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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，
2、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 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。 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。 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
3、管壳式换热器降低 80%)，故成本低。 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。 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， 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 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。 铝板翅式换热器的隔板和翅
4、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。 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
5、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
6、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 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； 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； 因此板翅式换热器具有结构紧凑、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
7、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 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
8、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
9、内距 x=s- ， m； y-翅片内高 y=h- ， m s B hy x Le 3-3 板翅式换热器的设计计算 (1)当量直径 ed yx xy yx xy U Ad e 2 )(2 44 (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 s BxyA i s Bn x ynAA i (3)通道横截面积 A n层通道的一次传热面积 ,m2 F yx xF 1 n层通道的二次传热面积 ,m2 Fyx yF 2 n层通道的总传热面积 ,m2 s nBLyxF e)(2 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
10、间距的微小单元进行分析 ： l Q 2 Q 1 o x T tt w dx x 通过一次传热面的热量 )(11 TtFQ w -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 ： )(22 TtFQ wf 翅片效率 ： Tt Tt w m f 可见 ， 翅片效率就是二次
11、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 。 )(22 TtFQ m Ttw 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： dxdx tdlf 2 2 同时这段翅片与流体之间通过 对流传热 得到的 热量为： )(2 Ttdxl 在假设传热过程稳定的前提下 ， 有如下等式成立： )(2 2 2 Ttdxldxdx tdlf )s i n h ( )(s i n h )s i n h ( PL xLPPx 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
12、出： 2 2 t a n h 2 PL PL cp 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： 2 2 t a n h 2 PL PL cp f )2tanh( PL 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： 0 f Pb Pbcp f )t a n h ( 0 其中： f P 2 r 1 1 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， 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
13、传热具有对称性时，在计算时可根据 下图来确定。 L 冷通道 热通道 冷通道 热通道 冷通道2 冷通道1 L1 热通道 L2 热通道 冷通道2 冷通道1 热通道 L2 L1 冷通道3 L3 冷热通 道间隔 两个热通道之间 隔两个冷通道 2Lb 11 Lb 22 Lb 两个热通道 之间隔三个 冷通道 11 Lb 2 321 2 LLLb 33 Lb 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： )()( 21 TtFTtFQ wfw 可以设想这样一个传热面 和综合的表 面效率 ，
14、板翅式换热器的总传热方程式可以写成： 0 1 2 F F F 0 )(00 TtFQ w fe FFFF 2100 )1(1 0 2 0 2221 0 21 0 f ff F F F FFFF F FF 又因： Fyx xFFFF 因此： yx y yx x F F 10 2 所以： )1(1 0 fyx y 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 。 20/FF 0 f f 0 (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： )( whohoh
15、hh tTFQ 冷流体的传热方程式为： )( cwococcc TtFQ ohohh h wh F QtT ococc c cw F QTt 在稳定传热情况下 ， ， 将上两式相加得 ： QQQ ch 11() hc h oh oh c oc oc T T Q FF ohehc ec hoc oh occohh h F F F FK 1)1( 1 11 1 所以 ： 同理得： ocehh ec coh oc ohhocc c F F F FK 1)1( 1 11 1 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 hK cK 前两式中忽略
16、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： 0 11 1 F F F Frr F F K h c h ch oc oh occohh h 0 11 1 F F F F rr F F K c h c hc oh oc ohhocc c 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 cr hr (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
17、的给热系数 GS tCp GCjSt p 3/2Pr/ 3/2Pr GCj p pC G St Pr j 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： 33.031.069.0 33.031.069.069.0 )1(
18、)()(2 6 2.0 )1()()()(2 6 2.0 v LLpL s v Le L e L LL e L sb p H qC C pD H qDC D C 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： mtKFQ 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： 2 1 21 ln t t ttt m 代表换热器 两端温差中 数值大的那 一端温差 代表换热器
19、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： mm tt 1 式中： 为按逆流方式计算得到的对数平均温差； 为修正系数 。 mt1 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
20、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： )()( , icoccohihhmo TTCTTCtKFQ 流体水当量 C用右式计算： pWCC 显见 ， 小的流体水当量对应于大的温度降： m o tu t t C KFN m a x m i n 式中： -传热单元数 （ 无因次 ） ； -*小流体水当量 ， 即冷 、 热流体水当量 ， 中较小的一个 ， W/K -某**体的*大温度降 ， K -对数平均温差
21、 K tuN minC maxt mt 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 。 )( )( )( )( ,m i n , ,m i n , m ax icih icocc icih ohihh TTC TTC TTC TTC Q Q 当 时： m inCCh icih ohih h TT TT , , 当 时： minCCc icih icoc h TT TT , , 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； 利用换热效率公式用来验算冷热流体出口
22、温度 。 min max/CC tuN oF 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 ， *
23、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
24、数 K； (E)计算传热面积 ； 7）计算压力损失。 f 0 oF 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： 1P 2P 3P 321 PPPP 1 芯体进口处和出口处阻力 和 1P 3P 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： 1P 2)1(2 2 2 2 1 i c i vGvGP 出口 （ 急剧扩大部 ） 阻力 为： 3
25、P 2)1(2 2 2 2 3 o e o vGvGP 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 。 iv ov n n bh xy 1 、 分别为收缩和扩大系数 ， 与 和 Re有关 ， 可查 表求出 。 c e 2 流体在芯体中的流动阻力 2P 该项阻力主要是由换热面的 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
26、等效圆管来考虑 ， 板内的阻力可以表示 为： 4)1(22 0 2 2 i m ei i v v D fL v vvGP 式中： -流体的平均比容 ， m3/kg mv 2 oi m vvv 3 换热器总的流动阻力 P 换热器总的流动阻力为： )1()4()1(2)1( 2 202 0 2 i o e i m ei i v v v v D fL v vvGP 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： 24 2G
27、 D LfP e e 式中： -芯体的有效长度 ， m。 eL 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 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 。 对应
28、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 。 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 p
29、mt 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 % T dT R 2 321 2 隔板厚度 Cpmt b 4 3 式中： C-腐蚀余量 ， m， 一般取 0.2 0.5 10-3m ： 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： 3 4 s pWh 式中： -封条*小
30、宽度 ， m h-翅片高度 ， m sW 4 封头壁厚 2 1 .2 ipDtC p 式中： -内径 ， m C-壁厚附加量 ， 一般取 10-3m -焊缝系数 ， 双面对接焊 ， 取 ， 单 面对接焊 ， 取 。 iD 0.17.0 9.06.0 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. docin/sanshengshiyuan doc88/sanshenglu 更多**资源请访问
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