板式换热器热力计算及分析(整合)

1.6
250
220
Varitherm 405 纵/横人字形 1091X424 0.80
1.6
250
220
80 纵/横人字形 1754X610 0.81
1.6
250
500
805 纵/横人字形 1194X610 0.40
1.6
250
500
130 纵/横人字形 2195X810 1.28
1.6
250
1500
—
—
15
161 三列弧形
—
0.54
—
—
30
4P 纵人字形 510X128 0.00112 2.5
260
15
10 纵人字形 781X213 0.115
1.6
250
35
20 纵/横人字形 992X336 0.26
1.6
250
100
40 纵/横人字形 1392X424 0.46
1.6
250
220
402 纵/横人字形 654Xwenku.baidu.com24 0.148
宁夏理工学院毕业设计（论文）
第一章 概 论
1.1 综 述
1.1.1 板式换热器发展简史 目前板式换热器已成为高效、紧凑的热交换设备，大量地应用于工业中。它 的发展已有一百多年的历史。 德国在 1878 年发明了板式换热器，并获得专利，到 1886 年，由法国 M.Malvazin 首次设计出沟道板板式换热器，并在葡萄酒生产中用于灭菌。APV 公司的 R.Seligman 在 1923 年成功地设计了可以成批生产的板式换热器，开始时 是运用很多铸造青铜板片组合在一起，很像板框式压滤机。1930 年以后，才有 不锈钢或铜薄板压制的波纹板片板式换热器，板片四周用垫片密封，从此板式换 热器的板片，由沟道板的形式跨入了现代用薄板压制的波纹板形式，为板式换热 器的发展奠定了基础。 与此同时，流体力学与传热学的发展对板式换热器的发展做出了重要的贡献， 也是板式换热器设计开发最重要的技术理论依据。如：19 世纪末到 20 世纪初， 雷诺（Reynolds）用实验证实了层流和紊流的客观存在，提出了雷诺数——为流 动阻力和损失奠定了基础。此外，在流体、传热方面有杰出贡献的学者还有瑞利 （Reyleigh）、普朗特（Prandtl）、库塔（Kutta）、儒可夫斯基（жуковскиǔ）、 钱学森、周培源、吴仲华等。 通过广泛的应用与实践，人们加深了对板式换热器优越性的认识，随着应用 领域的扩大和制造技术的进步，使板式换热器的发展加快，目前已成为很重要的 换热设备。 近几十年来，板式换热器的技术发展，可以归纳为以下几个方面。 1：研究高效的波纹板片。初期的板片是铣制的沟道板，至三四十年代，才 用薄金属板压制成波纹板，相继出现水平平直波纹、阶梯形波纹、人字形波纹等 形式繁多的波纹片。同一种形式的波纹，又对其波纹的断面尺寸——波纹的高度、 节距、圆角等进行大量的研究，同时也发展了一些特殊用途的板片。 2：研究适用于腐蚀介质的板片、垫片材料及涂（镀）层。 3：研究提高使用压力和使用温度。 4：发展大型板式换热器。
（三）：GEA AHLBORN 公司。该公司现有 Free-Flow 和 Varitherm 两个系列 产品。前者抗压能力差，后者为人字形波纹片。Free-Flow 为弧形波纹板片，其 结构特殊，板片的断面是弧状，而且分割成几个独立的流道，相邻两板波纹之间 无支点，靠分割流道的垫片作支撑，以抗压力差。显而易见，这种板片的承压能 力较低。Varitherm 为人字形波纹板片，一般情况下，同一外形尺寸和垫片中心 线位置的板片，有纵向人字形和横向人字形两种形式。GEA AHLBORN 的板式换 热器技术特性如表 1-2：
—1—
宁夏理工学院毕业设计（论文）
5：研究板式换热器的传热和流体阻力。 6：研究板式换热器提高换热综合效率的可能途径。
1.1.2 我国设计制造应用情况 我国板式换热器的研究、设计、制造，开始于六十年代。 1965 年，兰州石油化工机器厂根据一些资料设计、制造了单板换热器面积 为 0.52m2 的水平平直波纹板片的板式换热器，这是我国首家生产的板式换热器， 供造纸厂、维尼纶厂等使用。八十年代初期，该厂又引进了 W.Schmidt 公司的板 式换热器制造技术，增加了板式换热器的品种。 1967 年，兰州石油机械研究所对板片的六种波纹型式作了对比试验，肯定 了人字形波纹的优点，并于 1971 年制造了我国第一台人字形波纹板片（单板换 热面积为 0.3m2）的板式换热器，这对于我国板式换热器采用波纹型式的决策起 了重要的作用。1983 年，兰州石油机械研究所组织了板式换热器技术交流会， 对板片的制造材料、板片波纹型式、单片换热面积、板式换热器的应用等方面进 行了讨论，促进了我国板式换热器的发展。国家石油钻采炼化设备质量监测中心 还对板式换热器的性能进行了大量的测定。 清华大学于八十年代初期，对板式换热器的换热、流体阻力和优化等方面进 行了理论研究，认为板式换热器的换热，以板间横向绕流作为换热物理模型，该 校还对板式换热器的热工性能评价指标及板式换热器的计算机辅助设计进行了 研究。近几十年来，他们还作了大量的国产板片的性能测定。 河北工学院就板式换热器的流体阻力问题进行了研究，认为只有当板片两侧 的压差相等或压差很小时，板片以自身的刚性使板间距保持在设计值上，否则板 片会发生变形，致使板间距发生变化，出现受压通道和扩张通道。其次，他们把 板式换热器的流体阻力分解为板间流道阻力和角孔道阻力（包括进、出口管）进 行整理，得到一种新的流体阻力计算公式。 天津大学对板式换热器的两相流换热及其流体主力计算进行了大量的研究， 得出考虑因素比较全面的换热计算公式。近年来，研制了非对称型的板式换热器， 进行了国产板式换热器的性能测定及优化设计等工作。 华南理工大学、大连理工大学等高等院校和科研单位，也对板式换热器的换
半片外型尺 寸 长X宽 (mm X mm)
单台最多 板 片数
长管尺寸 （mm）
SR1
1.03
0.0258
570X210
150
38
HMB
0.69
0.34
1114X318
187
51
—3—
宁夏理工学院毕业设计（论文）
SR35
1.55
0.34
1152X392
414
75
R40
1.37
0.38
1150X445
半片外型尺 寸 长X宽 (mm X mm)
单台最多 板 片数
长管尺寸 （mm）
(表 1-1 续)
（二）：ALFA-LAVAL 公司。ALFA-LAVAL 公司制造的板式换热器，其销售遍布 99 个国家，从该公司于 1930 年生产的第一台板式巴氏灭菌器开始，已有 60 多 年的历史。公司在 1960 年就采用了人字形波纹板片；1970 年发展了钉焊板式换 热器；1980 年对叶片的边缘做了改造，以增强抗压能力。该公司的标准产品性 能：最高工作压力 2.5MPa；最高工作温度 250℃；最大单台流量 3600m3/h；总传 热系数 3500~7500W/(m2.K)；每台换热面积 0.1~2200m2；最大接管尺寸 450mm。
—6 —
1306 纵/横人字形 1635X810 0.81
1.6
250
1500
1309 纵/横人字形 2008X810 1.41
1.6
250
1500
注：纵/横人字形，指有纵向人字形和横向人字形两种波纹板片。
（四）：W.Schmidt 公司。公司早期生产截球形波纹片（sigma-20），因性能
欠佳已不再生产。该公司的 Sigma 板片，除小面积的为水平平直波纹外，都为人
单板换热面积为 2.2m2，单台换热器最大流量为 2500m3/h。换热器最高使用温度
为 260℃、最大使用压力为 2.0MPa、最大的单台换热面积为 1600m2。APV 公司换
热器产品情况如表 1-1:
表 1-1 APV 公司主要的板式换热器
板式换热器
型
号
最高工作 压 力(MPa)
单板换热 面 积(m2)
字形波纹，而且同一单板面积和同一外形尺寸、垫片槽尺寸的板片有两种人字角
的人字形波纹，增加了组合形式，以适应各种工况的需要。W.Schmidt 公司的板 式换热器，一般工作压力为 1.6MPa，最小的单板换热面积为 0.035m2、最大的单 板换热面积为 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；
现在，该公司有水平平直波纹板和人字形波纹板两种。其板式换热器技术特性见
表 1-3：
—5—
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表 1-3 HISAKA 公司板式换热器技术特性
型号
单位换热 面积
(m2)
处理量 (m3/h)
最高工作 最高工作 最大单台
压 力 温 度 换热面积
(MPa)
(℃)
(m2)
备注
EX-1
1.1.3 国外著名厂家及其产品
现在，世界上各工业发达国家都制造板式换热器，其产品销往世界各地。最
著名的厂家有英国 APV 公司、瑞典 ALFA-LAVAL 公司、德国 GEA 公司、美国 OMEXEL
公司、日本日阪制作所等。
（一）：英国 APV 公司。APV 公司的 Richard Seligman 博士于 1923 年就成
0.157 23
0.4
200
15
EX-15 0.314 140
1.2
200
60
水平平直
EX-16 0.55
240
1.2
200
150
波纹板片
EX-11 0.71
460
1.2
200
150
EX-12 0.8
883
1.0
200
260
UX-01 0.087 36
1.5~2.0 200
5
UX-20 0.375 140
—2—
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热、流体阻力理论或工程应用方面作了很多有益的工作。 进入二十一世纪以来，我过的板式换热器研究取得了长足的进步，在借鉴国
外先进经验的同时，也逐渐形成了自己的一套设计开发模式，与世界领先技术的 差距进一步缩小。我国板式换热器的制造厂家有四五十家、年产各种板式换热器 数千台计，但是我国的板式换热器的应用远不及国外，这与人们对板式换热器的 了解程度、使用习惯以及国内产品的水平有关。七十年代，板式换热器主要应用 于食品、轻工、机械等部门；八十年代也仅仅是应用到民用建筑的集中供热；八 十年代中期开始，在化工工艺流程中较苛刻的场合也出现了板式换热器的身影。 由于人们对板式换热器工作原理、热力计算、校验等不熟悉的原因，使得板式换 热器在开发到应用的时间跨度上，花费了较多的时间。
1.5~2.0 200
100
H.L
人字形波
UX-40 0.76
540
1.5~1.8 200
250
H.L
纹板片
UX-60 1.16
900
1~1.3
200
500
H.L
UX-80 1.70
1520
1~1.3
200
800
H.L
注：H.L-为有两种不同人字角的板片。
（六）：OMEXELL(欧梅塞尔)公司。OMEXELL 公司提供的板式换热器包含拼装
—4—
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表 1-2 GEA AHLBORN 公司主要板式换热器技术特性
型号
波纹型式
板片 外形尺寸
长x宽 (mm)
单板换 热面积 （m2）
最高工作 压力
(MPa)
最高工作 最大流
温度 量
(℃)
(m3/h)
157 一列弧形 670X250 0.0915
—
—
5
Free-Flow 159 二列弧形 1065X330 0.292
功设计了第一台工业性的板式换热器。其在国外有 20 个联合公司，遍及美、德、
法、日、意、加等国。Seligman 设计的板式换热器板片为塞里格曼沟道板。三
十年代后期，英国人 Goodman 提出的阶梯形断面的平直波纹，性能并不十分优越。
目前 APV 公司生产的板式换热器称为 Paraflow，其波纹多属人字形波纹，最大
409
102,127,152
R55
2.06
0.52
1156X416
362
102
R56
0.93
0.52
1156X416
350
102
R106
0.69
1.078
1984X712
427
300
R235
0.83
2.2
2739X1107 729
400
板式换热器
型
号
最高工作 压 力(MPa)
单板换热 面 积(m2)
式、钎焊式、“宽间隙”自由流、双壁式、半焊式、多段式等系列，作为一家成
功的板式换热器公司，所提供的交换热方案也是综合性的。
公司所生产的产品符合压力容器规范和质量保证体系:
美国 ASME
日本 JIS 标准
美国 3A 卫生标准
中国 GB16409-1996
ISO9001/14001/18000
OMEXELL 公司产品提供的材料、材质特性 （表 1-4、表 1-5、表 1-6、表 1-7）：