板翅式換熱器

1、板翅式換熱器設(shè)計,Plate-fin Heat Exchanger,二零零五年七月,本章主要內(nèi)容,一、緒論二、板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)三、板翅式換熱器的設(shè)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(qiáng)度計算六、板翅式換熱器的制造工藝,本章學(xué)習(xí)重點,（1）了解板翅式換熱器的基本型式及結(jié)構(gòu)（2）能應(yīng)用基本傳熱公式對板翅式換熱器進(jìn)行設(shè)計計算,§ 3-1 緒論,1 發(fā)展概述,二十世紀(jì)三十年代，英國的馬爾斯頓·

2、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(jī)散熱器。 此后，各種金屬材料的板翅式換熱器相繼出現(xiàn)在工程應(yīng)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(shè)備。 近幾年來，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、翅片規(guī)格、生產(chǎn)工藝和設(shè)計、科研方面都有較大發(fā)展，應(yīng)用范圍也日趨廣泛。,,2 優(yōu)缺點－優(yōu)點,傳

3、熱效率高，溫度控制性好,翅片的特殊結(jié)構(gòu)，使流體形成強(qiáng)烈湍流，從而有效降低熱阻，提高傳熱效率。其傳熱系數(shù)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(zhì)溫度。,結(jié)構(gòu)緊湊,傳熱面積密度可高達(dá)17300 m2/m3，一般為管殼式換熱器的6-10倍，最大可達(dá)幾十倍。,輕巧，經(jīng)濟(jì)性好,翅片很薄，而結(jié)構(gòu)很緊湊、體積小、又可用鋁合金制造，因而重量很輕(可比管殼式換熱器降低80%)，故成本低。,,可靠性高,全釬焊結(jié)構(gòu)，杜絕了泄

4、漏可能性。同時，翅片兼具傳熱面和支撐作用，故強(qiáng)度高。,靈活性及適應(yīng)性大：,1）兩側(cè)的傳熱面積密度可以相差一個數(shù)量級以上，以適應(yīng)兩側(cè)介質(zhì)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(dá)12股，這意味著工程、隔熱、支撐和運輸?shù)某杀鞠慕档?，每股流的流道數(shù)和流道長都可不同； 3）最外側(cè)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 優(yōu)缺點－缺點,,流道狹小，容易引起堵塞而增大壓降；當(dāng)換熱器

5、結(jié)垢以后，清洗比較困難，因此要求介質(zhì)比較干凈。,鋁板翅式換熱器的隔板和翅片都很薄，要求介質(zhì)對鋁不腐蝕，若腐蝕而造成內(nèi)部串漏，則很難修補(bǔ)。,板翅式換熱器的設(shè)計公式較為復(fù)雜，通道設(shè)計十分困難，不利于手工計算；這也是限制板翅式換熱器應(yīng)用的主要原因。,3 板翅式換熱器應(yīng)用,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 在天然氣的液化、分離裝置，及合成氨工業(yè)中逐步獲得應(yīng)用；,動力機(jī)械 內(nèi)燃機(jī)車散

6、熱器，汽車散熱器、挖掘機(jī)循環(huán)油冷卻器和壓縮機(jī)空冷器、油冷器等；,原子能和國防工業(yè) 氫液化器和氮液化器。,機(jī)車水冷式中冷器,風(fēng)冷式換熱器,壓縮機(jī)風(fēng)冷式油、氣換熱器,風(fēng)冷式氣冷卻器,冷凝蒸發(fā)器,工程機(jī)械風(fēng)冷式油換熱器,壓縮機(jī)風(fēng)冷式油、氣換熱器,空分主換熱器,機(jī)車風(fēng)冷式油換熱器,§ 3-2 板翅式換熱器的結(jié)構(gòu),,板翅式換熱器由芯體、封頭、接管和支座組成。,熱交換由芯體完成，因此最關(guān)鍵的部件是芯體。芯體由翅片、隔板、封條和導(dǎo)流片

7、組成。,1 基本結(jié)構(gòu),板翅式換熱器結(jié)構(gòu)圖,2 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,翅片有鋸齒形、平直形、多孔形等多種結(jié)構(gòu)型式，可根 據(jù)不同的操作條件來選擇合適的翅片型式； 翅片的擴(kuò)展面和翅片對流體的擾流能力決定了熱交換能力； 因此板翅式換熱器具有結(jié)構(gòu)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

8、承擔(dān)主要的傳熱任務(wù)外，還起著兩隔板間的加強(qiáng)作用。,平直翅片特點是有很長的帶光滑壁的長方型翅片，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(qiáng)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(jìn)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(jìn)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

9、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(nèi)流道凸出，起到強(qiáng)化傳熱的作用。,板翅式換熱器有釬焊式和擴(kuò)散焊兩種基本結(jié)合型式。大多數(shù)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(zhì)，有真空釬焊的不銹鋼板翅式換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(shù)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： 6

10、5PZ2103 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 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 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----

11、翅片有效長度，m； n----通道層數(shù)；x----翅片內(nèi)距x=s- ，m； y----翅片內(nèi)高y=h- ，m,§ 3-3 板翅式換熱器的設(shè)計計算,,(1)當(dāng)量直徑,(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 ,m2,(3)通道橫截面積A,n層通道的一次傳熱面積 ,m2,n層通道的二次傳熱面積 ,m2,n層通道的

12、總傳熱面積 ,m2,2 傳熱設(shè)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(jìn)行分析 ：,通過一次傳熱面的熱量,-壁面與流體間的給熱系數(shù)，W/m2 ? K F1-次傳熱面積，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(dǎo)熱可以作為一維導(dǎo)熱處理。 根據(jù)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

13、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 ：,翅片效率 ：,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?,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(dǎo)所得到的熱量為：,同時這段翅片與流體之間通過對流傳熱得到的熱量為：,在假設(shè)傳熱過程穩(wěn)定的前提下，有如下等式成立：,,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

14、上平均溫差可由解式根據(jù)中值定理求出：,根據(jù)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：,上式中 為雙曲正切函數(shù)。,對于兩股流板翅式換熱器，當(dāng)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：,其中：,式中： b-翅片的定性尺寸，m -流體給熱系數(shù)，W/m2 ? K r-污垢系數(shù)，m2 ? K/W,翅片的

15、定性尺寸是指二次表面熱傳導(dǎo)的最大距離，通道中的傳熱具有對稱性時，在計算時可根據(jù)下圖來確定。,冷熱通道間隔,兩個熱通道之間隔兩個冷通道,兩個熱通道之間隔三個冷通道,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(dāng)一個熱通道和一個冷通道間隔排列時，可以表達(dá)為：,可以設(shè)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：,,又因：,因此：,所以：,由于

16、 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。,(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：,冷流體的傳熱方程式為：,,,在穩(wěn)定傳熱情況下， ，將上兩式相加得：,所以：,同理得：,式中： -對應(yīng)于熱流體通道的總傳熱系數(shù)，W/m2?K -對應(yīng)于冷流體通道的總傳熱系數(shù)，W/m2?

17、K,前兩式中忽略了污垢熱阻和隔板的導(dǎo)熱熱阻，考慮以上因素后，可分別表示為：,式中： -冷流體的污垢熱阻，m2?K/W -熱流體的污垢熱阻，m2?K/W -隔板的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m?K -隔板厚度，m,(3)給熱系數(shù)的計算,在板翅式換熱器中，流體無相變時的給熱系數(shù)，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(zhǔn)數(shù)，其計算公式如下：,1）流體無相

18、變時的給熱系數(shù),式中： -流體的給熱系數(shù)，W/m2?K -斯塔頓準(zhǔn)數(shù)（無因次） -流體的定壓比熱，J/kg?K -普蘭特準(zhǔn)數(shù)（無因次） -流體的質(zhì)量流速，kg/m2?s -傳熱因子（無因次）,2）液體沸騰側(cè)的給熱系數(shù),,有關(guān)板翅式換熱器的兩相流給熱系數(shù)的計算過去所做的工作較少，只能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(shù)。 所以液體在核態(tài)沸騰時，其

19、給熱系數(shù)可以按下式計算：,,下標(biāo)：表示液相，表示汽相。,(4)傳熱計算中的對數(shù)溫差法和傳熱單元數(shù)法,1）對數(shù)溫差法,在換熱器的設(shè)計中，通常存在兩種比較常用的設(shè)計方法，即對數(shù)平均溫差法和傳熱單元數(shù)法。 對數(shù)平均溫差法的傳熱方程如下：,對數(shù)平均溫差是換熱器設(shè)計中經(jīng)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差計算公式：,,代表換熱器兩端溫差中數(shù)值大的那一端溫差,,代表換熱器兩端溫差中數(shù)值小的那一端溫差,混流和錯流流動的平均

20、溫差的計算要比并流和逆流復(fù)雜，但在附加一些簡化的假設(shè)條件后，都可以用數(shù)學(xué)方法導(dǎo)出。 不過這些公式很繁雜，因而常將這些流動方式的流體進(jìn)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(shù)，即：,式中： 為按逆流方式計算得到的對數(shù)平均溫差； 為修正系數(shù)。,值可根據(jù)輔助量P和R查工程圖表來確定。,2）傳熱單元數(shù)法,對于板翅式換熱器，不僅流體流動形式較多，而且經(jīng)常出現(xiàn)多股流同時換

21、熱，當(dāng)通道排列不對稱時，各通道的溫度分布也不相同，因此對數(shù)平均溫差計算也就十分復(fù)雜。 用傳熱單元數(shù)法可以得出各種情況下的換熱效率與傳熱單元數(shù)的關(guān)系，而不必計算對數(shù)平均溫差。 在假設(shè)流體流量、比熱和給熱系數(shù)一定，只有顯熱變化，無冷損的情況下，有如下方程式：,流體水當(dāng)量C用右式計算：,顯見，小的流體水當(dāng)量對應(yīng)于大的溫度降：,式中： -傳熱單元數(shù)（無因次）； -最小流體水當(dāng)量， 即冷、熱流體水當(dāng)量，中較

22、小的一個，W/K -某一流體的最大溫度降，K -對數(shù)平均溫差，K,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(nèi)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。,當(dāng) 時：,當(dāng) 時：,求得 和 后，根據(jù)流體流動形式查表得 ，然后可求得所需傳熱面積 ，完成設(shè)計計算；利用換熱效率公式用來驗算冷熱流體出口溫度。,3 通道設(shè)計,通道設(shè)計是板翅式換熱器設(shè)計的關(guān)鍵問

23、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(biāo)。,通道排列的設(shè)計原則：1）盡可能做到局部熱負(fù)荷平衡，以減少過剩熱負(fù)荷與傳導(dǎo)距離。2）通道分配應(yīng)使各個通道的計算長度基本相近。3）應(yīng)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(shù)應(yīng)相等，排列應(yīng)比鄰。5）通道排列原則上應(yīng)對稱，便于制造裝配。,3 板翅式換熱器設(shè)計步驟,設(shè)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(shù)，并確定通道排列，

24、最終確定傳熱系數(shù)和傳熱面積，使其與各股流體的給熱系數(shù)和傳熱面積相適應(yīng)。,設(shè)計步驟：1）選擇翅片型式和確定翅片幾何參數(shù)。2）確定流路型式，根據(jù)具體情況，選擇逆流、并流或錯流等流路。3）求出對數(shù)平均溫差；比熱變化大時，求積分平均溫差。,4）確定通道數(shù)，根據(jù)傳熱系數(shù)和流體阻力等要求確定流體重量流速，然后確定通道數(shù)和換熱器的有效寬度。5）根據(jù)通道布置原則，確定通道排列。6）進(jìn)行傳熱計算，確定換熱器的有效長度。 (A)計算準(zhǔn)數(shù)R

25、e、St及Pr，并查圖得j和f因子； (B)計算給熱系數(shù) ； (C)計算翅片效率 和表面效率 ； (D)計算傳熱系數(shù)K； (E)計算傳熱面積 ；7）計算壓力損失。,§ 3-4 板翅式換熱器的流動阻力計算,,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(jìn)口處阻力 、芯體部

26、分阻力 和芯體出口處阻力 的代數(shù)和，即：,,,,,1 芯體進(jìn)口處和出口處阻力 和,在芯體入口和出口處，流體要發(fā)生收縮和擴(kuò)大。,入口（急劇收縮部）阻力 為：,出口（急劇擴(kuò)大部 ）阻力 為：,式中：G-流體的質(zhì)量流速，kg/m2?s 、 -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(shù)，n為總的通道數(shù)。,、 分別為收縮和擴(kuò)大系數(shù)，與

27、 和Re有關(guān)，可查表求出。,2 流體在芯體中的流動阻力,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(dāng)作具有當(dāng)量直徑的等效圓管來考慮，板內(nèi)的阻力可以表示為：,式中： -流體的平均比容，m3/kg,3 換熱器總的流動阻力,換熱器總的流動阻力為：,一般情況下，由于流體在進(jìn)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

28、計算流體在芯體內(nèi)的流動阻力，忽略進(jìn)出口處的局部阻力損失。芯體內(nèi)的流體流動阻力可以簡單地根據(jù)下式計算：,式中： -芯體的有效長度，m。,§ 3-5 板翅式換熱器的強(qiáng)度計算,,一般來說，板翅式換熱器在低壓（0.3～0.7MPa）條件下工作時，芯體的設(shè)計和封頭的布置，主要決定于換熱器的性能和安裝要求，機(jī)械強(qiáng)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(jī)械強(qiáng)度的問題，主要的兩個零件是翅片和封頭，因為這

29、兩個零件承受內(nèi)壓，并且在安裝接管時會引起附加載荷。 根據(jù)“ASME”中的“檢查和檢驗”部分的規(guī)定，即當(dāng)無恰當(dāng)?shù)膹?qiáng)度計算公式時，可用下述方法中的任何一個進(jìn)行強(qiáng)度驗算。,對應(yīng)試驗的部件施以5倍于設(shè)計壓力的壓力進(jìn)行強(qiáng)度試驗，而結(jié)果不破壞者為強(qiáng)度驗算合格。 當(dāng)材料的最小屈服強(qiáng)度和最小抗拉強(qiáng)度之比小于0.626時，可按下述方法進(jìn)行強(qiáng)度計算。,雖然板翅式換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能作精確的強(qiáng)度計算，但可以進(jìn)行以下近似計算，作為設(shè)計的依據(jù)和參考

30、。,1 翅片厚度,式中：t-翅片最小厚度，m [ ]-材料的許用應(yīng)力，MPa m-翅片間距，m p-設(shè)計壓力，MPa（表壓） -削弱系數(shù)，（無因次，對多孔翅片）,當(dāng)已知開孔的直徑和間距時：式中：T-多孔翅片孔間距，m d-多孔翅片孔徑距，m,當(dāng)已知開孔率時： 式中：R-多孔翅片的開孔率%,2 隔板厚度,式中：C-腐蝕余量，m，一般取0.2～0.5×10-3m ：,3 封條寬度,封條寬度一般不

31、計算。若必須計算時，在封條寬度比厚度小得多的情況下可近似采用下式：,式中： -封條最小寬度，m h-翅片高度，m,4 封頭壁厚,式中： -內(nèi)徑，m C-壁厚附加量，一般取×10-3m -焊縫系數(shù)，雙面對接焊，取 ，單面對接焊，取 。,,此計算公式針對半圓形封頭，矩形封頭可以參閱壓力容器封頭設(shè)計準(zhǔn)則。,§ 3-5 板翅式換熱器的制造工藝,,鋁制板翅式換熱器的

32、整個制造過程都要求有極高的技術(shù)水平，嚴(yán)格的質(zhì)量控制和檢測措施。 制造過程包括零件準(zhǔn)備、板束組裝、釬焊和封頭接管氬弧焊接等工序。 工藝過程如下圖所示。,,板翅式換熱器制造工藝流程,Truism (Man’s Viewpoint),To be happy with a man, you must understand him a lot and love him little.To be happy with a