1、板翅式换热器设计板翅式换热器设计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 3-1 绪论绪论1 1 发展概述发展概述 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
2、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。 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 2 优缺点优点优缺点优点v 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。v 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。v 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(
3、可比管壳式换热器降低80%)，故成本低。v 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。v 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。2 2 优缺点缺点优缺点缺点v 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。v 铝板翅式换热器的隔板和翅片都
4、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。v 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。3 3 板翅式换热器应用板翅式换热器应用空气分离装置空气分离装置 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3-19
5、6-162空气分离4-162常温 乙烯精制、丙烯液化、氟里昂冷冻5常温150车船散热器、冷却器、油冷器、空冷器、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7100500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、气换热器风冷式气冷却器冷凝蒸发器工程机械风冷式油换热器压缩机风冷式油、气换热器空分主换热器机车风冷式油换热器 3-2 3-2 板翅式换热器的结构板翅式换热器的结构 板翅式换热器由芯体、封头、接管和支座组成。 热交换由芯
6、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。1 1 基本结构基本结构板翅式换热器结构图2 2 翅片作用及类型翅片作用及类型 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。（1）作用（2）类型v 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；v 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；v 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。 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。平直翅片特点是有很长的带光滑壁
7、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。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。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
8、热器和钛板翅式换热器。 （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 DK 多孔翅片 JC 锯齿翅片 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 3 流动形式流动形式 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1 1 几何尺寸计算几何尺寸计算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- ，msBhyxLe 3-3 3-3 板翅式换热器的设计计算
9、板翅式换热器的设计计算(1)当量直径 edyxxyyxxyUAde2)(244(2)通道横截面积A 对于每层单元，通道的横截面积为 ,m2 芯体的n层通道的横截面积为 ,m2sBxyAisBnxynAAi(3)通道横截面积A n层通道的一次传热面积 ,m2 FyxxF1n层通道的二次传热面积 ,m2 FyxyF2n层通道的总传热面积 ,m2 snBLyxFe)(22 2 传热设计计算传热设计计算1）翅片效率 (1) 翅片效率和表面效率 取一个翅片间距的微小单元进行分析 ：lQ2Q1oxTttwdxx通过一次传热面的热量 )(11TtFQw -壁面与流体间的给热系数，W/m2 K F1-次传热面
10、积，m2；tW-隔板表面温度；T-流体温度，K 由于沿气流方向的翅片长度大大超过翅片厚度，所以翅片的导热可以作为一维导热处理。 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。 通过二次传热面的热量 ：)(22TtFQwf翅片效率 ：TtTtwmf可见，翅片效率就是二次传热面的实际平均传热温差和一次传热面传热温差的比值。 )(22TtFQmTtw换算成 在忽略金属翅片厚度方向温度梯度的前提下，在截面和之间的翅片中，由于热传导所得到的热量为： dxdxtdlf22 同时这段翅片与流体之间通过对流传热得到的热量为：
11、)( 2Ttdxl在假设传热过程稳定的前提下，有如下等式成立：)(222Ttdxldxdxtdlf)sinh()(sinh)sinh(PLxLPPx解微分方程 由解式可看出，操作时沿翅片高度温差是变化的，在翅片整个高度上平均温差可由解式根据中值定理求出：22tanh2PLPLcp 根据翅片效率的定义，即翅片的平均温差与翅片根部温差的比值，得： 22tanh2PLPLcpf)2tanh(PL 上式中 为双曲正切函数。 对于两股流板翅式换热器，当一个热通道与一个冷通道间隔排列时，根部温差对称，则 ，并用定性尺寸表示，翅片效率 可以表示为：0fPbPbcpf)tanh(0其中： fP2r11式中：
12、b-翅片的定性尺寸，m -流体给热系数，W/m2 K r-污垢系数，m2 K/W 翅片的定性尺寸是指二次表面热传导的最大距离，通道中的传热具有对称性时，在计算时可根据下图来确定。 L冷通道热通道冷通道热通道冷通道2冷通道1L1热通道L2热通道冷通道2冷通道1热通道L2L1冷通道3L3冷热通道间隔两个热通道之间隔两个冷通道2Lb 11Lb 22Lb 两个热通道之间隔三个冷通道 11Lb 23212LLLb33Lb 1）表面效率 板翅式换热器的总的传热量等于一次传热面和二次传热面的传热量之和。 对于二股流换热器，当一个热通道和一个冷通道间隔排列时，可以表达为： )()(21TtFTtFQwfw 可
13、以设想这样一个传热面 和综合的表面效率 ，板翅式换热器的总传热方程式可以写成：012FFF0)(00TtFQwfeFFFF2100)1 (102022210210fffFFFFFFFFFF又因： 00102FyxxFFFF因此： yxyyxxFF102所以： )1 (10fyxy 由于 总是小于1，所以表面效率 总是大于翅片效率 。同理，翅片效率 越高，则表面效率 也越大。 20/FF0ff0(2)翅片的传热方程式 翅片的传热方程和一般的换热器传热方程的差别仅在于考虑表面效率。 热流体的传热方程式为： )(whohohhhtTFQ冷流体的传热方程式为： )(cwococccTtFQohohhh
14、whFQtTococcccwFQTt在稳定传热情况下， ，将上两式相加得： QQQch11()hchohohcococTTQFFohehcechocohoccohhhFFFFK1)1(1111所以： 同理得： ocehheccohocohhocccFFFFK1)1(1111式中： -对应于热流体通道的总传热系数，W/m2K -对应于冷流体通道的总传热系数，W/m2K hKcK 前两式中忽略了污垢热阻和隔板的导热热阻，考虑以上因素后，可分别表示为： 0111FFFFrrFFKhchchocohoccohhh0111FFFFrrFFKchchcohocohhoccc式中： -冷流体的污垢热阻，m2
15、K/W -热流体的污垢热阻，m2K/W -隔板的导热系数，W/mK -隔板厚度，m crhr(3)给热系数的计算 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： 1）流体无相变时的给热系数 GStCpGCjStp3/2Pr/3/2PrGCjppCGStPrj式中： -流体的给热系数，W/m2K -斯塔顿准数（无因次） -流体的定压比热，J/kgK -普兰特准数（无因次） -流体的质量流速，kg/m2s -传热因子（无因次）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
16、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：33. 031. 069. 033. 031. 069. 069. 0) 1()()(262. 0) 1()()()(262. 0vLLpLsvLeLeLLLeLsbpHqCCpDHqDCDC下标：表示液相，表示汽相。(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 在换热器的设计中，通常存在两种比较常用的设计方法，即对数平均温差法和传热单元数法。 对数平均温差法的传热方程如下：mtKFQ 对数平均温差是换热器设计中经常采用的方法，对于并流和逆流换热器均可使用下面的平均温
17、差计算公式： 2121lntttttm代表换热器两端温差中数值大的那一端温差 代表换热器两端温差中数值小的那一端温差 混流和错流流动的平均温差的计算要比并流和逆流复杂，但在附加一些简化的假设条件后，都可以用数学方法导出。 不过这些公式很繁杂，因而常将这些流动方式的流体进出口温度先按逆流算出平均温差，然后乘以考虑因其流动方式不同于逆流而引入的修正系数，即：mmtt1式中： 为按逆流方式计算得到的对数平均温差； 为修正系数。 mt1值可根据辅助量P和R查工程图表来确定。2）传热单元数法 对于板翅式换热器，不仅流体流动形式较多，而且经常出现多股流同时换热，当通道排列不对称时，各通道的温度分布也不相同
18、，因此对数平均温差计算也就十分复杂。 用传热单元数法可以得出各种情况下的换热效率与传热单元数的关系，而不必计算对数平均温差。 在假设流体流量、比热和给热系数一定，只有显热变化，无冷损的情况下，有如下方程式： )()(,icoccohihhmoTTCTTCtKFQ流体水当量C用右式计算： pWCC 显见，小的流体水当量对应于大的温度降： motuttCKFNmaxmin式中： -传热单元数（无因次）； -最小流体水当量， 即冷、热流体水当量，中较小的一个，W/K -某一流体的最大温度降，K -对数平均温差，K tuNminCmaxtmt 再引入一个无因次量，即换热器效率，用 表示，其值为换热器内
19、所利用的热量与给定初始温度下能从热流体中获得的最大热量的比。 )()()()(,min,min,maxicihicoccicihohihhTTCTTCTTCTTCQQ当 时： minCChicihohihhTTTT,当 时： minCCcicihicochTTTT,v求得 和 后，根据流体流动形式查表得 ，然后可求得所需传热面积 ，完成设计计算；v利用换热效率公式用来验算冷热流体出口温度。minmax/CCtuNoF3 3 通道设计通道设计 通道设计是板翅式换热器设计的关键问题，通道分配、排列是否合理直接决定着板翅式换热器的性能与指标。通道排列的设计原则：1）尽可能做到局部热负荷平衡，以减少过
20、剩热负荷与传导距离。2）通道分配应使各个通道的计算长度基本相近。3）应使同一股流体的各个通道的阻力基本相同，并使阻力低于控制值。4）切换的通道数应相等，排列应比邻。5）通道排列原则上应对称，便于制造装配。 3 3 板翅式换热器设计步骤板翅式换热器设计步骤 设计一个板翅式换热器其目的就是选择一个合适的翅片型式与参数，并确定通道排列，最终确定传热系数和传热面积，使其与各股流体的给热系数和传热面积相适应。设计步骤：1）选择翅片型式和确定翅片几何参数。2）确定流路型式，根据具体情况，选择逆流、并流或错流等流路。3）求出对数平均温差；比热变化大时，求积分平均温差。4）确定通道数，根据传热系数和流体阻力等
21、要求确定流体重量流速，然后确定通道数和换热器的有效宽度。5）根据通道布置原则，确定通道排列。6）进行传热计算，确定换热器的有效长度。 (A)计算准数Re、St及Pr，并查图得j和f因子； (B)计算给热系数 ； (C)计算翅片效率 和表面效率 ； (D)计算传热系数K； (E)计算传热面积 ；7）计算压力损失。f0oF 3-4 3-4 板翅式换热器板翅式换热器的流动阻力计算的流动阻力计算 板翅式换热器的流动阻力是指入口管的静压与出口管静压的差。 通常出入口管道的摩擦阻力比芯体部分的阻力小，因此在计算时可以忽略。 总的流动阻力为芯体进口处阻力 、芯体部分阻力 和芯体出口处阻力 的代数和，即： 1
22、P2P3P321PPPP1 1 芯体进口处和出口处阻力芯体进口处和出口处阻力 和和 1P3P 在芯体入口和出口处，流体要发生收缩和扩大。入口（急剧收缩部）阻力 为： 1P2)1 (22221icivGvGP出口（急剧扩大部 ）阻力 为： 3P2)1 (22223oeovGvGP式中：G-流体的质量流速，kg/m2s 、 -流体在入、出口处的比容，m3/kg -相对自由截面，即有效自由流动面积与流体迎面面积之比， ，其中n1为某种流体的通道数，n为总的通道数。 ivovnnbhxy1 、 分别为收缩和扩大系数，与 和Re有关，可查表求出。 ce2 2 流体在芯体中的流动阻力流体在芯体中的流动阻力
23、 2P 该项阻力主要是由换热面的形状阻力和摩擦阻力组成，但并不分开，可看作是作用于总摩擦面积上的等效剪切力。 因此板翅式换热器的芯体可以简单地当作具有当量直径的等效圆管来考虑，板内的阻力可以表示为： 4) 1(22022imeiivvDfLvvvGP式中： -流体的平均比容，m3/kg mv2oimvvv3 3 换热器总的流动阻力换热器总的流动阻力 P换热器总的流动阻力为： )1 ()4() 1(2)1(220202ioeimeiivvvvDfLvvvGP 一般情况下，由于流体在进口、出口处的局部阻力损失比芯体部分的阻力损失小，所以为了简化起见，可以只计算流体在芯体内的流动阻力，忽略进出口处的
24、局部阻力损失。芯体内的流体流动阻力可以简单地根据下式计算： 242GDLfPee式中： -芯体的有效长度，m。 eL 3-5 3-5 板翅式换热器板翅式换热器的强度计算的强度计算 一般来说，板翅式换热器在低压（0.30.7MPa）条件下工作时，芯体的设计和封头的布置，主要决定于换热器的性能和安装要求，机械强度不是主要的问题。 但是在高压或交变压力下操作的换热器，首先需要考虑机械强度的问题，主要的两个零件是翅片和封头，因为这两个零件承受内压，并且在安装接管时会引起附加载荷。 根据“ASME”中的“检查和检验”部分的规定，即当无恰当的强度计算公式时，可用下述方法中的任何一个进行强度验算。 v 对应
25、试验的部件施以5倍于设计压力的压力进行强度试验，而结果不破坏者为强度验算合格。v 当材料的最小屈服强度和最小抗拉强度之比小于0.626时，可按下述方法进行强度计算。 焊缝系数：X射线检查100%25%不检查单面焊0.90.80.6双面焊1.00.850.7设计压力常用压力1.1和最高工作压力中之较大者气密试验压力设计压力1.1耐压试验压力设计压力1.5（稳定压力的换热器）和设计压力2（可逆式换热器） 虽然板翅式换热器内部结构复杂，不能作精确的强度计算，但可以进行以下近似计算，作为设计的依据和参考。 1 1 翅片厚度翅片厚度 pmt 式中：t-翅片最小厚度，m -材料的许用应力，MPa m-翅片
26、间距，m p-设计压力，MPa（表压） -削弱系数，（无因次，对多孔翅片）当已知开孔的直径和间距时：式中：T-多孔翅片孔间距，m d-多孔翅片孔径距，m当已知开孔率时： 式中：R-多孔翅片的开孔率% TdT R23212 2 隔板厚度隔板厚度 Cpmtb 43式中：C-腐蚀余量，m，一般取0.20.510-3m ： 3 3 封条宽度封条宽度 封条宽度一般不计算。若必须计算时，在封条宽度比厚度小得多的情况下可近似采用下式：34 spWh式中： -封条最小宽度，m h-翅片高度，m sW4 4 封头壁厚封头壁厚 2 1.2ipDtCp 式中： -内径，m C-壁厚附加量，一般取10-3m -焊缝系
27、数，双面对接焊，取 ，单面对接焊，取 。 iD0 . 17 . 09 . 06 . 0此计算公式针对半圆形封头，矩形封头可以参阅压力容器封头设计准则。 3-5 3-5 板翅式换热器板翅式换热器的制造工艺的制造工艺 铝制板翅式换热器的整个制造过程都要求有极高的技术水平，严格的质量控制和检测措施。 制造过程包括零件准备、板束组装、钎焊和封头接管氩弧焊接等工序。 工艺过程如下图所示。板翅式换热器制造工艺流程 Truism (Mans Viewpoint)To be happy with a man, you must understand him a lot and love him little.To be happy with a woman, you must love her a lot and not try to understand her at all.
