y Ff F x y
2x y BLe n s
n 层通道的总传热面积F
F
三、热工设计 1、翅片效率与表面效率
翅片及其表面温度分布示意图 隔板直接传递的热量Qb 沿翅片传递热量Qf
Qb Fb t w t f
Q f Ff t m t f
形式： 平直翅片、锯齿翅片、多孔翅片、波纹翅片。
A.平直翅片
b.多孔翅片
c.锯齿翅片
d.波纹翅片
平直翅片 最基本的一种翅片，也称光滑翅片（翅片为矩形）。
流体在流道中流动时，其传热特性和流动特性与流体在长的圆管中 的传热和流动特性相似。其主要作用是扩大传热面积，对促进流体 湍动的作用很小。相对于其它形式的翅片，换热系数和阻力系数都 比较小，所以宜用于要求较小的流体阻力而其自身传热性能又较好 的场合。平直翅片的强度较高，适用于高压场合。
2）在导流片中流动阻力应保持在最小的恒定值。 3）导流片耐压强度应与整个板束的承压能力匹配。
4）便于制造。导流片的布置形式与封头及换热器的结构形式密切相
关。封头的设计主要取决于工作压力、流体股数、换热器的流道 布置以及是否切换等。
二、翅片的结构设计
翅片的当量直径De
4A 4 xy 2 xy De U 2 x y x y
板翅式换热器
板翅式换热器结构图
2 翅片作用及类型
（1）作用
翅片是板翅式换热器最基本的元件，传热主要是 依靠翅片来完成，一部分直接由隔板来完成。 而翅片传热不像隔板是直接传热，故翅片有“二 次表面”之称。 翅片除承担主要的传热任务外，还起着两隔板间 的加强作用。
（2）类型
翅片有锯齿形、平直形、多孔形等多种结构型式，可根 据不同的操作条件来选择合适的翅片型式； 翅片的扩展面和翅片对流体的扰流能力决定了热交换能 力； 因此板翅式换热器具有结构紧凑、轻巧及传热效率高等 特点。
2 优缺点－优点
传热效率高，温度控制性好
翅片的特殊结构，使流体形成强烈湍流，从而 有效降低热阻，提高传热效率。其传热系数也比列 管式换热器高5-10倍。 传热效率与功耗比低，可精确控制介质温度。
结构紧凑
传热面积密度可高达17300 m2/m3，一般为管 壳式换热器的6-10倍，最大可达几十倍。
y
δ
h
x
(1)当量直径 d
e
4 A ' 4 xy 2 xy d e U 2 ( x y ) x y
(2)通道横截面积A
B 对于每层单元，通道的横截面积为 Ai xy ,m2 s B 2 nxy 芯体的n层通道的横截面积为 AnA ,m i s
(3)通道横截面积A
n层通道的一次传热面积 F1
platefinheatexchanger二零零五年七月本章主要内容一绪论二板翅式换热器的结构三板翅式换热器的设计计算四板翅式换热器的流动阻力计算五板翅式换热器的强度计算六板翅式换热器的制造工艺本章学习重点1了解板翅式换热器的基本型式及结构2能应用基本传热公式对板翅式换热器进行设计计算31绪论发展概述二十世纪三十年代英国的马尔斯顿艾克歇尔瑟marstonexcelsior公司首次开发出铜及铜合金制板翅式换热器并将其用作航空发动机散热器
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3 板翅式换热器应用
空气分离装置 可逆式换热器，冷凝蒸发器，液化器，
液氮和液态空气过冷器；
石油化工 在天然气的液化、分离装置，及合成氨工
业中逐步获得应用；
动力机械 内燃机车散热器，汽车散热器、挖掘机
循环油冷却器和压缩机空冷器、油冷器等；
原子能和国防工业 氢液化器和氮液化器。
序号 温度范围(℃)
应用领域
1 -269~-253 氮气液化分离
2 -253~-196 氢气液化分离
3 -196~-162 空气分离
4 -162~常温 乙烯精制、丙烯液化、氟里昂冷冻
车船散热器、冷却器、油冷器、空冷器、
5 常温~150 空调装置冷却器及回热器、地热及太阳能
利用装置的换热器及回热器
6 各种温度 某些化工及石油化工用换热器
（2）代号
各翅片均采用我国汉语拼音符号和数字统一表示：
例： PZ 平直翅片 JC 锯齿翅片
DK 多孔翅片 BW 波纹翅片
例：
65PZ2103 表示:翅高6.5mm，
节距（或翅片间距）2.1mm， 厚度0.3mm 平直翅片
3 流动形式
通道以不同方式的叠置和排列可形成不同的流 动形式
错流
逆流
错逆流
§ 3-3 板翅式换热器的设计计算
❖ 灵活性及适应性大：
1）两侧的传热面积密度可以相差一个数量级以上， 以适应两侧介质传热的差异，改善传热表面利用率；
2）可以组织多股流体换热(可达12股，这意味着工 程、隔热、支撑和运输的成本消耗降低)，每股流的 流道数和流道长都可不同；
3）最外侧可布置空流道（绝热流道），从而最大 限度地减少整个换热器与周围环境的热交换。
1 几何尺寸计算
Le
B
y h
δx
s
hf----翅片高度，m； ----翅片厚度，m；
sf----翅片间距，m；
B----翅片有效宽度，m；
Le----翅片有效长度，m； n----通道层数；
x----翅片内距x=s-，m； y----翅片内高y=h- ，m
(1)当量直径 de
4A' 4xy 2xy
翅片除承担主要的传热任务外，还起着两隔板间 的加强作用。
（2）类型
❖ 翅片有锯齿形、平直形、多孔形等多种结构型式，可根 据不同的操作条件来选择合适的翅片型式； ❖ 翅片的扩展面和翅片对流体的扰流能力决定了热交换能 力； ❖ 因此板翅式换热器具有结构紧凑、轻巧及传热效率高等 特点。
平直翅片特点是有很 长的带光滑壁的长方 型翅片，传热与流动 特性类似于流体在长 圆型管道中的流动。
百叶窗式翅片又称鳞 片式翅片或切断式翅 片，其特点是翅片上 冲有等距离的百叶窗 式的栅格，向内流道 凸出，起到强化传热 的作用。
板翅式换热器有钎焊式和扩散焊两种基本结合 型式。大多数热交换工况采用的是真空钎焊的铝制 板翅式换热器，对于腐蚀性较高的介质，有真空钎 焊的不锈钢板翅式换热器和钛板翅式换热器。
板翅式换热器设计
Plate-fin Heat Exchanger
二零零五年七月
本章主要内容
一、绪论 二、板翅式换热器的结构 三、板翅式换热器的设计计算 四、板翅式换热器的流动阻力计算 五、板翅式换热器的强度计算 六、板翅式换热器的制造工艺
本章学习重点 （1）了解板翅式换热器的基本型式及结构 （2）能应用基本传热公式对板翅式换热器进行设计计算
§ 3-1 绪论
1 发展概述
二十世纪三十年代，英国的马尔斯顿·艾克歇尔 瑟（Marston Excelsior）公司首次开发出铜及铜合金 制板翅式换热器，并将其用作航空发动机散热器。
此后，各种金属材料的板翅式换热器相继出现 在工程应用中，唯以铝合金材料为主。
我国是从60年代初期开始试制的。首先用于空 分制氧，制成了第一套板翅式空分设备。
7 100~500 核电厂反应堆用换热器（前景较好）
8
特殊用途
航天、航空及电子工业用的特殊换热器、 化学反应及精馏等(主要是微槽道换热器)
机车水冷式中冷器
风冷式换热器
压缩机风冷式油、气换热器
工程机械风冷式油换热器
风冷式气冷却器
冷凝蒸发器
机车风冷式油换热器 空分主换热器
压缩机风冷式油、气换热器
§ 3-2 板翅式换热器的结构
2 优缺点－缺点
❖ 流道狭小，容易引起堵塞而增大压降；当换热器结 垢以后，清洗比较困难，因此要求介质比较干净。
❖ 铝板翅式换热器的隔板和翅片都很薄，要求介质对 铝不腐蚀，若腐蚀而造成内部串漏，则很难修补。
❖ 板翅式换热器的设计公式较为复杂，通道设计十分 困难，不利于手工计算；这也是限制板翅式换热器应 用的主要原因。
传热面积密度可高达17300 m2/m3，一般为管 壳式换热器的6-10倍，最大可达几十倍。
❖ 轻巧，经济性好
翅片很薄，而结构很紧凑、体积小、又可用铝 合金制造，因而重量很轻(可比管壳式换热器降低 80%)，故成本低。
❖ 可靠性高
全钎焊结构，杜绝了泄漏可能性。同时，翅片兼 具传热面和支撑作用，故强度高。
de U2(x Leabharlann ) x y(2)通道横截面积A
对于每层单元，通道的横截面积为
Ai
xy
B ,m2
s
芯体的n层通道的横截面积为
A
nAi
nxy
B,m2
s
(3)通道横截面积A
1 基本结构
板翅式换热器由芯体、封头、接管和支座组成。 热交换由芯体完成，因此最关键的部件是芯体。 芯体由翅片、隔板、封条和导流片组成。
板翅式换热器结构图
2 翅片作用及类型
（1）作用
翅片是板翅式换热器最基本的元件，传热主要是 依靠翅片来完成，一部分直接由隔板来完成。
而翅片传热不像隔板是直接传热，故翅片有“二 次表面”之称。
锯齿翅片特点是流体的 流道被冲制成凹凸不平， 从而增加流体的湍流程 度，强化传热过程，故 被称为“高效能翅片”。
多孔翅片是在平直翅片 上冲出许多孔洞而成的， 常放置于进出口分配段 和流体有相变的地方。
波纹翅片是在平直翅 片上压成一定的波纹， 促进流体的湍动，波 纹愈密，波幅愈大， 其传热性能愈好。
近几年来，在产品结构、翅片规格、生产工艺 和设计、科研方面都有较大发展，应用范围也日趋 广泛。
2 优缺点－优点
❖ 传热效率高，温度控制性好
翅片的特殊结构，使流体形成强烈湍流，从而 有效降低热阻，提高传热效率。其传热系数也比列 管式换热器高5-10倍。
传热效率与功耗比低，可精确控制介质温度。
❖ 结构紧凑