.摘要
此设计是在以安全为前提，在尽可能保证其质量、经济合理性和实用性等技术指标为前提下进行的设计。BR01型板式换热器是一种高效紧凑的换热设备，它被应用到食品工业、冶金工业、机电工业、造纸工业、石油工业等领域。而且其类型、结构和使用范围还在不断发展。焊接型板式换热器的紧凑性好，重量轻、传热性能好、初始成本低特点。
本文对板式换热器的发展及应用领域作了简要的介绍，通过应用板式换热器的传热机理。对板式换热器进行了热力计算和阻力计算，在满足了校核条件下，设计了板式换热器的基本结构如框架形式，板片结构及流程组合方式等结构参数。确定了板片数为149的并联式流程组合的板式换热器，用Auto CAD绘制零件图及总图。
关键字：板式换热器；结构设计；热力计算；校核；经济性分析
Abstract
The design is premise of security, in an mush an possible to ensure its quality, economically rational and practical technical indicators, such an under the premise of the design. Plate heat exchangers a compact and efficient heat transfer equipment, it is applied to the food industry, metallurgical industry, electromechanical industry, paper industry, oil industry and other fields. And its type, structure and scope are still evolving, Welded plate heat exchanger compactness has the features such as light weight, good heat transfer performance and low initial cost.
In this paper, by the using of plate heat exchanger heat transfer mechanism the development of plate heat exchanger and applications are briefly introduced.It carried out the plate heat exchanger thermal calculation and resistance calculations, and designed the basic structure of the plate heat exchanger such as the frameworks, structure and processes combinations to meet the verification condition.Finally it determined the parallel flow plate heat exchanger with 149 of the plates and combined with Auto CAD drawing parts diagram and assembly drawings.
Keywords:Plate heat exchanger; C onfiguration design; Thermodynamic calculation; Check;
目录
1. 绪论 (1)
1.1板式换热器的概述 (1)
1.2我国设计制造应用情况 (1)
1.3国外著名厂家及其产品 (3)
2. BR01型板式换热器的基本构造 (6)
2.1BR01型板式换热器的基本构造 (6)
2.2流程组合 (6)
2.3框架型式 (8)
2.4板片 (9)
2.4.1 常用形式 (9)
2.4.2混合 人字板及性能 (10)
2.4.3 特种形式 (12)
2.5密封圈 (12)
2.6压紧装置 (13)
3. 板式换热器的性能特点 (14)
3.1板式换热器的主要优点 (14)
3.2板式换热器的主要缺点 (16)
3.3板式换热器与管壳式换热器的比较 (16)
4. BR01型板式换热器的设计计算 (18)
4.1板式换热器的设计计算概述 (18)
4.2传热过程 (18)
4.2.1 对流换热 (18)
4.2.2 相变换热 (19)
4.2.3导热 (20)
4.3热力计算 (20)
4.3.1 一般设计要求 (20)
4.3.2 设计计算公式和曲线 (23)
4.3.3 确定总传热系数的途径 (29)
4.4换热器已知参数 (30)
4.4.1 计算综述表 (36)
5. 经济与技术分析 (41)
5.1技术经济分析的原则 (41)
5.2技术经济分析的标准 (41)
结论 (42)
致谢 (43)
参考文献 (44)
附录A (45)
附录B (46)
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1. 绪论
1.1 板式换热器的概况
目前板式换热器已经成为高效、紧凑的热交换设备，且大量地应用于工业中,其发展已有一百多年的历史[1]。
1878年德国人发明了第一个板片式换热器，现在通常都称作板式换热器，经过了50多年的发展，到20世纪30年代，出现了由薄金属板压制的板片组装而成的板热器，并将该换热器大量的应用于工业，显示出了优异的性能，从此就迅速地得到了广泛的推广应用，成为紧凑、高效的换热设备。
早期的板式换热器大都用于食品工业，如牛奶、蛋液、啤酒等的加工过程中。这是由于早期板片的单板面积较小，单台换热器的面积不大型化，所以只能用于处理物料流量较小的场合，随着单板面积的增大，单台换热器的面积也相应增大。现在各制造厂竞相增大单板面积和组成大型的板式换热器。
板式换热器发展趋势是：提高操作温度和操作压力，加大处理量，扩大使用范围，研制采用新的结构材料的制造工业，而研制新的垫片材料易提高其使用温度和使用压力，将是其中的重点。
虽然板式换热器有很多优点，而其现在发展很快，但它们在结构与制造上尚存在问题。相信随着科学技术的飞速发展，板式换热器会不断完善，应用也日趋广泛。
1.2 我国设计制造应用情况
我国板式换热器于六十年代开始研究制造。1965年，兰州石油化工机器厂
m的水平平直波纹板片的板根据一些资料设计、制造了单板换热器面积为0.522
式换热器，这是我国首家生产出的板式换热器，供造纸厂、维尼纶厂等使用。八十年代初期，该厂又引进了W.Schmidt公司的板式换热器制造技术，增加了板式换热器的品种[2]。
1967年，兰州石油机械研究所对板片的六种波纹型式作了对比试验，肯定了人字形波纹的优点，并于1971年制造了我国第一台人字形波纹板片（单板换
宁康康：BR01型板式换热器的设计
热面积为0.32
m）的板式换热器，这对于我国板式换热器采用波纹型式的决策起了重要的作用。1983年，兰州石油机械研究所组织了板式换热器技术交流会，对板片的制造材料、板片波纹型式、单片换热面积、板式换热器的应用等方面进行了讨论，促进了我国板式换热器的发展。国家石油钻采炼化设备质量监测中心还对板式换热器的性能进行了大量的测定。
清华大学于八十年代初期，对板热器的换热、流体阻力和优化等方面进行了理论研究，认为板热器的换热，以板间横向绕流作为换热物理模型，该校还对板式换热器热工性能评价指标及板式换热器计算机辅助设计进行了研究。近几十年来，他们还作了大量的国产板片的性能测定。
河北工学院就板式换热器的流体阻力问题研究，认为只有当板片两侧的压差相等或压差很小时，板片以自身的刚性使板间距保持在设计值上，否则板片会发生变形，致使板间距发生变化，出现受压通道和扩张通道。其次，他们把板式换热器的流体阻力分解为板间流道阻力和角孔道阻力（包括进、出口管）进行整理，得到一种新的流体阻力计算公式。
天津大学对板换器的两相流换热及其流体主力计算做了大量研究，得出考虑因素比较全面的换热计算公式。近年来，研制了非对称型的板式换热器，进行了国产板式换热器的性能测定及优化设计等工作。
华南理工、大连理工等高等院校和科研单位，也对板式换热器的换热、流体阻力理论或工程应用方面作了很多有益的工作。
进入二十一世纪以来，我过的板式换热器研究取得了较大的进步，在借鉴国外先进经验的同时，也逐渐形成了自己的一套设计开发模式，与世界领先技术的差距进一步缩小。我国板式换热器的制造厂家有四五十家、年产各种板式换热器数千台计，但是我国的板式换热器的应用远不及国外，这与人们对板式换热器的了解程度、使用习惯以及国内产品的水平有关。七十年代，板式换热器主要应用于食品、轻工、机械等部门；八十年代也是仅仅应用于民用建筑的集中供热；八十年代中期开始，在化工工艺流程中较苛刻的场合也出现了板式换热器的身影。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[3]。
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1.3 国外著名厂家及其产品
现在，世界上发达国家制造的板式换热器，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。
（1）英国APV 公司。APV 公司的Richard Seligman 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Goodman 提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波纹多属人字形波纹，最大单板换热面积为2.22m ，单台换热器最大流量为2500h m /3。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16002m 。APV 公司换热器产品情况如表1-1[4]：
表1-1 APV 公司生产的主要板式换热器 Tab.1-1 The main heat exchanger of APV company
板式换热器型 号 最高工作 压 力 (MPa ) 单板换热 面、 积 (2
m )
半片外型尺寸 长X 宽 (mm X mm ) 单台最多 板 片
数 长管尺寸
（mm ）
SR1
03.1 0258.0 570X210 150 38
HMB 0.69 34.0 1114X318 187 51 SR35 1.55
0.34 1152X392 414
75 R40 37.1 0.38
1150X445 409 102,127,152
R55 2.06
52.0 1156X416 362
102 R56 93.0 0.52
1156X416 350 102 R106
0.69
078.1 1984X712 427 300 R235
83.0
2.2
2739X1107
729
400
（2）ALFA-LAVAL 公司。ALFA-LAVAL 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
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60多年的历史。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C o 250；最大单台流量3600h m /3；总传热系数3500-75002/W m K ；每台换热面积0.1-22002m ；最大接管尺寸450mm 。
（3）GEA AHLBORN 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。GEA AHLBORN 的板式换热器技术特性如表1-2[4]：
表1-2 GEA AHLBORN 公司主要板式换热器技术特性
Tab.1-2 GEA AHLBORN, the main technical characteristics of plate heat exchanger
型号
板片
最高工
作压
力(MPa ) 最高工
作温
(C
) 最大流
量 (h
m /3) 波纹型式
外形尺寸长X 宽(mm) 单板换热面积)(2
m Free-Flow 157 一列弧形
670X250 0.0915 — — 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 15 10 纵人字形
781X213 0.115
1.6 250 35 20 纵/横人字形 992X336 0.26 1.6 250 100 40
纵/横人字形 1392X424 0.46
1.6 250 220 402 纵/横人字形 654X424 0.148
1.6 250 220 405 纵/横人字形 1091X424 0.80
1.6 250 220 80
纵/横人字形 1754X610 0.81
1.6 250 500 805 纵/横人字形 1194X610 0.40 1.6 250 500 130 纵/横人字形 2195X810 1.28 1.6 250 1500 1306 纵/横人字形 1635X810 0.81 1.6 250 1500 1309 纵/横人字形 2008X810 1.41
1.6
250
1500
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（4）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公司生产的板式换热器，一般工作压力为1.6MPa，最小的单板换热面积为0.0352
m、最大的单板换热面积为2
55
.1m[5]。
（5）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[5]：
表1-3 HISAKA公司板式换热器技术特性
Tab.1-3 The technical characteristics of HISAKA heat exchanger
型号单位换
热面
积(2
m)
处理量
(h
m/3
)
最高工作
压力
(MPa)
最高工作
温度
)
(C o
最大单
台换热
面积
(2
m)
水平平直波纹板片EX-1 0.157 23 0.4 200 15 EX-15 0.314 140 1.2 200 60 EX-16 0.55 240 1.2 200 150 EX-11 0.71 460 1.2 200 150 EX-12 0.8 883 1.0 200 260
人字形波纹板片UX-01 0.087 36 1.5～2.0 200 5 UX-20 0.375 140 1.5～2.0 200 100 UX-40 0.76 540 1.5～1.8 200 250 UX-60 1.16 900 1～1.3 200 500 UX-80 1.70 1520 1～1.3 200 800
宁康康：BR01型板式换热器的设计
2. BR01型板式换热器的基本构造
2.1 基本构造
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、活动压紧板、密封垫片、固定压紧板、压紧螺柱和螺母、上下导杆、前支柱等零部件所组成，板式换热器基本构造如图2-1所示[1]。
图2-1 BR01型板式换热器的基本构造
Fig.2-1 The basic structure of BR01 type plate heat exchanger
2.2 流程组合
流程组合是指为了使流体在板束之间按一定的要求流动，所有的板片四角均按要求冲孔，垫片均按要求粘贴，然后按规律的排列起来，形成的流体的通道。图2-2 [a]、[b]、[c]是典型的排列方式。从图可见，垫片不仅起到密封作用，还起到流体在板间流动的导向作用。板束中板片的数量和排列方式，由设计确定。流程组合就是板片数量和排列方式的有机组合，并以数学形式表示为[2]：
11221122···+M ···+i i
i i
M N M N N m n m n m n ?+?+??+?+? （2-1）
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式中：1M 、2M …i M —指从固定压紧板开始，甲流体侧流道数相等的流程数；
1N 、2N …i N —1M 、2M …i M 中的流道数；
1m 、 2m 、i m —指从固定压紧板开始，乙流体侧流道数相等的流程数；
1n 、2n 、i n — 1m 、 2m 、i m 中的流道数。
图2-2流程组合方式[2]
Fig.2-2 Process combination mode
由于单流程并联式流程的结构简单，所以本设计初选单流程并联式流程组合方式进行设计计算。
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2.3 框架型式
板式换热器的框架多种多样，如图2-3所示，其中尤以（a）、（b）、更为常用。应用于乳品等食品行业中的板式换热器，常有两种以上的介质换热，所以要设置中间隔板，中间隔板的数量视换热介质的数量而定，另外由于工作压力不高，又需经常拆卸清洗，所以常采用顶杆式[1]。
图2-3 框架主要形式及螺栓压紧式板式换热器结构
Fig.2-3 The main form of frame and bolt pressing type heat exchanger structure
（a）普通式；（b）悬挂式；（c）顶杆式；（d）带中间隔板式；（e）活动压紧板落地式；1-轴（上导梁）；2-活动压紧板；3-板片；4-垫片；5-挂钩；6-固定压紧板；7-下导梁
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2.4板片
板片是板式换热器的核心元件。各传热板片按一定的顺序相叠即形成板片间的流道，冷流体和热流体在板片的两侧各自的流道内流动，通过板片进行热交换，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[1]。
2.4.1 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；按流体在板之间的流动形式区分，有管状流动、带状流动、网状流动的波纹板片。常用板片如2-4所示：
图2-4 两种常用板片示图
Fig.2-4 Two kinds of commonly used plate diagrams
（a）人字波纹板；（b）水平平直波纹板
对于人字形波纹板片，人字角β的大小对传热和流体阻力影响甚大。人字角β大的板片传热系数高、流体阻力亦大;反之人字角β小的板片传热系数和流体阻力都低些，图2-5是人字角对传热影响的曲线示图。
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图2-5 人字角β对传热的影响
Fig.2-5 Effect of herringbone angle on heat transferρ
2.4.2 混合β人字板及性能
利用人字角β对传热的影响，很多制造厂将同一规格的板片做成大人字角和小人字角两种，如图2-6所示。国外把大人字角的板片称为H板片(硬板Hard plate)，小人字角的板片称为L板片(软板Soft plate)一台板式换热器可全部用H 板片组装或全部用L板片组装，也有有将H板片和L板片相间组装、分段组装，这样组装的板式换热器性能介于前两者之间，在某种意义上来说，相当于第三种性能的板片，称之为M板片，(混合β板片其实是图2-6和图2-7表示了组装情况及其相应的性能。在充分利用允许压降的情况下，这种称之为换热混合设计，其换热面积是可以减少25～30 %。
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图2-6大人字角板片（H板）和小人字角板片（L板）
以及三种组合的H、M、L流道示图
Fig.2-6 Adult word corner plate (H plate) and small word angle plate (L plate) As well as three kinds of H, M, L flow chart of the channel
图2-7 H、M、L流道性能示图[1]
Fig.2-7 H, M, L flow channel performance chart