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　　1、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 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 绪论 1 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**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**套板翅式空分设双面对接焊，取 ，单 面对接焊，取 。

　　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 板翅式换热器 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.

　　2、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 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**控制介质温度。

　　v 结构紧凑 传热面积密度可高达 m2/m3，一般为管 壳式换热器的 6-10倍，*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(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** 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 翅片厚度 式中：t-翅片*小厚度，m -材料的许用应力，MPa m-翅片间距，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%2 隔板厚度 式中：C-腐蚀余量，m，一般取 0.2 0.510-3m：3 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：式中：-封条*小宽度，m h-翅片高度，m 4 封头壁厚 式中：-内径，m C-壁厚附加量，一般取 10-3m-焊缝系数，

　　3、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）*外侧可布置空流道（绝热流道），从而*大 限度地减少整个换热器与周围环境的热交换。

　　2 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 板翅式换热器应用 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 在天然气的液或 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*小屈服强度和*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 0.9 0.8 0.6 双面焊 1.0 0.85 0.7 设计压力 常用压力 1.1 和*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。

　　4、化、分离装置，及合成氨工 业中逐步获得应用；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 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 3-196-162 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 7 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 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：式中：-流体的平均比容，m3/kg 3 换热器总的流动阻力 换热器总的流动阻力为：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：式中：-芯体的有效长度，m。

　　3-5 板翅式换热器 的强度计算 一般来说，板翅式换热器在低压（0.3 0.7MPa）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 。

　　5、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 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。

　　热交换由芯体完成，因此*关键的部件是芯体。

　　芯体由翅片、隔板、封条和导流片组成。

　　1 基本结构 板翅式换热器结构图 2 翅片作用及类型 翅片是板翅式换热器*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 因此板翅式换热面积 ；7）计算压力损失。

　　3-4 板翅式换热器 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 芯体进口处和出口处阻力 和 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：出口（急剧扩大部）阻力 为：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。

　　、分别为收缩和扩大系数，与 和 Re有关，可查 表求出。

　　2 流体在芯体中的流动阻力 该项阻力主要是由换热面的。

　　6、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 钎焊式对称，便于制造装配。

　　3 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，*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。

　　7、 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 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 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-，m 3-3 板翅式换热器的设计较小的一个，W/K-某**体的*大温度降，K-对数平均温差，K 再引入一个无因次量，即 换热器效率，用 表 示，其值为换热器内所利用的热量与给定初始温度 下能从热流体中获得的*大热量的比。

　　当 时：当 时：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。

　　3 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。

　　8、计算(1)当量直径 (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 ,m2(3)通道横截面积 A n层通道的一次传热面积 ,m2 n层通道的二次传热面积 ,m2 n层通道的总传热面积 ,m2 2 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：通过一次传热面的热量 -壁面与流体间的给热系数，W/m2 K F1-次传热面积，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*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：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：式中：为按逆流方式计算得到的对数平均温差；为修正系数。

　　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，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：流体水当量 C用 右式计算：显见，小的流体水当量对应于大的温度降：式中：-传热单元数（无因次）；-*小流体水当量，即冷、热流体水当量，中。

　　9、翅片效率：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。

　　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：同时这段翅片与流体之间通过 对流传热 得到的 热量为：在假设传热过程稳定的前提下，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：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：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：其中：式中：b-翅片的定性尺寸，m-流体给热系数，W/m2 K r-污垢系数，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：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：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差 计算公式：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。

　　10、m2 K/W 翅片的定性尺寸是指 二次表面热传导的*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。

　　冷热通 道间隔 两个热通道之间 隔两个冷通道 两个热通道 之间隔三个 冷通道 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：可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：又因：因此：所以：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。

　　(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：冷流体的传热方程式为：在稳定传热情况下，将上两式相加得：所以：同理得：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 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：式中：-冷流体的污垢热阻，m2K/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(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*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 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。

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