板式换热器选型与计算方法.docx

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板式换热器选型与计算方法

板式换热器选型与计算方法

板式换热器的选型与计算方法

板式换热器的计算方法

　　板式换热器的计算是一个比较复杂的过程，目前比较流行的方法是对数平均温差法和NTU法。

在计算机没有普及的时候，各个厂家大多采用计算参数近似估算和流速-总传热系数曲线估算方法。

目前，越来越多的厂家采用计算机计算，这样，板式换热器的工艺计算变得快捷、方便、准确。

以下简要说明无相变时板式换热器的一般计算方法，该方法是以传热和压降准则关联式为基础的设计计算方法。

以下五个参数在板式换热器的选型计算中是必须的：

总传热量（单位:

kW）.

一次侧、二次侧的进出口温度

一次侧、二次侧的允许压力降

最高工作温度

最大工作压力

如果已知传热介质的流量，比热容以及进出口的温度差，总传热量即可计算得出。

温度

T1=热侧进口温度

T2=热侧出口温度

t1=冷侧进口温度

t2=冷侧出口温度

热负荷

　　热流量衡算式反映两流体在换热过程中温度变化的相互关系，在换热器保温良好，无热损失的情况下，对于稳态传热过程，其热流量衡算关系为：

　（热流体放出的热流量）=（冷流体吸收的热流量）

　　在进行热衡算时，对有、无相变化的传热过程其表达式又有所区别。

（1）无相变化传热过程

　　式中

　　　Q----冷流体吸收或热流体放出的热流量，W；

　　　mh,mc-----热、冷流体的质量流量，kg/s；　

　　　Cph,Cpc------热、冷流体的比定压热容，kJ/（kg·K）；

　　　T1,t1------热、冷流体的进口温度，K；

　　　T2,t2------热、冷流体的出口温度，K。

（2）有相变化传热过程

　　两物流在换热过程中，其中一侧物流发生相变化，如蒸汽冷凝或液体沸腾，其热流量衡算式为：

　　　一侧有相变化

　　　两侧物流均发生相变化，如一侧冷凝另一侧沸腾的传热过程

　　式中

　　　　r,r1,r2--------物流相变热，J/kg；

　　　　D,D1,D2--------相变物流量，kg/s。

　　对于过冷或过热物流发生相变时的热流量衡算，则应按以上方法分段进行加和计算。

对数平均温差（LMTD）

　　对数平均温差是换热器传热的动力，对数平均温差的大小直接关系到换热器传热难易程度.在某些特殊情况下无法计算对数平均温差,此时用算术平均温差代替对数平均温差，介质在逆流情况和在并流情况下的对数平均温差的计算方式是不同的。

在一些特殊情况下，用算术平均温差代替对数平均温差。

逆流时：

并流时：

热长（F）

热长和一侧的温度差和对数平均温差相关联。

F=dt/LMTD

以下四个介质的物理性质影响的传热

密度、粘度、比热容、导热系数

总传热系数

总传热系数是用来衡量换热器传热阻力的一个参数。

传热阻力主要是由传热板片材料和厚度、污垢和流体本身等因素构成。

单位：

W/m2℃orkcal/h,m2℃.

压力降

压力降直接影响到板式换热器的大小，如果有较大的允许压力降，则可能减少换热器的成本，但会损失泵的功率，增加运行费用。

一般情况下，在水水换热情况下，允许压力降一般在20-100KPa是可以解接受的。

污垢系数

和管壳式换热器相比，板式换热器中水的流动是处于高湍流状态，同一种介质的相对于板式换热器的污垢系数要小的多。

在无法确定水的污垢系数的情况下，在计算时可以保留10%的富裕量。

计算方法

热负荷可以用下式表示：

Q=m·cp·dt

Q=k·A·LMTD

Q=热负荷（kW）

m=质量流速（kg/s）

cp=比热（kJ/kg℃）

dt=介质的进出口温度差（℃）

k=总传热系数（W/m2℃）

A=传热面积（m2）

LMTD=对数平均温差

总的传热系数用下式计算：

其中：

k=总传热系数（W/m2℃）

α1=一次测的换热系数（W/m2℃）

α2=一次测的换热系数（W/m2℃）

δ=传热板片的厚度（m）

λ=板片的导热系数（W/m℃）

R1、R2分别是两侧的污垢系数（m2℃/W）

α1、α2可以用努赛尔准则式求得。

板式换热器原理与技术维护

板式换热器系列产品

　　一、概述

　　板式换热器设备是加热、冷却领域中最新型的设备之一，具有结构紧凑、占地面积小、传热效率高、操作维修方便等优点，并具有处理小温差的能力。

板式换热器作为一种高效节能产品，已广泛应用于矿山、冶金、石油、化工、机械、电力、医药、食品、轻纺、造纸、船舶、海洋开发等各个工业领域、近年来在集中供热和热电联产行业中的推广尤为迅速。

　　我厂生产的BR、BRB、BZL系列板式换热器，以质优价廉、畅销全国各地，深受各行业用户的赞誉。

此系列板式换热器适用于各种介质和物料的冷却、加热、蒸发、冷凝、消毒和余热回收等工艺过程。

　　主要技术性能参数如下：

　　1、单板换热面积：

0.05㎡-2.0㎡

　　2、装机面积：

0.5㎡-700㎡，（在此范围可实现任意规格）。

　　3、传热系数：

2500-6000W/㎡.℃（2150-5160KCal/㎡.h.℃）

　　4、工作压力：

0.6-1.6Mpa

　　5、工作温度：

最高280℃

　　6、单台最大处理量：

1200m3/h

　　二、板式换热器的特点：

　　1、传热系数较高

　　板片选用导热系数较高的材料，如：

不锈耐酸钢、工业纯钛、碳素钢、换热器专用铜材等。

经冷冲压形成不同波纹形状结构，板片波纹能使流体在较小的流速下产生湍流。

所以板式换热器具有较高的传热系数。

在相同的情况下，其传热系数比一般钢制管壳式换热器高3-5倍。

换热面积紧为管壳式换热面积的1/3-1/4。

　　2、结构紧凑

　　由于传热板片紧密排列，板间距较小，而板片表面经冲压成形的波纹又大大增加了有效换热面积，故单位容积中容纳的换热面积很大，占地面积明显少于同样换热面积的管壳式换热器，同时相对金属消耗小，重量轻，一般无需特殊的地基，而且现场装拆时不用占额外的空间。

　　3、可靠耐用

　　我厂生产板式换热器密封垫利用双密封结构原理，增加了胶垫与板片的内磨擦力，使胶垫的滑移量大大减小；同时采用了较好的蜂窝状周边刚性结构，把胶垫紧紧锁在里侧，使得换热器整体密封性能大大提高。

　　4、清洁方便

　　由压紧螺栓紧密组装的板片，将压紧螺栓卸掉后，即可松开板片，或卸下板片进行机械清洗或手工清洗，这对需要经常进行清洗的换热设备十分方便。

　　5、多种介质换热

　　如果板式换热器有中间隔板，则一台设备可进行三种或三种以上（多个中间隔板）介质的换热。

在乳品加工中常采用多介质换热的板式换热器。

管壳式换热器就无法实现在一台设备中进行多种介质的换热。

　　6、很容易改变换热面积或流程组合

　　只要增加（或减少）几张板片，即可达到需要增加（或减少）的换热面积。

改变板片的排列，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。

可大大降低工程的总投资费用，更加显示出板式换热器的经济实用。

　　三、板式换热器结构 

　　板式换热器的重要部件及其功能

序号

部件名称

功能及作用

1

前支柱

支承换热器重量，使整台换热器成为一体。

2

活动压紧板

与固定压紧板配对使用，可在上导杆上滑动，以便拆装检查维修。

3

上下导杆

承受板片的重量，并保证安装时使板片在其间滑动，导杆通常比换热板组长，以便松开压紧螺栓滑动各板检查。

4

密封垫片

防止流体混合或泄漏，并使之在不同板片间分配。

5

换热板片

提供介质流道及换热面积。

6

固定压紧板

不与流体接触，用夹紧螺栓紧固后压紧垫片，保证密封。

7

压紧螺栓及螺母

压紧板片组，使换热器整体化并保证密封。

　　四、常用板式换热器型号表示方法

　　1、板式换热器表示方法

　　2、板式换热器框架形式

序号

框架形式

代号

１

双支撑框架式

I

２

带中间隔板双支撑框架式

II

３

带中间隔板三支撑框架式

III

４

悬臂式

IV

５

顶杆式

V

６

带中间隔板顶杆式

VI

７

活动压紧板落地式（普通式）

VII

　　3、板式换热器垫片形式

丁腈橡胶

三元乙丙橡胶

氟橡胶

氯丁橡胶

硅橡胶

石棉纤维板

Ｎ

Ｅ

Ｆ

Ｃ

Ｑ

Ａ

　　注：

食品、医药用垫片材料的代号，在相应垫片代号后面加S。

　　4、表示方法示例

　　BR0.3-1.6-15-N-I或BR0.3-1.6-15-N波纹形式为人字形，单板公称换热面积为0.3㎡，设计压力为1.6Mpa，换热面积为15㎡，用丁腈垫片密封的双支撑框架结构的板式换热器。

　　五、传热板片及密封垫片

　　目前我厂的板式换热器所使用的传热板片及密封垫片材料如下：

　　传热板片材料及板厚

材料名称

材料牌号

适用场合

板厚（mm）

耐酸耐热不锈钢

SUS304.SUS321

适用于酸、碱介质腐蚀较严重场合。

0.6～0.8

SUS316、SUS316L

适用于氯离子含量＜25PPM

工业纯钛

TAL

制碱、制盐、海水、低温冷冻

适用于氯离子含量＞60PPM

换热器专用铜材

H68、HSn62-1

海水、低温冷冻场合。

各种垫片材料

密封垫片名称

耐蚀性能及适用场合

使用温度

丁腈胶垫

耐油、适用于一般工况场合

-20-120℃

氯丁胶垫

耐油、适用于一般工况场合

-20-150℃

三元乙丙胶垫

耐酸、耐碱、耐盐、氯化物及有机溶剂等严重腐蚀的场合

-20-150℃（普通）

-20-180℃（高温）

食品胶垫

适用于各种食品介质场合

-20-150℃

氟胶垫

耐高温、耐酸碱、油类、试剂等场合

0-180℃

硅胶垫

适用于高温场合

-65-230℃

　　　六、流程与接管方位

　　板式换热器的流程是一定数量的板片按一定方法组成的。

如图所示，组装时A板和B板交替颠倒排列，A、B板间形成网状通道，冷热介质由于密封垫片的作用分别流入各自的通道内形成间隔流动，从而使冷热介质通过传热板片进行热交换。

　　图2　板式换热器的流程组合形式很多，都是采用不同的换向板片和不同的组装方法来实现的，流程组合形式可分为单流程，多流程和混合流程，如图3所示，要根据工艺条件来选择换热器的流程组合。

　　流程组合标记示例：

热介质是2程，每个流程内并联8个流道

　　图3　板式换热器的流程组合形式不同，其接管方位也多种多样。

各种接管形式对应的热、冷介质流程数如表一。

表一

接管形式

热介质流程数

冷介质流程数

I

1

1

II

1

2

III

1

3或1

IV

2

1

V

2或4

2或4

VI

2

3或1

VII

3或1

1

VIII

3

2

IX

3

3

　　　各种接管形式的接管位置见图4，图中RJ：

热介质进出口；RC:

热介质出口；LJ：

冷介质进口；LC：

冷介质出口。

　　七、安装要求

　　1、按随机设备总图预埋地脚螺栓。

　　2、将设备对准地脚螺栓停放平稳。

　　3、拧紧地脚螺栓，使设备水平（通过减震垫或垫铁的方式）。

　　4、设有夹紧的设备按夹紧程序夹紧；清除法兰端面及管口内的杂物，按法兰端面配做密封垫片

　　5、当运用汽-液热交换时，汽体的入口应在上面。

　　6、按管、夹紧连接法兰；其它按工程设计图纸和使用条件配备所需的输入泵、液压阀、限流阀、压力表及自控阀门等。

　　八、设备操作及故障处理

（一）开机

　　1、设备运行前，应检查各夹紧螺栓有无松动，如有松动应均匀拧紧，拧紧时应保证两压紧板平行

　　2、打开设备接管处的各介质出口阀门；在流量、压力均低于正常操作的状态下，缓缓打开冷侧的进口阀；观察设备之异常时调整各进出口阀门，使流量、压力均满足工艺要求达到正常工作状态。

　　3、换热器运行时，为防止一侧超压，进换热器冷热介质的进口阀应同时打开，或者是先缓缓的注入低压侧流体，然后再缓缓的注入高压液体。

　　4、用于食品行业的设备使用前应将换热器进行严格清洗消毒。

清洗时蒸汽消毒可用热水进行，以便清除设备中油污和杂物。

　　5、在管路系统中应设有放气阀，开车后应排出设备中的空气，防止空气停留在设备中，降低传热效果。

　　6、冷热介质如含有大颗粒泥砂或其它杂物应先进行过滤，禁止用污水进行水压试验和运转使用，以防影响寿命。

（二）停机

　　降低冷、热流体的进口压力；先关闭各进口阀；再关闭出口阀。

　　（三）故障处理

　　设备经长期运行一旦发生故障，原因有以下几种情况：

（1）压降逐渐增大：

造成此原因为介质不洁净或颗粒杂物太多，使板片结垢或流道堵塞。

（2）介质混合：

现象一、二次侧压力同步增加或减少，造成此原因为板片已被腐蚀穿孔。

（3）泄漏：

造成此原因多为密封垫片老化或者密封垫片材质选用不适，也可能是各夹紧螺杆的螺母松脱。

凡出现上述各种现象，设备应停止运行，待设备降至室温后再行检查；如属情况

（1）时，可松开螺母取下夹紧螺杆并将活动板体移至支柱端，取下板片用清水或肥皂水冲洗，如有固着物可用毛刷或纤维刷除去，严禁用金属刷子（设备无故障、长期运行的设备可按此方法进行清洗）、如属情况

（2）时，可透光检查板片或重新单侧交替打压查找裂纹板片予以更换；如情况（3）时，先检查夹紧螺杆的螺母是否松动及夹紧尺寸是否与设备安装图相符，如螺母松动一般夹紧尺寸偏大，可重新拧紧螺母是否松动及夹紧尺寸与图纸相符；若仍然泄漏则需打开设备检查密封垫片，若密封垫片从垫片槽中脱出，要重新粘贴，损坏的进行更换，多数密封垫片一起损坏时，要注意重新选择合适材料的密封垫片。

　　（四）保养

　　①冬季停止运行的换热器应及时放掉设备内的介质或采取其它的防冻措施，避免冻坏设备。

　　②设备若长期不使用时，应将拧紧螺栓放松到规定尺寸，以确保垫片及换热器板片的使用寿命，使用时再按要求夹紧。

　　③设备经常运行时，在信号孔发现介质流出，应进行分析，如是螺栓松动或由于长期热交换而伸长，按要求重新夹紧，但不得过紧以免压坏板片，如是密封垫片老化应予更换。

　　九、密封垫片的更换

　　1、取下板片拆下密封垫片用汽油将垫片槽内的残胶浸泡1小时后，擦净残胶；

　　2、除去新密封垫片上的脏物；

　　3、用毛刷将粘结剂（401或其它）均匀地涂于板片的垫片槽内（不宜过多），按所需的A板或B板的数量帖上密封垫片，水平叠放平整并在上面压适当的重物，尽量放置于干燥处，经2-6小时即可干固重新装配。

　　十、设备的水压试验

　　1、当设备经过重新装配后，在使用之前进行液压试验，过程如下：

　　2、检查设备的夹紧尺寸是否符合图纸要求；

　　3、充水或其它流体并排出空气；

　　4、装盲板；

　　5、接通试压泵或其它手动试压装置；

　　6、按设计压力的1.25倍单侧交替打压保压30min无泄漏为合格。

但特别注意的是：

打压时压力应缓慢均匀地上升到要求的指标。

　　十一、板式换热器的夹紧程序（见右图） 

　　按设计的流程图进行组装，并按规定顺序进行夹紧。

夹紧时应先拧紧1、2、3、4号螺母。

特别注意的是：

在拧紧过程中两板体（活动板和固定板）之间任意位置的水平夹紧状态下的距离偏差不大于5mm;当夹紧至夹紧尺寸时，应认真检查两板体上、下、左、右的距离偏差不大于1mm。

当设备充满液体（或气体）并带有压力时，不允许夹紧。

　　夹紧顺序图

　　十二、常见故障分析与排除见表2。

表二

故障现象

找出故障

原因分析

排除方法

渗漏：

板片与框架之间或框架外部

接合部位渗漏：

松开接合部位，从外部检查，如查不出故障，请拆开换热器，寻找故障至接合部位1.2.3.4或至端片孔

1.接合部位有缝隙（腐蚀）。

2.接合部位密封垫错位。

3.管受力使接合部位扭曲。

4.端片密封垫损坏或腐蚀。

5.端片有洞（腐蚀）。

1.换接合件

2.固定好密封环

3.托起管子

4.换密封垫

5.换端片

渗漏：

板片渗漏

标出两板片间渗漏区，拆开换热器确定渗漏部位（通过斑渍）密封垫无损坏而逐渐松动，见“原因分析”1-3条，密封垫无错位情况下，见“原因分析”3-7条可能会引起渗漏，如通知我厂，请标出具体位置。

1.片组夹紧过头，造成密封槽损坏。

2.密封垫错位。

3.片组夹紧过头，支撑梁凹陷，板片扭曲。

4.没完全夹紧。

5.板片放置颠倒。

6.垫槽孔即双层密封区腐蚀。

7.密封垫有裂纹或磨损、老化、腐蚀。

1.换单片与多片

2.重新粘合密封垫

3.换板片

4.重新夹紧

5.板片换向

6.换密封垫

内漏：

介质之间

内漏：

指换热设备内的两种介质由于某种原因造成高压侧介质向低压侧渗漏。

监视渗漏的方法是要经常对低压侧的介质进行化验，从其成分的变化来判断。

停机检查方法：

1.拆开框架，擦清板片，观察检查漏片（可用透光、着色、目侧等办法）

2.如查不出，可擦干净后重组，单侧打压，折开框架，凡不应有水的板侧有水则可制定这对板片有裂纹。

换单片或多片

清洗单片或多片

并更换密封垫

换热效率低：

即低流速压降高

设法确定迹象如下：

1.压降问题（注意低流速，压降高引起）

2.换热效率问题：

即正常流速效率

1.压降问题：

1.内部阻塞。

2.流槽阻塞。

3.板片错误放置即颠倒板片排列发生变化。

4.介质粘性较强循环（流动）较慢。

5.蒸气凝结时，压降高受存在的非凝聚气体影响。

1.拆开换顺清洗内部

2.拆开接合部位、清洗出口

3.重新排列板片

4.重新选型或调整工况条件

5.排除非凝聚气体

2.换热效率问题：

测量进、出口温度和流速，每次测量间隔10分钟、测量6次，按顺序变换每一测量的测量点。

1.板片结垢。

2.板片错误放置造成旁流。

3.实际数据与标定数据不同。

4.流速与标定值有出入。

5.凝聚时故障可能由下列原因引起：

①非凝结气体。

②蒸气干度太低。

③冷凝汽排放阀或气泵过小。

④蒸汽控制阀故障。

6.换热器内有气体。

7.系统设计的问题。

1，2拆开换热器并进行清洗板片换向，变换板片排列

3，4改变流速或要求

5，6排除气体更换凝汽排放阀或气泵更换蒸汽控制阀

7.修改系统