板式换热器设计计算与校核计算.doc
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题目：
板式换热器设计及其选用
目录
一、说明书·············································2
二、设计方案·············································3
三、初步选定·············································4
（1）已知两流体的工艺参数
（2）确定两流体的物性数据
（3）计算热负荷和两流体的质量流速
（4）计算两流体的平均传热温差
（5）初选换热器型号
四、验证·············································6
（1）算两流体的流速u
（2）算雷诺数Re
（3）计算努塞尔特数Nu
（4）求两流体的传热系数α
（5）求污垢热阻R
（6）求总传热系数K，并核算
五、核算·············································7
（1）压强降△P核算
（2）换热器的换热量核算
六、结论·············································7
七、设计结果·············································8
八、附录·············································9
表1：
板式换热器的污垢热阻
图1：
多程流程组合的对数平均温差修正系数
九、参考文献·············································9
一、说明书
现有一块建筑用地，建筑面积为12500m2，采用高温水在板式换热器中加热暖气循环水。
高温水进入板式换热器的温度为100℃，出口的温度为75℃；循环水进入板式换热器的温度为65℃，出口的温度为90℃。
供暖面积热强度为293kJ／（m2·h）。
要求高温水和循环水经过板式换热器的压强降均不大于100kPa。
请选择一台型号合适的板式换热器。
（假设板壁热阻和热损失可以忽略）
已知的工艺参数：
住宅建筑面积（m2）
12500
供暖面积热强度（kJ／（m2·h））
293
流体名称
高温水
循环水
进口温度（℃）
100
65
出口温度（℃）
75
90
压强降（kPa）
≤100
≤100
二、设计方案
（1）根据热量平衡的关系，求出未知的换热量和质量流量，同时算出两流体的平均温度差；
（2）参考有关资料、数据，设定总传热系数K，求出换热面积S，根据已知数据初选换热器的型号；
（3）运用有关关联式验证所选换热器是否符合设计要求；
（4）参考有关资料、数据，查出流体的污垢热阻；
（5）根据式求得流体的总传热系数，该值应不小于初设的总传热系数，否则改换其他型号的换热器，由（3）开始重新计算；
（6）如果大于初设值，则再进一步核算两流体的压强降和换热量，是否满足设计要求，否则改换其他型号的换热器，由（3）开始重新计算；
（7）当所选换热器均满足设计要求时，该换热器才是合适的。
三、初步选定
（1）已知两流体的工艺参数
高温水t1´=100℃
t1〞=75℃
△P1≤100kPa
循环水t2´=65℃
t2〞=90℃
△P2≤100kPa
（2）确定两流体的物性数据
高温水的定性温度为：
循环水的定性温度为：
根据定性温度，分别查取两流体的有关物性数据：
①热的一侧（高温水）在87.5℃下的有关数据如下：
密度ρ1=970.17kg／m3
定压比热容cp1=4.196kJ／（kg·℃）
导热系数λ1=0.67425W／（m·℃）
流体运动黏度ν1=0.355×10-6m2／s
普兰特数Pr1=2.145
②冷的一侧（循环水）在77.5℃下的有关数据如下：
密度ρ2=976.3kg／m3
定压比热容cp2=4.18kJ／（kg·℃）
导热系数λ2=0.669W／（m·℃）
流体运动黏度ν2=0.4205×10-6m2／s
普兰特数Pr2=2.465
（3）计算热负荷和两流体的质量流速
热负荷：
高温水质量流速：
循环水质量流速：
（4）计算两流体的平均传热温差
对数平均温度差：
循环水的传热单元数：
由<图1>查得，取：
Ф=0.942，
则平均传热温差：
（5）初选换热器型号
根据两流体情况，假设K´=3100W／（m2·℃），故：
传热面积：
由换热器系列标准中初选BR0.3型板式换热器，有关工艺参数如下：
换热面积So=35m2
流程组合
单板换热面积Ao=0.368m2
单流道截面积Aε=0.0013392m2
当量直径de=0.0072m
板片厚度δo=0.0008（材料为18.8不锈钢）
传热和压降计算关联式如下：
若采用此换热器，则要求过程的总传热系数K≥3100W／（m2·℃）。
四、验证
（1）算两流体的流速u：
高温水流速：
循环水流速：
（2）算雷诺数Re：
（3）计算努塞尔特数Nu：
（4）求两流体的传热系数α：
高温水传热系数：
循环水传热系数：
（5）求污垢热阻R：
参考<表二>选取两流体的污垢热阻为：
（6）求总传热系数K，并核算：
在板壁热阻和热损失可以忽略时，总传热系数为：
计算表明，K大于选择该型号换热器的初设值K´=3100W／（m2·℃），故初选的BR0.3型板式换热器是合适的，满足设计要求。
五、核算
（1）压强降△P核算：
热侧流道为流体压缩流道，冷侧流道为流体扩张流道
高温水压强降：
循环水压强降：
计算表明，高温水和冷却水的压强降均满足设计要求。
（2）换热器的换热量核算：
而实际设计要求的热负荷量为：
Q=1017361.1W
即：
Q´>Q
故，换热器的换热量满足设计要求。
六、结论
通过计算表明，所选的BRO.3型换热器满足该住宅地用于高温水加热暖气循环水的设计要求。
（板壁热阻和热损失可以忽略的情况下）。
七、设计结果
换热器型式：
BRO.3型板式换热器
板式换热器构造：
1——前支柱；2——活动压紧板；
3——上导杆；4——垫片；5——板片；
6——固定压紧板；7——下导杆；
8——压紧螺柱、螺母。
换热面积（m2）：
35
流程组合：
单板换热面积（m2）；0.368
单流道截面积（m2）：
0.0013392
当量直径（m）：
0.0072
板片厚度（m）：
0.0008
材料：
18.8不锈钢
工艺参数
名称
热侧
冷侧
物料名称
高温水
循环水
操作温度（℃）
100/75
65/90
流量（kg/h）
34914
34972
流体密度（kg/m3）
970.17
976.3
流速（m/s）
0.311
0.31
传热量（W）
1049995.6
总传热系数（W/（m2·℃））
3184.7
对流传热系数（W/（m2·℃））
11200
11679
污垢系数（（m2·℃）/W）
0.45×10-4
0.45×10-4
压强降（Pa）
46223.6
40625.1
八、附录
<表1>板式换热器的污垢热阻（m2·℃）/W
<图1>多程流程组合的对数平均温差修正系数
九、参考文献
（1）《板式换热器工程设计手册》（重排本）杨崇麟主编.北京：
机械工业出版社，1998；
（2）《板式换热器的设计与应用》[J]刘相宜.山东能源，1989年（4）：
1—5。
（3）《换热器设计手册》（第三卷）[M]E.U.施林德尔.马庆芳等译.北京：
机械工业出版社，1988；
（4）《换热器设计手册》钱颂文等译.北京：
化学工业出版社，2002；
（5）《热交换器设计手册》（下册）[M]尾花英朗[日].北京：
石油工业出版社，1981；
（6）《热交换器原理与设计》史美中、王中铮.东南大学出版社，1996.11；
（7）《换热器原理及计算》[M]朱聘冠.北京：
清华大学出版社，1989；
（8）《机械设计课程设计》巩云鹏.东北大学出版社，2000.12.
（9）《传热学》[M]杨世铭.北京：
人民出版社，1981；
（10）《换热器》（中册）[M]兰州石油机械研究所主编.北京：
烃加工出版社，1988；
换热器
中文名称：
换热器
英文名称：
heatexchanger
其他名称：
热交换器
定义：
将热量从一种载热介质传递给另一种载热介质的装置。
应用学科：
航空科技（一级学科）；航空安全、生命保障系统与航空医学（二级学科）
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求助编辑百科名片
换热器
换热器（英语翻译：
heatexchanger），是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。
换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。
在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。
换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：
间壁式、混合式和蓄热式。
在三类换热器中，间壁式换热器应用最多。
换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体，使流体温度达到工艺流程规定的指标的热量交换设备，又称热交换器。
换热器作为传热设备被广泛用于锅炉暖通领域，随着节能技术的飞速发展，换热器的种类越来越多。
分类
适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器，结构型式也不同，换热器的具体分类如下：
一、换热器按传热原理分类
1、表面式换热器
表面式换热器是温度不同的两种流体在被壁面分开的空间里流动，通过壁面的导热和流体在壁表面对流，两种流体之间进行换热。
表面式换热器有管壳式、套管式和其他型式的换热器。
2、蓄热式换热器
蓄热式换热器通过固体物质构成的蓄热体，把热量从高温流体传递给低温流体，热介质先通过加热固体物质达到一定温度后，冷介质再通过固体物质被加热，使之达到热量传递的目的。
蓄热式换热器有旋转式、阀门切换式等。
3、流体连接间接式换热器
流体连接间接式换热器，是把两个表面式换热器由在其中循环的热载体连接起来的换热器，热载体在高温流体换热器和低温流体之间循环，在高温流体接受热量，在低温流体换热器把热量释放给低温流体。
4、直接接触式换热器
直接接触式换热器是两种流体直接接触进行换热的设备，例如，冷水塔、气体冷凝器等。
二、换热器按用途分类
1、加热器
加热器是把流体加热到必要的温度，但加热流体没有发生相的变化。
2、预热器
预热器预先加热流体，为工序操作提供标准的工艺参数。
3、过热器
过热器用于把流体（工艺气或蒸汽）加热到过热状态。
4、蒸发器
蒸发器用于加热流体，达到沸点以上温度，使其流体蒸发，一般有相的变化。
三、按换热器的结构分类
可分为：
浮头式换热器、固定管板式换热器、U形管板换热器、板式换热器等。
注意事项
1、保持管网的清洁，无论是在工作前还是工作完成后，我们都必须对管网中进行清洁处理，这样做的目的是为了避免发生换热器堵塞的现象。
还要注意及时对除污器以及过滤器的清洗，让整个工作顺利完成。
2、严重把关软化水，对于任何一种水质把关，这一点是相当重要，在进行对软化水水质处理的前提下，首先要认真检查系统中的水和软化罐水质问题，如果确定合格就可以进行注入处理。
3、新系统检验，对于一些新系统来说，不能马上与换热器进行交替使用，首先需把新的系统在指定的时间段运行，让它有了一个运行模式后，此时方可以把换热器并入系统中使用，这样做的目的完全是为了避免管网中的杂质破坏换热器设备。
行业状况
概述
换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。
换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。
在石油、化工、轻工、制药、能源等工业生产中，常常用作把低温流体加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。
换热器既可是一种单元设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的换热器。
换热器是化工生产中重要的单元设备，根据统计，热交换器的吨位约占整个工艺设备的20%有的甚至高达30%，其重要性可想而知。
管壳式
管壳式换热器是一个量大而品种繁多的产品，迫切需要新的耐磨损、耐腐蚀、高强度材料。
我国在发展不锈钢铜合金复合材料、铝镁合金及碳化硅等非金属材料等方面都有不同程度的进展，其中尤以钛材发展较快。
钛对海水、氯碱、醋酸等有较好的抗腐蚀能力，如再强化传热，效果将更好，一些制造单位已较好的掌握了钛材的加工制造技术。
对材料的喷涂，我国已从国外引进生产线。
铝镁合金具有较高的抗腐蚀性和导热性，价格比钛材便宜，应予注意。
国内在节能增效等方面改进换热器性能，提高传热效率，减少传热面积降低压降，提高装置热强度等方面的研究取得了显著成绩。
换热器的大量使用有效的提高了能源的利用率，使企业成本降低，效益提高。
市场前景
2016年换热器行业规模突破1000亿元，2020年实现由换热器生产大国迈入世界换热器强国的行列的奋斗目标，为加快振兴我国装备制造业做出贡献。
产品精度、性能、寿命和可靠性达到同期国外大公司同类产品水平，重大装备配套换热器实现国产化：
设计和制造技术达到同期圈外大公司水平，有一批核心技术的自主知识产权；有3-5家拥有自主知识产权和世界知名品牌、国际竞争力较强的优势企业；行业生产和销售总规模位居世界前列，有2-3家内资控股企业进入世界换热器销售额前10名；行业生产集中度达到80以上。
这些都将为换热器行业提供更加广阔的发展空间。
未来，国内市场需求将呈现以下特点：
对产品质量水平提出了更高的要求，如环保、节能型产品将是今后发展的重点；要求产品性价比提高；对产品的个性化、多样化的需求趋势强烈；逐渐注意品牌产品的选用；大工程项目青睐大企业或企业集团产品。
金属换热
间壁式
夹套式换热器这种换热器是在容器外壁安装夹套制成，结构简单；但其加热面受容器壁面限制，传热系数也不高.为提高传热系数且使釜内液体受热均匀，可在釜内安装搅拌器.当夹套中通入冷却水或无相变的加热剂时，亦可在夹套中设置螺旋隔板或其它增加湍动的措施，以提高夹套一侧的给热系数.为补充传热面的不足，也可在釜内部安装蛇管.夹套式换热器广泛用于反应过程的加热和冷却。
沉浸式蛇管换热器这种换热器是将金属管弯绕成各种与容器相适应的形状，并沉浸在容器内的液体中.蛇管换热器的优点是结构简单，能承受高压，可用耐腐蚀材料制造；其缺点是容器内液体湍动程度低，管外给热系数小.为提高传热系数，容器内可安装搅拌器。
喷淋式换热器这种换热器是将换热管成排地固定在钢架上，热流体在管内流动，冷却水从上方喷淋装置均匀淋下，故也称喷淋式冷却器.喷淋式换热器的管外是一层湍动程度较高的液膜，管外给热系数较沉浸式增大很多.另外，这种换热器大多放置在空气流通之处，冷却水的蒸发亦带走一部分热量,可起到降低冷却水温度，增大传热推动力的作用.因此，和沉浸式相比，喷淋式换热器的传热效果大有改善。
套管式换热器套管式换热器是由直径不同的直管制成的同心套管，并由U形弯头连接而成.在这种换热器中，一种流体走管内，另一种流体走环隙，两者皆可得到较高的流速，故传热系数较大.另外，在套管换热器中，两种流体可为纯逆流，对数平均推动力较大。
套管换热器结构简单，能承受高压，应用亦方便（可根据需要增减管段数目）.特别是由于套管换热器同时具备传热系数大，传热推动力大及能够承受高压强的优点。
板式换热器：
板式换热器高清图
最典型的间壁式换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史，而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。
主体结构由换热板片以及板间的胶条组成。
长期在市场占据主导地位，但是其体积大，换热效率低，更换胶条价格昂贵（胶条的更换费用大约占整个过程的1/3-1/2）.主要应用于液体-液体之间的换热，行业内常称为水水换热，其换热效率在5000w/m2.K。
为提高管外流体给热系数，通常在壳体内安装一定数量的横向折流档板。
折流档板不仅可防止流体短路，增加流体速度，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍动程度大为增加。
常用的档板有圆缺形和圆盘形两种，前者应用更为广泛.。
由于中国新版GMP的推出，板式换热将逐渐退出食品，饮料，制药等卫生级别高的行业。
管壳式换热器
管壳式换热器图解
管壳式（又称列管式）换热器是管壳式换热器主要有壳体、管束、管板和封头等部分组成，壳体多呈圆形，内部装有平行管束或者螺旋管，管束两端固定于管板上。
在管壳换热器内进行换热的两种流体，一种在管内流动，其行程称为管程；一种在管外流动，其行程称为壳程。
管束的壁面即为传热面。
管子的型号不一，过程一般为直径16mm20mm或者25mm三个型号，管壁厚度一般为1mm，1.5mm，2mm以及2.5mm。
进口换热器，直径最低可以到8mm，壁厚仅为0.6mm。
大大提高了换热效率，2012年来也在国内市场逐渐推广开来。
管壳式换热器，螺旋管束设计，可以最大限度的增加湍流效果，加大换热效率。
内部壳层和管层的不对称设计，最大可以达到4.6倍。
这种不对称设计，决定其在汽-水换热领域的广泛应用。
最大换热效率可以达到14000w/m2.k，大大提高生产效率，节约成本。
同时，由于管壳式换热器多为金属结构，随着中国新版GMP的推出，不锈钢316L为主体的换热器，将成为饮料，食品，以及制药行业的必选。
双管板换热器也称P型换热器，是在管壳式换热器的两头各加一个管板，可以有效防止泄漏造成的污染。
市场上国产品牌较少，价格昂贵，一般在10万元以上，进口可以到几十万。
符合新版GMP规定，虽价格昂贵，但决定其市场广阔。
混合式
混合式热交换器是依靠冷、热流体直接接触而进行传热的，这种传热方式避免了传热间壁及其两侧的污垢热阻，只要流体间的接触情况良好，就有较大的传热速率。
故凡允许流体相互混合的场合，都可以采用混合式热交换器，例如气体的洗涤与冷却、循环水的冷却、汽-水之间的混合加热、蒸汽的冷凝等等。
它的应用遍及化工和冶金企业、动力工程、空气调节工程以及其它许多生产部门中。
按照用途的不同，可将混合式热交换器分成以下几种不同的类型：
（1）冷却塔（或称冷水塔）
在这种设备中，用自然通风或机械通风的方法，将生产中已经提高了温度的水进行冷却降温之后循环使用，以提高系统的经济效益。
例如热力发电厂或核电站的循环水、合成氨生产中的冷却水等，经过水冷却塔降温之后再循环使用，这种方法在实际工程中得到了广泛的使用。
（2）气体洗涤塔（或称洗涤塔）
在工业上用这种设备来洗涤气体有各种目的，例如用液体吸收气体混合物中的某些组分，除净气体中的灰尘，气体的增湿或干燥等。
但其最广泛的用途是冷却气体，而冷却所用的液体以水居多。
空调工程中广泛使用的喷淋室，可以认为是它的一种特殊形式。
喷淋室不但可以像气体洗涤塔一样对空气进行冷却，而且还可对其进行加热处理。
但是，它也有对水质要求高、占地面积大、水泵耗能多等缺点：
所以，在一般建筑中，喷淋室已不常使用或仅作为加湿设备使用。
但是，在以调节湿度为主要目的的纺织厂、卷烟厂等仍大量使用！
（3）喷射式热交换器
在这种设备中，使压力较高的流体由喷管喷出，形成很高的速度，低压流体被引入混合室与射流直接接触进行传热，并一同进入扩散管，在扩散管的出口达到同一压力和温度后送给用户。
（4）混合式冷凝器
这种设备一般是用水与蒸汽直接接触的方法使蒸汽冷凝。
蓄热式
蓄热式换热器用于进行蓄热式换热的设备。
内装固体填充物，用以贮蓄热量。
一般用耐火砖等砌成火格子（有时用金属波形带等）。
换热分两个阶段进行。
第一阶段，热气体通过火格子，将热量传给火格子而贮蓄起来。
第二阶段，冷气体通过火格子，接受火格子所储蓄的热量而被加热。
这两个阶段交替进行。
通常用两个蓄热器交替使用，即当热气体进入一器时，冷气体进入另一器。
常用于冶金工业，如炼钢平炉的蓄热室。
也用于化学工业，如煤气炉中的空气预热器或燃烧室，人造石油厂中的蓄热式裂化炉。
蓄热式换热器一般用于对介质混合要求比较低的场合。
陶瓷
陶瓷换热器是一种新型的列管式高温热能回收装置，主要成份为碳化硅，可以广泛用于冶金、机械、建材、化工等行业，直接回收各种工业窑炉排放的850－1400℃高温烟气余热，以获得高温助燃空气或工艺气体。
陶瓷换热器
研制成的这种装置的换热元件材料系一种新型碳化硅工程陶瓷，它具有耐高温和抗热冲击的优异性能，从1000℃风冷至室温，反复50次以上不出现裂纹；导热系数与不锈钢等同；在氧化性和酸性介质中具有良好的耐蚀性。
在结构上成功地解决了热补偿和较好地解决了气体密封问题。
该装置传热效率高，节能效果显著，用以预热助燃空气或加热某些过程的工艺气体，可节约一次能源，燃料节约率可达30%－55%，并可强化工艺过程，显著提高生产能力。
陶瓷换热器的生产工艺与窑具的生产工艺基本相同，导热性与抗氧化性能是材料的主要应用性能。
它的原理是把陶瓷换热器放置在烟道出口较近，温度较高的地方，不需要掺冷风及高温保护，当窑炉温度1250-1450℃时，烟道出口的温度应是1000-1300℃，陶瓷换热器回收余热可达到450-750℃，将回收到的的热空气送进窑炉与燃气形成混合气进行燃烧，这样直接降低生产成本，增加经济效益。
陶瓷换热器在金属换热器的使用局限下得到了很好的发展，因为它较好地解决了耐腐蚀，耐高温等课题。
它的主要优点是：
导热性能好，高温强度高，抗氧化、抗热震性能好。
寿命长，维修量小，性能可靠稳定，操作简便。
浮头式
设计要求
随着经济的发展，各种不同型式和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。
为了适应发展的需要，中国对某些种类的换热器已经建立了标准，形成了系列。
完善的换热器在设计或选型时应满足以下基本要求：
（1）合理地实现所规定的工艺条件；
（2）结构安全可靠；
（3）便于制造、安装、操作和维修；
（4）经济上合理。
浮头式换热器的一端管板与壳体固定，而另一端的管板可在壳体内自由浮动，壳体和管束对膨胀是自由的，故当两张介质的温差较大时，管束和壳体之间不产生温差应力。
浮头端设计成可拆结构，使管束能容易的插入或抽出壳体。
（也
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