板翅式換熱器課件

1、板翅式換熱器設計板翅式換熱器設計Plate-fin Heat Exchanger二零零五年七月本章主要內容本章主要內容一、緒論二、板翅式換熱器的結構三、板翅式換熱器的設計計算四、板翅式換熱器的流動阻力計算五、板翅式換熱器的強度計算六、板翅式換熱器的制造工藝本章學習重點（1）了解板翅式換熱器的基本型式及結構（2）能應用基本傳熱公式對板翅式換熱器進行設計計算 3-1 3-1 緒論緒論1 1 發(fā)展概述發(fā)展概述 二十世紀三十年代，英國的馬爾斯頓艾克歇爾瑟（Marston Excelsior）公司首次開發(fā)出銅及銅合金制板翅式換熱器，并將其用作航空發(fā)動機散熱器。 此后，各種金屬材料的板翅式換熱器相繼出現在

2、工程應用中，唯以鋁合金材料為主。 我國是從60年代初期開始試制的。首先用于空分制氧，制成了第一套板翅式空分設備。 近幾年來，在產品結構、翅片規(guī)格、生產工藝和設計、科研方面都有較大發(fā)展，應用范圍也日趨廣泛。2 2 優(yōu)缺點優(yōu)點優(yōu)缺點優(yōu)點v 傳熱效率高，溫度控制性好 翅片的特殊結構，使流體形成強烈湍流，從而有效降低熱阻，提高傳熱效率。其傳熱系數也比列管式換熱器高5-10倍。 傳熱效率與功耗比低，可精確控制介質溫度。v 結構緊湊 傳熱面積密度可高達17300 m2/m3，一般為管殼式換熱器的6-10倍，最大可達幾十倍。v 輕巧，經濟性好 翅片很薄，而結構很緊湊、體積小、又可用鋁合金制造，因而重量很輕(

3、可比管殼式換熱器降低80%)，故成本低。v 可靠性高 全釬焊結構，杜絕了泄漏可能性。同時，翅片兼具傳熱面和支撐作用，故強度高。v 靈活性及適應性大： 1）兩側的傳熱面積密度可以相差一個數量級以上，以適應兩側介質傳熱的差異，改善傳熱表面利用率； 2）可以組織多股流體換熱(可達12股，這意味著工程、隔熱、支撐和運輸的成本消耗降低)，每股流的流道數和流道長都可不同； 3）最外側可布置空流道（絕熱流道），從而最大限度地減少整個換熱器與周圍環(huán)境的熱交換。2 2 優(yōu)缺點缺點優(yōu)缺點缺點v 流道狹小，容易引起堵塞而增大壓降；當換熱器結垢以后，清洗比較困難，因此要求介質比較干凈。v 鋁板翅式換熱器的隔板和翅片都

4、很薄，要求介質對鋁不腐蝕，若腐蝕而造成內部串漏，則很難修補。v 板翅式換熱器的設計公式較為復雜，通道設計十分困難，不利于手工計算；這也是限制板翅式換熱器應用的主要原因。3 3 板翅式換熱器應用板翅式換熱器應用空氣分離裝置空氣分離裝置 可逆式換熱器，冷凝蒸發(fā)器，液化器，液氮和液態(tài)空氣過冷器；石油化工石油化工 在天然氣的液化、分離裝置，及合成氨工業(yè)中逐步獲得應用；動力機械動力機械 內燃機車散熱器，汽車散熱器、挖掘機循環(huán)油冷卻器和壓縮機空冷器、油冷器等；原子能和國防工業(yè)原子能和國防工業(yè) 氫液化器和氮液化器。序號 溫度范圍()應用領域1-269-253氮氣液化分離2-253-196氫氣液化分離3-19

5、6-162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車船散熱器、冷卻器、油冷器、空冷器、空調裝置冷卻器及回熱器、地熱及太陽能利用裝置的換熱器及回熱器6各種溫度某些化工及石油化工用換熱器7100500核電廠反應堆用換熱器（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、化學反應及精餾等(主要是微槽道換熱器)機車水冷式中冷器風冷式換熱器壓縮機風冷式油、氣換熱器風冷式氣冷卻器冷凝蒸發(fā)器工程機械風冷式油換熱器壓縮機風冷式油、氣換熱器空分主換熱器機車風冷式油換熱器 3-2 3-2 板翅式換熱器的結構板翅式換熱器的結構 板翅式換熱器由芯體、封頭、接管和支座組成。 熱交換由芯

6、體完成，因此最關鍵的部件是芯體。芯體由翅片、隔板、封條和導流片組成。1 1 基本結構基本結構板翅式換熱器結構圖2 2 翅片作用及類型翅片作用及類型 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完成，一部分直接由隔板來完成。（1）作用（2）類型v 翅片有鋸齒形、平直形、多孔形等多種結構型式，可根 據不同的操作條件來選擇合適的翅片型式；v 翅片的擴展面和翅片對流體的擾流能力決定了熱交換能力；v 因此板翅式換熱器具有結構緊湊、輕巧及傳熱效率高等特點。 而翅片傳熱不像隔板是直接傳熱，故翅片有“二次表面”之稱。 翅片除承擔主要的傳熱任務外，還起著兩隔板間的加強作用。平直翅片特點是有很長的帶光滑壁

7、的長方型翅片，傳熱與流動特性類似于流體在長圓型管道中的流動。鋸齒翅片特點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，強化傳熱過程，故被稱為“高效能翅片”。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，促進流體的湍動，波紋愈密，波幅愈大，其傳熱性能愈好。百葉窗式翅片又稱鱗片式翅片或切斷式翅片，其特點是翅片上沖有等距離的百葉窗式的柵格，向內流道凸出，起到強化傳熱的作用。 板翅式換熱器有釬焊式和擴散焊兩種基本結合型式。大多數熱交換工況采用的是真空釬焊的鋁制板翅式換熱器，對于腐蝕性較高的介質，有真空釬焊的不銹鋼板翅式換

8、熱器和鈦板翅式換熱器。 （2）代號各翅片均采用我國漢語拼音符號和數字統(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3 3 流動形式流動形式 通道以不同方式的疊置和排列可形成不同的流動形式錯流逆流錯逆流1 1 幾何尺寸計算幾何尺寸計算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-翅片有效長度，m； n-通道層數；x-翅片內距x=s- ，m； y-翅片內高y=h- ，msBhyxLe 3-3 3-3 板翅式換熱器的設計計算

9、板翅式換熱器的設計計算(1)當量直徑 edyxxyyxxyUAde2)(244(2)通道橫截面積A 對于每層單元，通道的橫截面積為 ,m2 芯體的n層通道的橫截面積為 ,m2sBxyAisBnxynAAi(3)通道橫截面積A n層通道的一次傳熱面積 ,m2 FyxxF1n層通道的二次傳熱面積 ,m2 FyxyF2n層通道的總傳熱面積 ,m2 snBLyxFe)(22 2 傳熱設計計算傳熱設計計算1）翅片效率 (1) 翅片效率和表面效率 取一個翅片間距的微小單元進行分析 ：lQ2Q1oxTttwdxx通過一次傳熱面的熱量 )(11TtFQw -壁面與流體間的給熱系數，W/m2 K F1-次傳熱面

10、積，m2；tW-隔板表面溫度；T-流體溫度，K 由于沿氣流方向的翅片長度大大超過翅片厚度，所以翅片的導熱可以作為一維導熱處理。 根據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流給熱，溫度不斷降低，在翅片中部趨于流體溫度T。 通過二次傳熱面的熱量 ：)(22TtFQwf翅片效率 ：TtTtwmf可見，翅片效率就是二次傳熱面的實際平均傳熱溫差和一次傳熱面?zhèn)鳠釡夭畹谋戎怠?)(22TtFQmTtw換算成 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，由于熱傳導所得到的熱量為： dxdxtdlf22 同時這段翅片與流體之間通過對流傳熱得到的熱量為：

11、)( 2Ttdxl在假設傳熱過程穩(wěn)定的前提下，有如下等式成立：)(222Ttdxldxdxtdlf)sinh()(sinh)sinh(PLxLPPx解微分方程 由解式可看出，操作時沿翅片高度溫差是變化的，在翅片整個高度上平均溫差可由解式根據中值定理求出：22tanh2PLPLcp 根據翅片效率的定義，即翅片的平均溫差與翅片根部溫差的比值，得： 22tanh2PLPLcpf)2tanh(PL 上式中 為雙曲正切函數。 對于兩股流板翅式換熱器，當一個熱通道與一個冷通道間隔排列時，根部溫差對稱，則 ，并用定性尺寸表示，翅片效率 可以表示為：0fPbPbcpf)tanh(0其中： fP2r11式中：

12、b-翅片的定性尺寸，m -流體給熱系數，W/m2 K r-污垢系數，m2 K/W 翅片的定性尺寸是指二次表面熱傳導的最大距離，通道中的傳熱具有對稱性時，在計算時可根據下圖來確定。 L冷通道熱通道冷通道熱通道冷通道2冷通道1L1熱通道L2熱通道冷通道2冷通道1熱通道L2L1冷通道3L3冷熱通道間隔兩個熱通道之間隔兩個冷通道2Lb 11Lb 22Lb 兩個熱通道之間隔三個冷通道 11Lb 23212LLLb33Lb 1）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。 對于二股流換熱器，當一個熱通道和一個冷通道間隔排列時，可以表達為： )()(21TtFTtFQwfw 可

13、以設想這樣一個傳熱面 和綜合的表面效率 ，板翅式換熱器的總傳熱方程式可以寫成：012FFF0)(00TtFQwfeFFFF2100)1 (102022210210fffFFFFFFFFFF又因： 00102FyxxFFFF因此： yxyyxxFF102所以： )1 (10fyxy 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。 20/FF0ff0(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： )(whohohhhtTFQ冷流體的傳熱方程式為： )(cwococccTtFQohohhh

14、whFQtTococcccwFQTt在穩(wěn)定傳熱情況下， ，將上兩式相加得： QQQch11()hchohohcococTTQFFohehcechocohoccohhhFFFFK1)1(1111所以： 同理得： ocehheccohocohhocccFFFFK1)1(1111式中： -對應于熱流體通道的總傳熱系數，W/m2K -對應于冷流體通道的總傳熱系數，W/m2K hKcK 前兩式中忽略了污垢熱阻和隔板的導熱熱阻，考慮以上因素后，可分別表示為： 0111FFFFrrFFKhchchocohoccohhh0111FFFFrrFFKchchcohocohhoccc式中： -冷流體的污垢熱阻，m2

15、K/W -熱流體的污垢熱阻，m2K/W -隔板的導熱系數，W/mK -隔板厚度，m crhr(3)給熱系數的計算 在板翅式換熱器中，流體無相變時的給熱系數，同樣是通過實驗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數，其計算公式如下： 1）流體無相變時的給熱系數 GStCpGCjStp3/2Pr/3/2PrGCjppCGStPrj式中： -流體的給熱系數，W/m2K -斯塔頓準數（無因次） -流體的定壓比熱，J/kgK -普蘭特準數（無因次） -流體的質量流速，kg/m2s -傳熱因子（無因次）2）液體沸騰側的給熱系數 有關板翅式換熱器的兩相流給熱系數的計算過去所做的工作較少，只能

16、使用單管的計算公式來近似地計算冷凝、沸騰和多組分系統(tǒng)的給熱系數。 所以液體在核態(tài)沸騰時，其給熱系數可以按下式計算：33. 031. 069. 033. 031. 069. 069. 0) 1()()(262. 0) 1()()()(262. 0vLLpLsvLeLeLLLeLsbpHqCCpDHqDCDC下標：表示液相，表示汽相。(4)傳熱計算中的對數溫差法和傳熱單元數法 1）對數溫差法 在換熱器的設計中，通常存在兩種比較常用的設計方法，即對數平均溫差法和傳熱單元數法。 對數平均溫差法的傳熱方程如下：mtKFQ 對數平均溫差是換熱器設計中經常采用的方法，對于并流和逆流換熱器均可使用下面的平均溫

17、差計算公式： 2121lntttttm代表換熱器兩端溫差中數值大的那一端溫差 代表換熱器兩端溫差中數值小的那一端溫差 混流和錯流流動的平均溫差的計算要比并流和逆流復雜，但在附加一些簡化的假設條件后，都可以用數學方法導出。 不過這些公式很繁雜，因而常將這些流動方式的流體進出口溫度先按逆流算出平均溫差，然后乘以考慮因其流動方式不同于逆流而引入的修正系數，即：mmtt1式中： 為按逆流方式計算得到的對數平均溫差； 為修正系數。 mt1值可根據輔助量P和R查工程圖表來確定。2）傳熱單元數法 對于板翅式換熱器，不僅流體流動形式較多，而且經常出現多股流同時換熱，當通道排列不對稱時，各通道的溫度分布也不相同

18、，因此對數平均溫差計算也就十分復雜。 用傳熱單元數法可以得出各種情況下的換熱效率與傳熱單元數的關系，而不必計算對數平均溫差。 在假設流體流量、比熱和給熱系數一定，只有顯熱變化，無冷損的情況下，有如下方程式： )()(,icoccohihhmoTTCTTCtKFQ流體水當量C用右式計算： pWCC 顯見，小的流體水當量對應于大的溫度降： motuttCKFNmaxmin式中： -傳熱單元數（無因次）； -最小流體水當量， 即冷、熱流體水當量，中較小的一個，W/K -某一流體的最大溫度降，K -對數平均溫差，K tuNminCmaxtmt 再引入一個無因次量，即換熱器效率，用 表示，其值為換熱器內

19、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。 )()()()(,min,min,maxicihicoccicihohihhTTCTTCTTCTTCQQ當 時： minCChicihohihhTTTT,當 時： minCCcicihicochTTTT,v求得 和 后，根據流體流動形式查表得 ，然后可求得所需傳熱面積 ，完成設計計算；v利用換熱效率公式用來驗算冷熱流體出口溫度。minmax/CCtuNoF3 3 通道設計通道設計 通道設計是板翅式換熱器設計的關鍵問題，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。通道排列的設計原則：1）盡可能做到局部熱負荷平衡，以減少過

20、剩熱負荷與傳導距離。2）通道分配應使各個通道的計算長度基本相近。3）應使同一股流體的各個通道的阻力基本相同，并使阻力低于控制值。4）切換的通道數應相等，排列應比鄰。5）通道排列原則上應對稱，便于制造裝配。 3 3 板翅式換熱器設計步驟板翅式換熱器設計步驟 設計一個板翅式換熱器其目的就是選擇一個合適的翅片型式與參數，并確定通道排列，最終確定傳熱系數和傳熱面積，使其與各股流體的給熱系數和傳熱面積相適應。設計步驟：1）選擇翅片型式和確定翅片幾何參數。2）確定流路型式，根據具體情況，選擇逆流、并流或錯流等流路。3）求出對數平均溫差；比熱變化大時，求積分平均溫差。4）確定通道數，根據傳熱系數和流體阻力等

21、要求確定流體重量流速，然后確定通道數和換熱器的有效寬度。5）根據通道布置原則，確定通道排列。6）進行傳熱計算，確定換熱器的有效長度。 (A)計算準數Re、St及Pr，并查圖得j和f因子； (B)計算給熱系數 ； (C)計算翅片效率 和表面效率 ； (D)計算傳熱系數K； (E)計算傳熱面積 ；7）計算壓力損失。f0oF 3-4 3-4 板翅式換熱器板翅式換熱器的流動阻力計算的流動阻力計算 板翅式換熱器的流動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，因此在計算時可以忽略。 總的流動阻力為芯體進口處阻力 、芯體部分阻力 和芯體出口處阻力 的代數和，即： 1

22、P2P3P321PPPP1 1 芯體進口處和出口處阻力芯體進口處和出口處阻力 和和 1P3P 在芯體入口和出口處，流體要發(fā)生收縮和擴大。入口（急劇收縮部）阻力 為： 1P2)1 (22221icivGvGP出口（急劇擴大部 ）阻力 為： 3P2)1 (22223oeovGvGP式中：G-流體的質量流速，kg/m2s 、 -流體在入、出口處的比容，m3/kg -相對自由截面，即有效自由流動面積與流體迎面面積之比， ，其中n1為某種流體的通道數，n為總的通道數。 ivovnnbhxy1 、 分別為收縮和擴大系數，與 和Re有關，可查表求出。 ce2 2 流體在芯體中的流動阻力流體在芯體中的流動阻力

23、 2P 該項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，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單地當作具有當量直徑的等效圓管來考慮，板內的阻力可以表示為： 4) 1(22022imeiivvDfLvvvGP式中： -流體的平均比容，m3/kg mv2oimvvv3 3 換熱器總的流動阻力換熱器總的流動阻力 P換熱器總的流動阻力為： )1 ()4() 1(2)1(220202ioeimeiivvvvDfLvvvGP 一般情況下，由于流體在進口、出口處的局部阻力損失比芯體部分的阻力損失小，所以為了簡化起見，可以只計算流體在芯體內的流動阻力，忽略進出口處的

24、局部阻力損失。芯體內的流體流動阻力可以簡單地根據下式計算： 242GDLfPee式中： -芯體的有效長度，m。 eL 3-5 3-5 板翅式換熱器板翅式換熱器的強度計算的強度計算 一般來說，板翅式換熱器在低壓（0.30.7MPa）條件下工作時，芯體的設計和封頭的布置，主要決定于換熱器的性能和安裝要求，機械強度不是主要的問題。 但是在高壓或交變壓力下操作的換熱器，首先需要考慮機械強度的問題，主要的兩個零件是翅片和封頭，因為這兩個零件承受內壓，并且在安裝接管時會引起附加載荷。 根據“ASME”中的“檢查和檢驗”部分的規(guī)定，即當無恰當的強度計算公式時，可用下述方法中的任何一個進行強度驗算。 v 對應試驗的部件施以5倍于設計壓力的壓力進行強度試驗，而結果不破壞者為強度驗算合格。v 當材料的最小屈服強度和最小抗拉強度之比小于0.626時，可按下述方法進行強度計算。 焊縫系數：X射線檢查100%25%不檢查單面焊0.90.80.6雙面焊1.00.850.7設計壓力常用壓力1.1和最高工作壓力中之較大者氣密試驗壓力設計壓力1.1耐壓試驗壓