南京林业大学木材工业学院2005级热能与动力工程专业毕业论文

3 换热站主体结构的相关计算

3.1板式换热器设计的一般原则

（1）选择板片的波纹型式

板片的波纹型式主要有人字形波纹和水平平直波纹两种。人字形波纹板片的承压能力可高于1.0MPa，水平平直波纹板片的承压能力一般在1.0MPa左右；人字形波纹板片的传热系数和流体阻力都高于水平平直波纹板片。选择板片的波纹型式，主要要考虑板式换热器的工作压力、流体的压力降和传热系数。如果工作压力在1.6MPa以上，则别无选择地要采用人字形波纹板片；如果工作压力不高又特别要求阻力降低，则选用水平平直波纹板片较好一些；如果由于安装位置所限，需要高的换热效率以减少换热器占地面积，而阻力降可以不受限制，则应选用人字形波纹板片。板片型式或波纹型式还应根据换热场合的实际需要而定。对流量大允许压降小的情况，应选用阻力小的板型，反之选用阻力大的板型。

（2）单板面积的选择

单板面积过小，则板式换热器的板片数多，也即使占地面积增大，程数增多（造成阻力降增大）；反之，虽然占地面积和阻力降减小了，但难以保证板间通道必要的流速。不宜选择单板面积太小的板片，以免板片数量过多，板间流速偏小，传热系数过低，对较大的换热站更应该注意此问题。

（3）流速的选取 流体在板间的流速，影响换热性能和流体压力降，流速高固然换热系数高，但流体的阻力降也增大；反之情况相反。一般板间平均流速为0.2～0.8m∕s，流速低于0.2m∕s时流体就达不到湍流状态且会形成较大的死角区，流速过高则会导致阻力降剧增。具体设计时，可以先确定一个流速，计算其阻力降是否在给定的范围内；也可按给定的压力降来求出流速的初选值。[15]

（4）流程的选取

流程是指板式换热器内一种介质同一流动方向的一组并联流道，而流道则是指板式换热器内，相邻两板片组成的介质流动通道。一般情况下，将若干个流道按并联或串联的方式连接起来，以形成冷、热介质通道的不同组合形式。对于一般对称型流道的板式换热器，两流体的体积流量大致相当时，应尽可能按等程布置，若两侧流量相差悬殊时，则流量小的一侧可按多程布置。另外，当某一介质温升或温降幅度较大时，也可采取多程布置。相

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变板式换热器的相变一侧一般均为单程。多程换热器，除非特殊需要，一般对同一流体在各程中应采用相同的流道数。

流体流动分布是否均匀的问题还表现在流程组合方式上，在给定的总允许压降下，多程布置使每一程对应的允许压降变小，迫使流速降低，对换热不利。此外，不等程的多程布置是平均传热温差减小的重要原因之一，应尽可能避免。[16]

（5）流向的选取

无相变换热时，逆流具有最大的平均传热温差。在一般换热器的工程设计中都尽量把流体布置为逆流。对板式换热器来说，要做到这一点，两侧必须为等程。若安排为不等程，则顺流与逆流将交替出现，此时，平均传热温差将明显小于纯逆流时。

（6）压降要求

在板式换热器的设计选型时，一般对压降有一定的要求，所以应对其进行校核。如果校核压降超过允许压降，需重新进行设计选型计算，知道满足工艺要求为止。一般厂家在样本中给出压降计算公式，从技术经济上考虑，对于水水换热器的压降应不大于0.06MPa为宜。[17]

3.2板式换热器选型计算

已知：加热水的初温 t1=130℃ 加热水的终温 t2=90℃

加热水的平均温度 trp= (t1+ t2) ∕2=110℃ 加热水密度 ρrp=951.1kg∕m3 加热水比热容 Crp=4.23KJ∕（kg·℃） 加热水的动力粘度 μrp=2.59×10-4N.s/m2 被加热水的初温 t′1=65℃ 被加热水的终温 t′2=95℃

加热水的平均温度 tlp= (t′1+ t′2) ∕2=80℃ 被加热水密度 ρlp=971.9kg∕m3 被加热水比热容 Clp=4.20KJ∕（kg·℃） 被加热水的动力粘度 μlp=3.551×10-4N.s/ m2

每个板式换热器换热量 Ф=3.5MW

（1） 求加热水流量Gr和被加热水流量，根据下式：

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Ф=Gr Crp⊿tr

则得：

Gr=Ф∕Crp⊿tr

=3.6×3.5×106/4.23×40

=74.5t/h

其中，⊿tr为加热水初终温度差。 同理由式：

Ф=Gl Clp⊿tl

求得：

Gl=Ф∕Clp⊿tl

=3.6×3.5×103/4.20×30

=100t/h

其中，⊿tl为被加热水初终温度差。

（2） 求加热水流通断面积fr'和被加热水的流通断面积fl'，根据下式：

Gr = fr' wr'ρrp

求得：

fr'= Gr∕wr'ρrp

=74.5/3.6×0.4×951.1

=5.44×10-2㎡

其中，wr'为加热水流速，并取wr'=0.4m/s。 同理由式：

Gl = fl' wl'ρlp

求得：

fl' = Gl∕wl'ρlp

=100/3.6×0.6×971.9

=4.76×10-2m2

其中，wl'为被加热水流速，并取wl'=0.6m/s。[18] 初选北京海新板式换热器厂生产的BR06型板式换热器 技术数据为：

单片换热面积 Fd=0.586m2

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总换热面积 30--120 m2 当量直径 de=7.4mm

单通道流通断面积 fd=1628mm2=1.628×10-3 m2 工作压力 P<=1.6MPa 工作温度 t<=170℃

努塞尔传热方程 Nu=0.2395Re0.6515Pr0.3(0.4) 阻力损失方程 ⊿P=0.18V1.9559

传热系数 K=4600W/（m2·℃）

（3） 求加热水流道数nr和被加热水流道数nl，加热水流道数nr由式：

nr = fr'/ fd

=5.44×10-2/1.628×10-3 =34 被加热水流道数nl：

nl= fl'/ fd

=4.76×10-2/1.628×10-3 =30 取加热水流程数mr和被加热水流程数ml为：

mr=ml=1

则选择

1?34型板式换热器 1?34（4） 求对数平均温差?tm，根据下式：

?tm?t1?t2?(t2?t1)

Ln(t1?t2)Ln(t2?t1)130?95?(90?65)

Ln(130?95)Ln(90?65)?=9.1℃

（5） 求传热面积F'，根据下式

F'??/K?tm

=3.5×106/4600×9.1

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