板式换热器设计选型及使用中应注意的问题.pdf

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1、1 9 9 9 年 第 4期 1 概述 板 式 换 热 器 设 计 选 型 及 使 用 中应 注 意 玺回生 杜建通 盔 ( 天津商学院) ( 天津市经济管理学校) 的 问题 丁c 卜 “ 砧每 摘要】 介绍板式换热嚣的特最， 指 出板式换热器设计选型厦使 用中应注意的一些问题 。 关 键 词 板 兰兰 兰 使 用 问 题 诵列癌 翻 一一 一 、I 。 板式换热器是 由一 系列具有一定波纹形状的金属片叠 装而成的一种新型高嫂换热 器。各扳 片之 间形成许多小流 通断面的流道 ， 通过扳 片进行热量交换。它与常规的壳管式 换热器相 比， 在相同的流动 阻力和泵功率消耗 情况下 ， 其传 热系数

2、要高出很多。在适用范 围内有取代壳管式换热 器的 趋势。国外 自6 0年代开始 ， 应用 已非常普遍 。国内板式换 热器的应用远不及 国外， 这与人们对扳式换热器 的 了解程 度 、 使用习惯及 国内产品的水平有关 。7 0年代 ， 我国板式换 热器大多用在食 品、 轻工 、 机械等部 门； 帅 年代初期 ， 扩大到 民用建筑的集 中供热 ； 8 0年代 中期， 随着 高层建筑集 中空调 的增多和空调制冷设备产 品的更新换代 ， 在空调制冷领域里 的应用已名列前茅。 板式换热器型式 主要有框架式 ( 可拆卸式 ) 和钎 焊式两 大类。扳片形式主要有人字形波纹板 、 水平平直波纹板和瘤 形板共三

3、种 。国外著名 的生产厂家有瑞典 A l f a l a a( 阿法 拉伐 ) 、 s ( 舒瑞普 ) 、 德国 G E A公司、 英 国 A P V公司 、 日本 H i s a k a ( 日阪制作所) 等 ， 国 内生产厂家主要有兰州化工机械 厂 、 上海化工机械 二厂、 北京华都换 热设 备厂 、 永大换热器 厂 、 广州番禺新速能板式换热器有限公司等。 2 板 式换 热器 的特点 2 1 板式换热器与壳管式换热器的比较 ( 1 ) 传热系数高。由于不 同的波纹板相互倒 置， 构成复 杂流道 ， 使流体在波纹板 间流道内呈旋转三维流动， 能在较 低的雷诺效( 般 R e=5 02 0

4、0 ) 下产生紊流 ， 所 以传热 系数 高， 一般认为是壳管式的 35倍。 ( 2 ) 对数平均温差大 ， 末端温差小。在壳管式换热 器中， 两种流体分别在壳程 和管程内流动 ， 总体上是错 流流 动， 对 作者简介 ： 邹同华 天津商学院 旨 I 砖工程系 3 0 O 4 0 O 收幕 日期 1 9 9 90 41 9 数平均温差修正 系数小 而板式换热器多是并 流或逆流流 动方式 ， 其修正系数通常在 0 9 5左右 。此外 冷 、 热液体在 板式换热器 内的流动平行于换热面 无旁流 ， 因此使得板式 换热器的末端温差小 ， 对水 一水换热可低 于 1 。 c， 而壳管式换 热器一般为

5、5 。 c 。 ( 3 ) 占地面积小。板式换热器结构紧凑 ， 单位 体积内的 换热面积为壳管式 的 25倍 ， 也不象壳管 式那样要预 留抽 出管柬的检修 场地 ， 因此实现同样 的换热量 ， 扳式换热 器 占 地面积约为壳管式换热器 的 1 51 1 0 。 ( 4 ) 容易改变换热面积或流程组合。只要增加或减少几 张板 片， 即可达到增 加或减少换热面积的 目的 ； 改变板片排 列或更换几张板片， 即可达到所要求 的流程组合 ， 适应新的 换热工况， 而壳管式换热器的传热面积几乎不可能增减。 ( 5 ) 重量轻。板式换热器的板 片厚度仅 为 0 40 8 m m， 壳管式换热器 的换热管

6、厚度为 2 0 2 5 ri m 1 ， 壳管式的壳体 比扳式换热器的框架重得多， 板式换热器一般只有壳管式重 量的 1 5左右。 ( 6 ) 价格低。采用相同材料 ， 在相 同换热面积下 板式换 热器价格比壳管式约低 4 0 6 o 。 ( 7 ) 制作方便。板式换热器的传 热板是 采用 冲压加工 ， 标准化程度 高， 并可大批生 产 ， 壳管式换热器一般采用手 工 制作 。 ( 8 ) 容易清洗。框架式板式换热器 只要 松动压 紧螺挂 ， 即可板开板柬 ， 卸下板片进行机械 清洗 ， 在需要经常清洗设 备的场合使用十分方便。 ( 9 ) 热损失小。板式换热器只有传热板 的外壳板暴露在 大气

7、中， 因此散热损失可以忽略不计， 不需要保温措 施。而 壳管式 换热器热损失大 ， 则必需保温。 ( 1 0 ) 容量较小。是壳管式换热 器的 1 0 2 0 。 ( 1 1 ) 单位长度的压力损失大。 由于传热面之间的 间隙 维普资讯 http:/ 建筑热能通风 空调 5 5 较小 ， 传热 面上 有 凹 凸 ， 因此 比传 统 的光 滑管 的压力 损失 大 。 ( 1 2 ) 不易结垢。 由于内部 水流湍急 ， 不易结垢 ， 其结垢 系数仅为管式换热器 的 1 3 1 1 0 。 ( 1 3 ) 板式换热器采用密封垫密封 ， 工作压力一般不宜超 过 2 5 MP a ， 介质温度应低于 2

8、 5 0 C以下 ， 否则有可能泄漏。 ( 1 4 - ) 由于板片间通道很窄 ， 一般只有 25 m m， 当换热介 质 含有较大颗粒或纤维物质时 ， 容易堵塞。 2 2 国产板式换热器与 国外板式换热器产品比较举例 产 地 S WE P公 司 国 内厂家 结榆形式 垫片式 钎焊式 垫片式 品种 5 3 种 】 0 种左右 单 片 换 竺 积 ) A 1蛐 0 4 、0 0 1 23 五 芸 台 金 。 、 s M 0 ， 哈氏台金 为主 板 厚 ( r I 1 )0 3 0 5 O 71 0 K 值( h h c c )4 0 O O 一8 0 0 0 2 0 O O 一 4 0 O O

9、流量( h ) 最大 1 8 0 0 晟大 1 0 0 0 垫片材料 N B R E P D N T I O N P r F E N B R E P D M 工作温度( c c ) 垫片式 ： 撕 ， 钎焊式 ： 笠5 垫片式 ： 罨1 7 0 工作压力( b 盯】 垫片式 ： 2 0 钎焊式： 3 0 1 6 板纹 拼装板 人字型 板纹组台 6 种 3 种 3 板式换热器设计选型爰使用中应注意的问题 3 1 板式换热器设计计算中应注意的一些问题 板式换热器传热计算基本公式为 ： Q：l ， 式中： ( I ) Q为换热量( ， Q=G ( - 一 ) ， c - 为质量流量( k 昏 s )

10、 ， i 、 i 2 为流体进、 出1：3 焙值。 ( 2 ) K为传热系数( r I q c ) ， K=( 1 +1 +R p +R h + +R ) 一 其中 喃、 为热 、 冷流体侧换热系数 ( W m 2 ) ， 当给定 流速 w时， 可根据厂家提供的准则关 系式得出； R p为板片热 阻( q c W) ； K h 、 R c为热 、 冷流体侧污垢热阻 ( q c ， w) ； R c 、 R e o 2 为涂层热阻( C W) 。 ( 3 ) F为有效传热面积 ( ) ， 如样本 未特殊注明， 均指成 型板减去导流、 密封等部分的面积 ， 不是设想的展平面积。K 和 均以此面积为

11、基准。 ( 4 ) 为有效传热面积温差( ) ， t I = N ， 田 为温差 修正系数 ， 它随玲 、 热流体相对流动方向的不 同而异。 为 对数平均温差 。 在利用上式进行设计和校核计算时 ， 应注意以下几个主 要参数 的取值问题 ： 3 1 1 值 由于国内外厂家在板形设计上有差异 ， 一次成型工艺水 乎有区别 ， 导致分流均匀程度不 同， 故换热效率有高低之分。 据有关资料介绍 ， 国外板式换热器的最小对数平均温差标准 规定为 1 q c， 而我国为 3 C， 但许多厂家 已突破这一 点， 据说 可以达 1 5 q c， 即 t ln =2 q c。这样可以减少换 热面积 ， 节省换

12、 热设备投资 ， 但相 应地要提高空调系统末端设备的型号 ， 又 增加 了投资。因此 ， 温差的选取 ， 应进行综合技术经济分析 但对冷冻水系统而言 ， 应控制在 1 52 C范围内。 3 2 2 水 流速 W 据有 关 资料介 绍 ， 换 热面 积 的多少 与 速度 的 0 60 9次 幂成正比 而功率消耗则与速度 的 3次幂成正 比。可见 ， 低 速可 以节能， 减少运行费用。但过分低 的流速将导致传热系 数的大幅度下降， 换热面积 的增加 ， 初投资加 大。因此 ， 从理 论上讲 ， 板式换热器应存在一个最佳流速问题， 即在此 流速 下其初投资和运行费用最小。经实践证 明， 一般水流速控

13、制 在 O 2 0 6 m s 为宜。对于高温水的集 中供热系统 ， 一般外 网留给换热站的允许压 降为 3 05 0 k P a 所 在板式 换热器 的计算中， 一次侧热媒崭 e 速应控制在 0 2 0 C m s 的范围内。 3 1 3 污垢热阻 R 板式换热器的污垢热阻， 比普通 的壳管式换热器的污垢 热阻小 ， 这主要是 由于传热板的凹凸不乎 ， 流体在 流道中易 形成紊流 ， 流体 中的固体颗粒难以沉积 ； 在结构上 ， 壳管式换 热器在壳体与折流板连接处流体有停 留空间， 板式换热器没 有这样的停 留空间； 板式换热器表面光滑 ， 有 时好似镜面 ： 由 于板面薄、 耐腐蚀强 ，

14、不易产生沉积 ， 板式换热器没有死 区， 滞 留量小 ， 可 以报方便地进行拆卸清洗或化学清洗。板式换 热器的梧垢热阻无论 在什 ，厶情 况下 ， 均不会超过 0 0 0 1 3 1 4 q c W 。 3 1 4 壁温计算 在计算换热系数时， 为 了确定液体 的粘度或温差 ， 必须 知道板片的壁面温度 。一般壁面温度可采用试算法确定 ， 具 体步骤如下 ： ( 1 ) 根据玲 、 热流体的温度 ， 假定一侧壁温 ； ( 2 ) 由准则关系式求该侧换热系数 ( 3 ) 由公式 q 。 = ( t J ) 计算该侧单位面积上 的换热量 ql ； ( 4 ) 根据板片的热阻 R p用公式 ： 一

15、R p 计算另一 侧壁温 ； ( 5 ) 由准则关系式求出另一侧换热系数 吨； ( 6 ) 由公式 屯= ( 一 ) 计 算另一 单位面积换热量 屯， 如果假定的壁温正确 ， 则应有 =屯； 若 屯， 则应重新假 定壁温再进行计算 ， 直至 q 】 与 屯基本相当为止。 为了准确快速 可用计算机计算 ； 也可用图解法计算 ， 即 假定多个壁温 ， 把计算出的 与 屯 画成 图， 其中 q 与 相 交点即为壁温。 3 2 板式换 热器 选 型时应 注 意 的向题 3 2 1 板型 选择 板片型式或波纹形式应根据换热场合的实际需要而定。 对流量大允许压降小的情 况 ， 应选用 阻力小的板 型， 反

16、之选 用阻力大的板型。根据流体压力和 温度的情况 ， 确定选择可 维普资讯 http:/ 1 9 9 9年 第 4期 拆卸式 ， 还是钎焊式。确定板型时不宜选择单板 面积太小的 板 片 ， 以免 板 片数 量 过 多 板 间流 速 偏 小 ， 传 热 系数 过低 ， 对 较大 的换 热站 更 应注 意此 问题 。 3 2 2 流 程和 流道 的选 择 流程是 指板式换热器内一种介质同一流动方向的一组 并联流道 ， 而流道则 是指板式换热器 内， 相邻两板片组成的 介质流动通道 。一般情况下 ， 将若干个流道按并联或串联的 方式连接起来 ， 以形成冷 、 热介质通道的不同组合形式 流程组合形式应

17、根据换 热和流体阻力 ， 在满足工艺要求 下确定 。尽量使冷、 热水流流道内的对流换热系数相等或接 近时传热系数获得较大值。虽然板式换热器 各板间流速不 相等 ， 但在换热和辩 e 体阻力 计算时， 奶 以平均流速进行计算。 3 2 3 压降校核 在板式换热器 的设 计选型时 一般对 压降有一定 的要 求 所以应对其进行校核。如果校核压降超过允许压降 ， 需 重新进行设计选 型计算 ， 直到满足工艺要求为止。一般厂家 在样本中给出压降计算公式 ， 如果生产厂家投有提供计算公 式 ， 可参照文献 1 进行计算 如果工艺对压降无要求 ， 从技 术经济上考虑， 对于水 一水换热器的压降应不 大于 O

18、 0 6 t a 为宜 。 3 2 4 板式换热器用作冷凝器和燕发器时应注意的问 题 供热工程上用 的蒸汽 一热水换热器， 制冷空调设备如冷 水机组 、 热泵冷热水机组 上用的水侧换热 器( 蒸发器 、 冷凝 器 ) ， 已往经常是用壳管式换热器。为了减少体积 ， 提高传热 效率 ， 目前应用板式换热器 的 日趋增 多。迄今 为止 ， 板 式换 热器的板 型基本上是为液 一液换热 目的而设计的， 但这种换 热器不作任何改动用作冷凝器， 其换热效果仍然比壳管式换 热器好。近年来 ， 国外阽续研制出若干专用 的板式蒸发器和 冷凝器 ， 并 已大量应用 ， 收到了良好的效果。 目前 板式换热器生产厂

19、家均未提供凝结换热和沸腾换 热的准则式 ， 在进行板式换热器的设计选 型计算时可利用文 献 1 提供的参考公式。但要注意以下一些问题 ： ( 1 ) 一般玲凝和沸腾均可在一个流程中完成， 因此 ， 相变 一 侧经常布置成单流程 ， 液体侧可根据需要 布置成单程或多 程 。在暖通空调翩冷疆域 ， 水侧一般也是单流程为多 。 ( 2 ) 对板式冷凝器 ， 设 计时一般不要使冷凝段 与过冷段 并存 因为过冷段的换热效率低 ， 如果 需要过冷 原则上应 单 独设过 冷器 。 ( 3 ) 板式冷凝器及蒸发器设计 同样存在一个允许压降问 题 冷凝器 内压 降大， 会壤蒸汽的冷 凝温度降低， 造成对数 平均

20、温差小 ； 蒸发器内压降大 ， 会造成出口蒸汽过热度加大， 两者都会使换热器 面积加大 ， 对换热 是不利的。因此 ， 在选 择板式蒸发器时， 应尽量选阻力较小 的板片 ， 且每台的板 片 数不宜过多； 尽量使供液分配均匀 。板式冷凝器应采用中间 隔板 向两边 分掖 的方 法 。 ( 4 ) 在选 型时 ， 应优 先选 用 板 式 冷 凝 器 和 板 式蒸 发 器 的 结构型式 ， 在无合适型号时可选常用的一般板式换热器。 ( 5 ) 对使用在制冷空调设 备上 的板式换热器 ， 由于制冷 剂压力高， 渗漏能力强 ， 宜采用钎焊式板式换热器 3 3 板式换热器使用时应注意的一些问题 3 3 1

21、垫 片 对于可拆卸式板式换热器 ， 垫片的密封性决定了整个换 热器的性能。垫 片经多次松开和压紧容易损坏 ， 需要更 换。 垫片是用机械或粘接的方式嵌沟槽的 ， 当使用压缩石棉垫 片 时 ， 必 须 在表面 涂上 防粘剂 ， 以防粘 在换 热板 槽 中。 3 3 2 柱惨 板式换热器属于压力容器 ， 必须定期检查 ， 检查腐蚀状 态 ， 如有腐蚀 ， 一经发 现， 必 须修 理 ； 当腐蚀 严重 ， 不可能修 复 ， 必须更换新件。板件拆装 时顺序不要搞错。此外 ， 板式 换热器应定期清洗 。 3 3 3 使用 板式换热器尽 管应用广泛 ， 可 处理 的流体达 2 0 0种 以 上 ， 但对

22、于每种板 式换热器而言 有其特定的使用条件 板 式换热器一经选定 ， 便不可随便作它用 ， 否则会造成严重后 果。如板式换热器对运行工作压力和温度有一定的限制 ， 如 果超出该范围， 势必造成泄漏 、 腐 鼬甚至爆裂 等后果。 4 结论 目前供热 、 制冷空调设备及系统应用板式换热器的越来 越大， 已成为板式换热器的重要用户 但设计选型方法很不 一 致， 造成有 的选型过大 ， 工程投资增加 ， 效果 也未充 分发 挥 ； 有的选型偏小 ， 造成使用效果不好 不能满足运行工况要 求 ， 甚至造成损失。本文指 出的板式换热器设计选型应注意 的一些问题 ， 对于工程设计 选型、 设备维护保养人员兴

23、许有 一 定的参考价值， 还应 当指 出， 这些问题 ， 对于不同的板式换 热器都是适 用的。 B E E 参考文 献 l 刘宪葵等 板式挨热器设计选型计算方法空调设计 ， l 嘶 “) 2 日 高教热交换器数据手册编委会高教热 交换器数据手册 北 京 ： 机械 工业出 版社 1 9 8 7 3 来聘冠 换热器原理厦计算 北京： 清华大学出敝社 ， 1 9 8 7 4 覃耘， 张士科等编译 换热器实用技 术问题北京： 煤炭工业出 版杜， 1 9 9 【 5 王志刚， 俞炳丰国内外制冷空调用换热 器的研究进展制冷学 报， 1 9 9 7 ； ( 3 ) 6 馥桓 ( 3 ) 中的应用通风脒尘 ， 1 9 9 7 1 6 维普资讯 http:/