板式换热器热力计算及分析整合Word文档下载推荐.docx
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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。
1.1.3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RichardSeligman博士于1923年就成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Goodmaife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260C、最大使用压力为2.0MPa最大的单台换热面积为1600m2APV公司换热器产品情况如表1-1:
表1-1APV公司主要的板式换热器
板式换热器
最高工作
压力(MPa)
单板换热
面积(m2)
半片外型尺
寸长X宽
(mmXmm)
单台最多
长管尺寸
(mr)
型
号
板片
数
SR1
1.03
0.0258
570X210
150
38
HMB
0.69
0.34
1114X318
187
51
SR35
1.55
1152X392
414
75
R40
1.37
0.38
1150X445
409
102,127,152
R55
2.06
0.52
1156X416
362
102
R56
0.93
350
R106
1.078
1984X712
427
300
R235
0.83
2.2
2739X1107
729
400
型号
2
面积(m)
板片数
(表1-1续)
(2):
ALFA-LAVAL公司。
ALFA-LAVAI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250E;
最大单台流量3600mVh;
总传热系数3500~7500W/(m)K);
每台换热面积0.1~2200韦;
最大接管尺寸450mm
(3):
GEAAHLBOR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。
GEAAHLBOR的板式换
热器技术特性如表1-2:
表1-2GEAAHLBORN公司主要板式换热器技术特性
型号
板片
最咼工作
压力
(MPa)
温度
(C)
最大流
量
3
(m/h)
波纹型式
外形尺寸长x宽
(mm)
单板换
热面积
(吊)
Free-Flow
157
一列弧形
670X250
0.0915
一
5
159
二列弧形
1065X330
0.292
15
161
三列弧形
0.54
30
Varitherm
4P
纵人字形
510X128
0.00112
2.5
260
10
781X213
0.115
1.6
250
35
20
纵/横人字形
992X336
0.26
100
40
1392X424
0.46
220
402
654X424
0.148
405
1091X424
0.80
80
1754X610
0.81
500
805
1194X610
0.40
130
2195X810
1.28
1500
1306
1635X810
1309
2008X810
1.41
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:
表1-3HISAKA公司板式换热器技术特性
单位换热
面积
(m2)
处理量
3(m/h)
最大单台
换热面积
备注
水平平直
波纹板片
EX-1
0.157
23
0.4
200
EX-15
0.314
140
1.2
60
EX-16
0.55
240
EX-11
0.71
460
EX-12
0.8
883
1.0
人字形波
纹板片
UX-01
0.087
36
1.5~2.0
UX-20
0.375
H.L
UX-40
0.76
540
1.5~1.8
UX-60
1.16
900
1~1.3
UX-80
1.70
1520
800
H.L-为有两种不同人字角的板片。
(六):
OMEXEL欧梅塞尔)公司。
OMEXEL公司提供的板式换热器包含拼装式、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
IS09001/14001/18000
OMEXEL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):
表1-4板片材质
不锈钢AISI304/316/316L
净水、河川水、食用油、矿物质
SM0254
稀硫酸、无机水溶液
钛及钛钯
海水、盐水、盐化
镍
咼温、咼浓度苛性钠
哈氏合金
浓硫酸、盐酸、磷酸
钼
石墨
盐酸、中浓度硫酸、磷酸、氟酸
表1-5垫片材质
丁腈橡胶
水、海水、矿物质、盐水
110-140C
三元乙丙胶
热水、蒸汽、酸、碱
150-170C
氟橡胶
高温水、酸、碱、有机溶剂
180C
氯丁橡胶
酸、碱、矿物质、润滑油
130C
硅橡胶
食品、油、脂肪、酒精
180-220C
石棉
260C
表1-6框架材质
标准
碳钢
特殊
包不锈钢/全不锈钢
表1-7接口材质
SS不锈钢村套
定情橡胶三元乙丙胶哈氏合金钛及其他合金
藉由各国公司的发展情况不难发现,板式换热器的整个发展,其最终目的都是围绕着如何提高热交换效率。
早期的发展由于技术限制,主要发展的就是结构、板型,通过优化、热力计算及分析,这些优化的方法都是可行的。
进入现代以后,板式换热器的发展着重于材料的选择以及结构上的细节优化。
1.2板式换热器基本构造
1.2.1整体结构
板式换热器的结构相对于板翅式换热器、壳管式换热器和列管式换热器比较简单,它是由板片、密封垫片、固定压紧板、活动压紧板、压紧螺柱和螺母、上下导杆、前支柱等零部件所组成,如图1-1所示:
图1-1板式换热器结构示意图
RullciAKHiitily
PfatePack
前支杆
上导杆CdiTyiM]t$ar
Movablenaves-活功压寒板
HxbcIco^er
固定压蹶扳
GUdEBn导杆
Frametoot
板或按蛊器證力计第及強祈()
板片为传热元件,垫片为密封元件,垫片粘贴在板片的垫片槽内。
粘贴好垫片的板片,按一定的顺序(如图1-1所示,冷暖板片交叉放置)置于固定压紧板和活动压紧板之间,用压紧螺柱将固定压紧板、板片、活动压紧板夹紧。
压紧板、导杆、压紧装置、前支柱统称为板式换热器的框架。
按一定规律排列的所有板片,称为板束。
在压紧后,相邻板片的触点互相接触,使板片间保持一定的间隙,形成流体的通道。
换热介质从固定压紧板、活动压紧板上的接管中出入,并相间地进入板片之间的流体通道,进行热交换。
图1-1所示板式换热器为可拆式板式换热器,其原理就是在上导杆处安装了活动滑轮、顶压装置,在增减板片的时候,可以通过该滑轮调节换热器内可安装板片数量,顶压装置加固整体结构牢固性;
而对于一些小型的板式换热器,则没有该装置,而是直接地将固定压紧板和活动压紧板通过导杆固定连接起来,这种
结构没有清洗空间,清洗、检查时,板片不能挂在导杆上,虽然这样的结构轻便简易,但对大型的、需经常清洗的板式换热器不太适用。
对于要进行两种以上介质换热的板式换热器,则需要设置中间隔板。
在乳品加工的巴氏灭菌器中,为了增加在灭菌温度下乳品的停留时间,通常
需要在灭菌器的特定位置上安装延迟板。
为了节约占地面积,APV公司和ALFA-LAVA公司开发应用了一种双框架结构,该结构有两种形式,第一种是公用一个检修空间,左右各设一个固定压紧板,中间设两个活动压紧板;
第二种是共用中间的固定压紧板,左、右各设一个活动压紧板。
双框架的结构,可视为两台板式换热器装在一起。
1.2.2流程组合方式
为了使流体在板束之间按一定的要求流动,所有板片的四角均按要求冲孔,垫片按要求粘贴,然后有规律地排列起来,形成流体的通道,称为流程组合。
(图1-2[a]、[b]、[c]是典型的排列方式)流程组合的表示方式为:
式中:
M,
M2,-
…M
N
i,
•N
m
m,
…m
n
n2,-
…ni
从固定压紧板开始,甲流体侧流道数相等的流程数;
M,M,…M中的流道数;
从固定压紧板开始,乙流体侧流道数相等的流程数;
:
mi,m2,…m中的流道数。
图1-2典型的流程组合
板片是板式换热器的核心元件,冷、热流体的换热发生在板片上,所以它是传热元件,此外它又承受两侧的压力差。
从板式换热器出现以来,人们构思出各种形式的波纹板片,以求得换热效率高、流体阻力低、承压能力大的波纹板片。
(一)常用形式
板片按波纹的几何形状区分,有水平平直波纹、人字形波纹、斜波纹等波纹板片;
按流体在板间的流动形式区分,有管状流动、带状流动、网状流动的波纹板片。
(二)特种形式
为了适应各种工程的需要,在传统板式换热器的基础上相继发展了一些特殊的板片及特殊的板式换热器。
1便于装卸垫片的板片
2:
用于冷凝器的板片
3:
用于蒸发器的板片
4:
板管式板片
5:
双层板片
6:
石墨材料板片
7:
宽窄通道的板片
1.2.4密封垫片
板式换热器的密封垫片是一个关键的零件。
板式换热器的工作温度实质上就是垫片能承受的温度;
板式换热器的工作压力也相当程度上受垫片制约。
从板式
换热器结构分析,密封周边的长度(m)将是换热面积(m2)的6~8倍,超过了任何其它类型的换热器。
1.2.5焊接式板式换热器
(一)半焊式板式换热器
半焊式板式换热器的结构是每两张波纹板焊接在一起,然后将它们组合在一起,彼此之间用垫片进行密封。
焊接在一起的板间通道走压力较高的流体,用垫片密封的板间通道走压力较低的流体,所以这种板式换热器提高了其中一侧的工作压力。
(二)全焊接式板式换热器为了使板式换热器适用于高温、高压下工作,将板片互相焊接在一起,在六十年代就有此类产品。
ALFA-LAVAL公司生产的Lamalla板式换热器就是属于全焊接式板式换热器。
但是这种结构制造困难,板片破损后也无法修复。
1.2.6再生式冷却系统再生式冷却系统,就板式换热器本身而言,和普通的板式换热器没有差别,只是在管线上增加了换向阀,并进行自动控制,变换两流体的流向,使之反洗,以清除积存在板片上的杂质。
1.3板式换热器的优缺点及应用
1.3.1优缺点人们通过科学研究和生产实践,对板式换热器的特点有了深刻的了解,并总结出一系列优缺点,通常是和管壳式换热器加以比较,共归纳为以下几点:
(一)优点
传热系数高管壳式换热器的结构,从强度方面看是很好的,但从换热角度看并不理想,因为流体在壳程中流动时存在着折流板—壳体、折流板—换热管、管束—壳体之间的旁路。
通过这些旁路的流体,并没有充分地参与换热。
而板式换热器,不存在旁路,而板片的波纹能使流体在较小的流速下产生湍流。
所以板式换热器有较高的传热系数,一般情况下是管壳式换热器的3~5倍。
对数平均温差大在管壳式换热器中,两种流体分别在壳程和管程内流动,总体上是错流的流动方式。
如果进一步分析,壳程为混合流动,管程是多股流动,所以对数平均温差都应采用修正系数。
修正系数通常较小。
流体在板式换热器内的流动,总体上是并流或逆流的流动方式,其温差修正系数一般大于0.8,通常为0.95。
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管壳式换热器的2~5倍,也不像管壳式换热器那样需要预留抽出管束的检修场地,因此实现同样的换热任务时,板式换热器的占地面积约为管壳式换热器的1/5~1/10。
重量轻
板式换热器的板片厚度仅为0.6~0.8mm,管壳式换热器的换热管厚度为2.0~2.5mm;
管壳式换热器的壳体比板式换热器的框架重得多。
在完成同样的换热任务的情况下,板式换热器所需要的换热面积比管壳式换热器的小。
价格低在使用材料相同的前提下,因为框架所需要的材料较少,所以生产成本必然要比管壳式换热器低。
末端温差小管壳式换热器,在壳程中流动的流体和换热面交错并绕流,还存在旁流,而板式换热器的冷、热流体在板式换热器内的流动平行于换热面,且无旁流,这样使得板式换热器的末端温差很小,对于水一水换热可以低于1C,而管壳式换热
器大约为5C,这对于回收低温位的热能是很有利的。
7:
污垢系数低
板式换热器的污垢系数比管壳式换热器的污垢系数小得多,其原因是流体的剧烈湍流,杂质不宜沉积;
板间通道的流通死区小;
不锈钢制造的换热面光滑、且腐蚀附着物少,以及清洗容易。
8:
多种介质换热如果板式换热器安装有中间隔板,则一台设备可以进行三种或三种以上介质的换热。
9:
清洗方便
板式换热器的压紧板卸掉后,即可松开板束,卸下板片,进行机械清洗。
10:
容易改变换热面积或流程组合
只需要增加(或减少)板片,即可达到需要增加(或减少)的换热面积。
(二)缺点
工作压力在2.5MPa以下板式换热器是靠垫片进行密封的,密封的周边很长,而且角孔的两道密封处的支撑情况较差,垫片得不到足够的压紧力,所以目前板式换热器的最高工作压力仅为2.5MPa;
单板面积在1吊以上时,其工作压力往往低于2.5MPa
工作温度在250C以下板式换热器的工作温度决定于密封垫片能承受的温度。
用橡胶类弹性垫片时,最高工作温度在200C以下;
用压缩石棉绒垫片(Caf)时,最高工作温度为
250~260°
C。
不宜于进行易堵塞通道的介质的换热
板式换热器的板间通道很窄,一般为3~5mm当换热介质中含有较大的固体颗粒或纤维物质,就容易堵塞板间通道。
对这种换热场合,应考虑在入口安装过滤装置,或采用再生冷却系统。
1.3.2应用
板式换热器早期只应用于牛奶高温灭菌、果汁加工、啤酒酿造等轻工业部门。
随着制造技术的提高,出现了耐腐蚀的板片材料和耐温、耐腐蚀的垫片材料,板片也逐渐大型化。
现代的板式换热器广泛地应用于各种工业中,进行液—液、气—液、汽—液,换热和蒸发、冷凝等工艺过程。
诸如:
化学工业、食品工业、冶金工业、石油工业、电站、核电站、海洋石油平台、机械工业、污水处理、民用建筑工业等。
1.4产品质量及产生的问题
板式换热器的零部件品种少,标准化、通用化程度高,所以制造工艺很容易实现规范化。
国外大型的板式换热器制造厂都有自己的质量标准,但均不公开对外。
目前尚无板式换热器制造的国际标准或通用的先进标准。
这就给产品的质量控制带来了问题。
我国根据自己的生产、使用实践,并分析了国外产品的质量,制定了专业标
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