学号： 常 州 大 学 毕 业 设计 （论文 ） （ 2008 届） 题 目 55000 Nm3 h 烟气热量回收板式换热器 学 生 王玉龙 学 院 怀德学院 专业班级 装备 081 校内指导教师 张锁龙 专业方面技术职务 （宋体 四号 粗体） 校外指导老师 （宋体 四号 粗体）专业方面技术职务 （宋体 四号 粗体） 二○一二年五月 3 55000 Nm h 烟气热量回收板式换热器 摘 要 板式换热器的传热性能与版面的波纹形状、 尺寸及版面组合方式都有密切关系。 对 于任何一种新型结构尺寸板片的传热及阻力特性， 都只有通过实验计算测定。 对于无相 变传热，多数制造商都能提供关联式：对于相变传热，绝大多数的产品，尚不能提供相 关的关联式。 板式换热器是一种高效紧凑的换热设备， 它的应用几乎涉及到所有的工业领域， 而 且其类型、结构和应用限制范围还在持续不断的发展．近年来，焊接型板式换热器的紧凑性，重量 轻、换热性能好、初始成本低等优越性已慢慢的被人们所认识，因此人们纷纷对板式换 热器内流动状态和换热机理展开研究。 随着 CFD(Computational Fluid Dynamics)技术发展 日趋成熟，使对流体内部温度场、压力场以及速度场的分布研究变得可行，鉴于此，本 文应用 CFD软件对人字形波纹板式换热器进行数值模拟， 在此基础上又进行了实验研究 及实验数据与数值模拟的对比分析。 基于简化模型的计算结果难以准确描述换热器内完整的流体流动和换热特性。为 此，本文建立与人字形波纹板片完全相同的， 含分配区和传热区冷热双流道换热的计算 模型，用计算流体力学软件 Fluent6．3，数值模拟 4 组不同名义波纹高度下流体的流 动和换热情况。 分析流道内速度场和温度场发现， 进口分配区对流体流动分布和换热都 有显著影响， 还将流体在流道内的流动情况详细描述。 两侧流体的压降和进出口温差的 计算值与实验值的误差小于 6％，较准确地反映了换热器内整体的流动和换热特性， 可 直接用于研究板式换热器的性能，具有一定的工程实际意义。 关键词 ：板式换热器；热力计算；分析；数值模拟；传热性能；流道状recent years,copper brazing plate heat exchangerwith compact in size,light in weight,good heat transfer performance,and low operating cost advantageshas increasingly been recognized.People also beginthe research of fluid flow and heat transfer in plate heat exchangers.With the development of CFD(Computational Fluid Dynamics)technology,we Call obtain the temperature,pressure and velocity vectors distribution of internal fluid.In this thesis,theauthor usescommercial CFD software to simulate chevron corrugated plate heat exchangers. Simulation results based onthe simplified model are difficult to predict hydrodynamics and thermal characteristics of plate heat exchanger accurately.Therefore,a model of the accurate size of actual chevron—ng CFD software FLUENT 6.3,the pressuredrop and heat transfer coefficient for cross-corrugated plateheat exchangers atfour different inlet velocities were investigated.By analyzing the simulation results of velocity and temperature fields,the structure of distribution area of inlet and outlet has significant influence on overall hydrodynamics and heat transfer performance0f PHEs.The flow patterns in two channels were described in detail.The simulation results of pressuredrop and temperature difference between the inlet and outlet were compared with the exponential data,which shows a less than 6% error. From the simulation results,the hydrodynamics and thermal characteristics of chevron-type plate heat exchangers was properly reproduced and this method is feasible alternative of physical performance test of PHEs,which is of some practical significance. KEY WORDS: Plate heat exchangers;Heat calculate;Analysis;Numerical simulation; Fluid flow;Heat transfer. II 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 目 录 III 术 语 表 IV 1. 设计任务书 1 2. 换热器与换热器设计概述 3 2.1 板式换热器的简介 3 2.1.1 板式换热器的概述 3 2.1.2 国内外研究现状和发展的新趋势 4 2.1.3 板式换热器的优点 5 2.1.4 板式换热器的缺点 6 2.1.5 板式换热器的基本结构 6 2.1.6 板式换热器的应用场合 7 2.2 板式换热器常见故障 8 2.3 缘由分析及处理方法 8 2.4 板式换热器综述 11 2.5 性能特点 11 2.6 产品选用要点 12 2.7 施工、安装要点 12 2.8 执行标准 13 3. 板式换热器的结构设计与强度校核 14 3.1 设计的工艺条件 14 3.2 设计计算 14 3.3 法兰的选择 19 3.4 保温层的设计 21 3.5 重量计算 22 3.6 吊耳支座及框架强度校核 22 3.7 焊接 23 3.8 不伤害原有设备的检测 24 3.9 能承受压力的容器耐压试验及气密性检测 24 3.10 压力试验检验报告 26 3.11 工程建设价格 26 4. 板式换热器安装、使用、维修、保养 28 5. 总结 30 参 考 文 献 31 致 谢 32 III 术 语 表 符号 名称 单位 A 面积 ㎡ b 板片宽 m c 比热容 J/(kg.K) D 直径 m f 摩擦系数 F 力 N G 重量 N 2 g 重力加速度 m / s h 高度 mm 2 K 总传热系数 W / ( m .K ) 3 L 流量 Nm / h V 法兰间流速 m/s m 质量 ㎏ n 板片数 p 压力 Pa Q 传热量 J/s r 半径 m s 板片厚 mm T 热力学温度 K t2 空气温度 ℃ t1 烟气温度 ℃ Dt 对数平均温差 ℃ v 流速 m/s l 导热系数 W/(m.K) 温差修正系数 板间距 mm 正应力 MPa 剪应力 MPa 密度 kg / m 3 IV 常州大学本科生毕业设计（论文） 1. 设计任务书 一、 毕业设计（论文）题目 3 55000 Nmh 烟气热量回收板式换热器 二、毕业设计（论文）依据及参数 3 烟气参数：工作时候的温度为进口 250℃，出口温度为 ？℃；其中流量为 55316Nm/h ； 3 废气参数：工作时候的温度为进口 60 ℃，出口温度为 174℃，其中流量为 55283Nm/h 。 三、毕业设计（论文）目标及内容 1 、根据给定工艺参数确定设计参数，如设计温度、设计压力、换热面积等。 2 、进行设备的结构论述、设备材料的选择与确定及尺寸的计算与设计等。 3 、完成与课题紧密关联的一篇英文资料的翻译 （数量按学校毕业设计指导书的 规定）。 4 、根据所学过的相关知识进行设备的工艺计算。 5 、学习相关的设计规定、标准，并依照其内容做强度计算、设备的结构尺寸 的确定、撰写技术方面的要求等。 6 、按现行的国家规范、标准做施工图绘制（ A0手工图 1张及 CAD图1张，其它 A1CAD图2-3 张）。 7 、按学校给定毕业设计指导书的要求完成毕业设计说明书（含中英文摘要） 。 8 、对本设计进行评述， 最终掌握此类设备设计的整个步骤、 内容和相关的要求。 四、课题所涉及主要参考资料 1、国家标准： GB150-1998 《钢制能承受压力的容器》及 GB16409-1996 《板式换热器》 2、TSG R004-2009 《固定式能承受压力的容器安全技术监察规程》 3、《化工工艺设计手册》 4、JB/T4700-2000 《能承受压力的容器法兰》 5、HG/T20592-2009 《钢制管法兰、垫片、紧固件》 6、JB/T4725-1997 《钢制焊接常压容器》 7、其它现行化工设备及能承受压力的容器用零部件手册 五、进度安排 周 次 工 作 内 容 检 查 方 式 1~2 课题介绍、查阅文献、学习标准规 网上提交翻译电子稿， 按毕业设计 第 1 页 共 32 页 常州大学本科生毕业设计（论文） 范、翻译外文资料、编写文献概要 规范排版 网上提交前期工作材料电子稿， 按 3~4 熟悉课题，初定方案 毕业设计规范排版 网上提交设计结果 5~7 设备工艺、强度计算 指导教师现场检查 8 画草图构思 网上提交实习报告 9 参观实习 指导教师现场检查 10~11 完成画草图 12~14 画 CAD装配图，零部件图 网上提交 CAD图 15~16 编写设计说明书 网上提交说明书 17 完成设计、准备答辩 PPT 指导教师审查 完成答辩并针对答辩 提交答辩材料，包括：撰写规范的 18 中出现的问题做修改 毕业设计说明书电子版、纸质版 六、毕业设计 （论文）时间 2012 年 1 月 4 日 ~ 2012 年 6 月 16 日 七、本毕业设计（论文）一定得完成的内容 1．调查研究、查阅文献和搜集资料。 2 ．阅读和翻译与课题内容有关的外文资料（外文翻译不能少于 2万印刷字符，约 合5000汉字）。 3．撰写文献概要，确定设计的具体方案。 4 ．工艺计算；结构和强度设计计算；材料的选择；计算机程序软件等。 5．撰写毕业设计说明书。 6 ．绘制图纸（总装配图、部件图、零件图） 。 八、备注 本任务书一式三份，学院、教师、学生各执一份。 第 2 页 共 32 页 常州大学本科生毕业设计（论文） 2. 换热器与换热器设计概述 2.1 板式换热器的简介 1878 年德国人发明了板片式换热器，现都通常称之为板式换热器，它经过了 50余 年的发展，至 20世纪 30年代，由薄金属板片压制的板片组装而成的板式换热器问世，并 将该换热器应用于工业中， 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、高效的换热设备之一，与螺旋板式和板翅式共称为紧凑式换热器（ Compact Heat Exchanger）。 板式换热器是以波纹板的新型高效换热器。 国外早在 20世纪 20年代就作为工艺设备 引入食品制造业， 40-50年代初开始用于化工领域。近十年来，板式换热器发展很迅速， 现已大范围的使用在食品、制药、合成纤维、石油化学工业、动力机械、船舶、动力、供热等各行 业。目前我国的板式换热器工厂，课制造单板传热面积从 0.04㎡至 1.3㎡，波纹形式为水 平平直波纹、人字形波纹、球形波纹、锯齿形波纹、竖直形波纹的板式换热器。 板式换热器用于处理从水到高粘度的液体，用于加热、冷却、冷凝、蒸发等过程。 它在食品制造业中应用最广泛、最早，入牛奶、果汁、葡萄糖、啤酒、植物油等的加热杀 菌和冷却。在化学工业中用作冷却氨水。凝缩甲醇蒸汽。冷却合成树脂，且大范围的使用在制 碱、制酸、燃料工业。在钢铁和机械制造工业中，用于冷却淬火油、水和润滑油。在电 力工业中，用于冷却变压器油、冷却双水内冷发电机组的冷却水。其他如在造船、石油 钻探、造纸、制药、纺织工业，大楼供热、采暖系统中也开始广泛地采用板式换热器。 虽然板式换热器有很多优点， 而其现在发展非常迅速， 但它们在结构与制造上尚存在问 题。随着科学技术的快速的提升，板式换热器正逐渐完备，应用也日趋广泛。 21世纪我国的能源形势是紧张的， 我国和世界的能源消耗随着人口的增长和工业化 的进展将会迅速增加；现在我们利用的主要一次能源（煤炭、石油、天然气和核能）之 中，除煤炭之外，其余三项已逐渐枯竭，其价格不可避免将持续增长；目前尚未曾发现 能替代石油、天然气、核能的一次能源，作为有效替补的能源有太阳能和热核反应，但 前者成本费高，后者尚有许多实质的问题没解决，尚不能够达到实用阶段；为了控制地 球温室效应，化石燃料的使用受到了各国舆论的强烈反对。综上所述，在 21世纪的上半 个世纪之间， 作为解决我国能源和环境问题的重要措施之一是如何有效地利用好一次能 源，其中主要研究的内容是从一次能源转移至二次能源、三次能源的高效率化；各阶段 利用技术的先进性和效率的提高；需求的平衡和能源的供给、消耗系统的改善等。上所 说内容的实质是热技术， 当分析各项技术时， 我们将发现， 换热技术是关键工艺之一 [1] 。 2.1.1 板式换热器的概述 板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成， 包括传热半片、 密封 垫片、压紧板、 上下导杆、 支柱、 夹紧螺栓等主要零件。 各种半片之间形成薄矩形通道， 通过半片进行热量交换。它与常规的管壳式换热器相比，在相同的流动阻力下，其传热 系数要高出很多 [2] 。 板式换热器的形式主要有可拆卸式和焊接式两大类，板片形式主要有人字形波纹 第 3 页 共 32 页 常州大学本科生毕业设计（论文） 板、水平平直波纹板和瘤形板片三种。 板式换热器主要由框架和板片两大部分所组成 2.1.2 国内外研究现状和发展的新趋势 近些年板式换热器主要研究方向之一是创新板型以及研究板型的几何参数对换热 及流动的影响。 Muley和 Manglik 通过实验分析了多种板式换热器的数据， 得到了一系列 传热及流阻的综合关系式。 Mir-Akbar Hessami通过两种板片从层流到紊流区的实验， 在 不改变波纹高度和波纹距离的条件下， 比较了60°和45 °的波纹， 指出对于 60°波纹人 字形板片的努谢尔数和摩擦系数是 45°的2倍左右。 Kwan-Soo Lee，Woo-Swung Kim 等人实验研究了板式换热器板片之间镶锥形圆钉增 强扰动强化传热方法，得到镶嵌圆钉的横向距离、纵向距离、圆钉高度和锥角是影响传 热性能的重要的因素，通过一系列分析研究最后得到影响参数之间的优化方案。 限制板式换热器使用的一个主要的因素是它的流动阻力较大。 对于板式换热器的阻力 特性和压力分析问题， Reinhard Wurfel ，Nikolai Ostrowski 进行了较细致的研究， 说明了 影响板式换热器性能的根本原因之一是变负荷及波纹板几何参数的影响。 除了对板式换 热器在高雷诺数范围内传热与阻力性能的研究， 还有一些学者对板式换热器在低雷诺数 范围内传热与阻力性能进行了探索及实验。 Muley 在低雷诺数状态下，对水—水和水— 蔬菜油介质板式换热器进行了阻力实验，分析了不同波纹倾角板片参数对流阻的影响。 Yasa Eslamoglu等人对空气流过水平平直波纹板进行实验，测试不同流道高度对传热与 阻力的影响，发现努谢尔数随着流道高度的增加而增大，但摩擦系数也会增加，实验表 明小间距流道传热效果好。 Reinhared Wiirful 等人对波纹板式换热器蒸汽冷凝性能进行了实验研究，在完全凝 结工况下研究了不同板片结构、不同负荷及波纹倾角对换热和流阻的影响。 板式换热器中流体的分布不均匀是影响板式换热器性能的一个重要的因素。 B．Prabhakara Rao 等人对板式换热器中不均匀流动做了分析研究。研究表明，在板式换热器流道中流 速相等的假设与实验情况有很大出入。他们在实验基础上考虑了非均匀流动分布因素， 建立了新的传热与流动阻力公式，其结果与实验吻合较好 [3] 。 近几年板式换热器从技术上，结构上有了更大的突破和改进，主要有： (1)不等通道面积板式换热器 这种板式换热可使流体流量在不相同情况下操作， 以使其通过板问的流速相近或相 等，其横截面积比至少可达 2 ：1。 (2)大间隙扳式换热器 含纤维和粗大颗粒的流体， 在普通的板式换热器内很容易堵塞。 高粘度的流体在板 间通流阻力也很大。通过加大换热板间的间隙，可以使以上问题得到顺利解决。产品通 道的间隙可达 16mm，板的形状可使换热器达到高紊流性和高传热效率。 (3)双壁板式换热器 双壁板式换热器适用于两种换热器介质互混后会发生有害反应的情况， 以双板代替 了一般介干两种介质问的单板。 组装双板所形成的通道用密封胶垫密封。 双板之上穿孔 第 4 页 共 32 页 常州大学本科生毕业设计（论文） 会使介质漏到板问，从而从板间中流出，以使人们发现后及时修理及更换，保证两种介 质无法互混。 (4)双板焊接 (全焊接 )式板式换热器 石化工业中的许多产品对橡胶材质是具有侵蚀性的， 一般不可能采用橡胶垫片的蕴 式换热 焊接式板式换热器采用全焊接或双板焊接的结构，泄漏一般不易发生。 (5)石墨板式换热器 石墨板式换热器是因某些介质对稀有金属或舍金腐蚀性太强而研制出来的产品， 传 热板是由石墨和氟塑料配制的原料模压而成， 并装配上由防腐材料制造成的薄平垫片。 石 墨板防腐性和传热性能好。且热膨胀小，在高温和高压下不发生塑性变形。 (6)不粘结垫片板式换热器 此种板式换热器的密封垫片与板片的连接， 不用粘结剂粘结。 加垫片时直接将垫片 塞到有关结构处 a 这使换垫片的操作简化，全部操作可就地进行，不用将板从框架上拿 下来，因此会降低维修费用并缩短停产时间 [4] 。 板式换热器仍存在的问题： (1)传热系数增大，可使传热效果增加，但通常增大 K ，流动阻力也增加，这将使运 行费用增加，传热系数与压降之间的优选问题尚待解决 (2) 目前，国内各厂生产的板式换热器规格尚不统一，要制定统一的标准 (3)在各工作所承受的压力下，满足强度要求的板材强度还不能准确计算，尚要逐步研究， 以节省材料消耗 (4)利用全镀覆耐蚀金属的碳钢板代替台金钢板以降低生产所带来的成本，是要解决的问 题。目前已有这方面的研究成果，但尚未实现工业应用 (5)冷凝型板式换热器尚需开发。 (6)耐温、耐压并可经常使用的密封垫片尚需进一步开发 (7)开发适于恶劣环境的新型板式换热器。 (8)开发板式换热器的优化设计程序 [4] 作为一种高效紧凑式换热器，在加热、冷却、冷凝、蒸发和热回收过程中，除了高温、 高压和特殊介质条件外， 板式换热器均已替代管壳式换热器。 经试验证明在板式换热器 适合使用的范围内，绝大多数工况时，用不锈钢板式换热器比一般碳钢换热器投资低，而且可 以预见板式换热器与管壳式换热器的竞争会更激烈。 板式换热器今后的发展的新趋势是：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。 2.1.3 板式换热器的优点 (1)结构紧密相连板式换熟器所占的空间是目前各种换热器较小的一种。 (2)传热系统高由于板片组中流动的介质在较低雷诺数 (Re)时, 就能形成涡流 , 而且 光滑的板片上不易生成污垢 , 因此有非常高的传热效率。 (3)热回收率高由于传热系数高 , 流量比特性优异 , 加上完全逆向流动 , 传热温差可 第 5 页 共 32 页 常州大学本科生毕业设计（论文） 以选用得很低 , 因此非常适合于低位能热量的回收。 (4)适应性大可拆式和半焊式板式换热器具有无与伦比的适应性。 (5)介质不混合不泄漏板式换热器垫片系统设计优良 , 是保证在正常运作条件下不 漏入大气 , 亦不相互混合的主要的因素。 (6)节省投资板式换热器由于结构紧密相连、重量轻 , 传热效率高 , 单位占用面及耗费金 属低 , 减少了维修费用 , 建筑费用等 [5] 。 2.1.4 板式换热器的缺点 (1)工件压力在 2. 5Mpa 以下板式换热器是靠垫片密封的 ,密封周边很长 , 而且角孔 的两道密封处的支承情况较差 , 垫片得不到足够的压紧力。 (2)工作时候的温度在 250℃以下板式换热器的工作时候的温度决定于密封垫片能承受的温度。用 橡胶弹性垫片时 , 最高工作时候的温度在 200℃以下 ; 用压缩心棉绒垫片 (Csf) 时, 最高工作温 度为 250～260℃。由于压缩心棉绒垫片的弹性差 , 所以工作压力较用橡胶垫片低。 (3)不易于进行易堵塞通道的介质的换热板式换热器的板间通道很窄 , 一般为 3～ 5mm, 当换热介质中含有较大的固体颗粒或纤维物质时 , 就容易堵塞板间通道。对这种 换热场合 , 应考虑在入口装设过滤器 , 或采用再生冷却系统 [6] 。 2.1.5 板式换热器的基本结构 板式换热器主要由框架和板片两大部分组成。 板片由各种材料的制成的薄板用各种不同形式的磨具压成形状各异的波纹， 并在板 片的四个角上开有角孔，用于介质的流道。板片的周边及角孔处用橡胶垫片加以密封。 框架由固定压紧板、活动压紧板、上下导杆和夹紧螺栓等构成。 板式换热器是将板片以叠加的形式装在固定压紧板、 活动压紧板中间， 然后用夹紧螺栓 [7] 夹紧而成，如图 1 。 第 6 页 共 32 页 常州大学本科生毕业设计（论文） 图 1. 板式换热器基本结构 2.1.6 板式换热器的应用场合 a.制冷：用作冷凝器和蒸发器。 b. 暖通空调：配合锅炉使用的中间换热器、高层建筑中间换热器等。 c. 化学工业：纯碱工业，合成氨，酒精发酵，树脂合成冷却等。 d. 冶金工业：铝酸盐母液加热或冷却，炼钢工艺冷却等。 e. 机械工业：各种淬火液冷却，减速器润滑油冷却等。 f. 电力工业：高压变压器油冷却，发电机轴承油冷却等。 g. 造纸工业：漂白工艺热回收，加热洗浆液等。 h. 纺织工业：粘胶丝碱水溶液冷却，沸腾硝化纤维冷却等。 i. 食品工业：果汁灭菌冷却，动植物油加热冷却等。 j. 油脂工艺：皂基常压干燥，加热或冷却各种工艺用液。 k. 集中供热：热电厂废热区域供暖，加热洗澡用水。 l. 其他：石油、医药、船舶、海水淡化、地热利用。 板型选择： 板片型式或波纹式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。根据流体压力和温度的情况，确定选择 可拆卸式，还是钎焊式。 确定板型时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，对较大的换热器更应注意这个问题。 流程和流道的选择： 流程指板式换热器内一种介质同一流动方向的一组并联流道， 而流道指板式换热器 第 7 页 共 32 页 常州大学本科生毕业设计（论文） 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费那 个是连接起来，以形成冷、热介质通道的不同组合。 流程组合形式应根据换热和流体阻力计算，在满足工艺条件要求下确定。尽量使冷、热 水流道内的对流换热系数相等或接近， 从而得到最佳的传热效果。 因为在传热表面两侧 对流换热系数相等或接近时传热系数获得较大值。 虽然板式换热器各板间流速不等， 但 在换热和流体阻力计算时，仍以平均流速进行计算。由于“ U ”形单流程的接管都固定 在压紧板上，拆装方便 [8] 。 压降校核： 在板式换热器的设计选型使，一般对压降有一定的要求，所以应对其进行校核。 2.2 板式换热器 常见故障 外漏： 主要表现为渗漏 (量不大，水滴不连续 ) 和泄漏 (量较大，水滴连续 )。外漏出现的主 要部位为板片与板片之间的密封处、 板片二道密封泄漏槽部位以及端部板片与压紧板内 侧。 串液： 主要特征为压力较高一侧的介质串入压力较低一侧的介质中， 系统中会出现压力和 温度的异常。如果介质具有腐蚀性，还可能导致管路中其它设备的腐蚀。串液通常发生 在导流区域或者二道密封区域处。 压降大： 介质进、出口压降超过设计要求，甚至高出设计值许多倍，严重影响系统对流量和 温度的要求。 在供暖系统中， 若热侧压降过大， 则一次侧流量将严重不足， 即热源不够， 导致二次侧出温度不能满足要求。 供热温度不能 满足要求： [9] 主要特征是出口温度偏低，达不到设计要求 。 2.3 原因分析及 处理方法 外漏： a 产生原因 ①夹紧尺寸不到位、各处尺寸不均匀 (各处尺寸偏差不应大于 3 mm)或夹紧螺栓松动。 ② 部分密封垫脱离密封槽，密封垫主密封面有脏物，密封垫损坏或垫片老化。 ③ 板片发生变形，组装错位引起跑垫。 ④在板片密封槽部位或二道密封区域有裂纹。实例：北京、青海和新疆等地的多个热力 第 8 页 共 32 页 常州大学本科生毕业设计（论文） 站均采用饱和蒸汽作为一次侧热源供暖， 由于蒸汽温度较高， 在设备运行初期系统不稳 定的情况下，橡胶密封垫在高温下失效，引起蒸汽外漏。 b 处理方法 ① 在无压状态，按制造厂提供的夹紧尺寸重新夹紧设备，尺寸应均匀一致，压紧尺寸 的偏差应不大于± 0．2N (mm)(N 。为板片总数 )，两压紧板间的平行度应保持在 2 mm 以 内。 ② 在外漏部位上做好标记，然后换热器解体逐一排查解决，重新装配或更换垫片和板 片。 ③ 将开换热器解体，对板片变形部位进行修理或者更换板片。在没有板片备件时可将 变形部位板片暂时拆除后重新组装使用。 ④ 重新组装拆开的板片时，应清洁板面，防止污物粘附着于垫片密封面。 串液： a 产生原因 ① 由于板材选择不当导致板片腐蚀产生裂纹或穿孔。 ② 操作条件不符合设计要求。 ③ 板片冷冲压成型后的残余应力和装配中夹紧尺寸过小造成应力腐蚀。 ④ 板片泄漏槽处有轻微渗漏，造成介质中有害物质 (如 C1)浓缩腐蚀板片，形成串液。 实例：某铝业有限公司硫酸系统中 1 台板片材料为 254 SMo 的 BR03 板式换热器， 在运 行 5 个月后出现冷却水侧碳钢接管腐蚀泄漏， 酸液泄漏到了冷却水侧。 检查发现板片酸 液进口处和导流区域有严重的腐蚀及开裂现象。现场分析发现，系统运行温度、流量和 浓度等工艺参数均超出设计条件， 使用温度远超出材料的适用范围。 采用饱和蒸汽作为 一次侧热源的板式换热器在运行过程中容易发生板片腐蚀，导致产品串液。这是 由于 蒸汽温度较高， 设备运行中很容易造成橡胶密封垫在高温下失效， 引起蒸汽外漏并在二 道密封区域急速冷凝。 随着外漏的不断进行， 冷凝残液越聚越多， 局部形成 cl 质量浓度 较高区域，达到破坏板片表面钝化层的腐蚀条件。同时，由于此区域板片冷冲压形成的 内部应力较大，在表面钝化层被破坏的情况下，内部应力作用导致应力腐蚀的发生。 b 处理方法 ① 更换有裂纹或穿孔板片，在现场用透光法查找板片裂纹。 ②调整运行参数，使其达到设计条件。 ③换热器维修组装时夹紧尺寸应符合要求，并不是越小越好。 ④ 板片材料合理匹配。 压降过大： a 产生原因 ①运行系统管路未进行正常吹洗，特别是新安装系统管路中许多脏物 (如焊渣等 )进入板 第 9 页 共 32 页 常州大学本科生毕业设计（论文） 式换热器的内部， 由于板式换热器流道截面积较窄， 换热器内的沉淀物和悬浮物聚集在 角孔处和导流区内，导致该处的流道面积大为减小，造成压力主要损失在此部位。 ②板式换热器首次选型时面积偏小，造成板间流速过高而压降偏大。 ③ 板式换热器运行一段时间后，因板片表面结垢引起压降过大。实例： 2000 年我厂为 提新疆用户提供了 BR10 型板式换热器，用于水一水换热的集中供热系统，一次供水设 计温度为 130°C。在换热器设计选型时，传热导数偏高，接近 5500w/(rn2 K) ，而实际 应在 3500w/(rn2 K) 。同时，设计单位在水泵选型时流量余量又偏大，造成换热器二次 侧介质板间流速超过 1m/s，实际运行压降在 0.2～0.3MPa，使得二次网水力平衡严重失 调。 b 处理方法 ① 清除换热器流道中的脏物或板片结垢，对于新运行的系统，根据实际情况每周清洗 一次。清洗板片表面水垢 (主要指 CaCO3。)时，选用含 0.3 氨基磺酸溶液或含 0.3 乌洛 托平、 0.2 苯胺、 0.1 硫氰酸钾的 0.8 硝酸溶液作为清洗液，清洗温度 40～60℃。不拆卸 设备化学浸泡清洗时，要打开换热器冷介质进、出口，或安装设备时在介质进、出口接 管上安装 DN25 清洗口，将配好的清洗液注入设备中， 浸泡后用清水清洗干净残留酸液， 使 pH≥7。拆开清洗时，将板片在清洗液中浸泡 30min，然后用软刷轻刷结垢，最后用 清水清洗干净。清洗过程中应避免损伤板片与橡胶垫。若采用不拆卸机械反冲洗方法， 应事先在介质进、出口管路上接一管口，将设备与机械清洗车连接，把清洗液按介质流 动的反方向注入设备，循环清洗时间 1O～ 15min，介质流速控制在 0.05～0.15 m/s。最 后再用清水循环几遍，使清水中 Cl 质量浓度控制在 25 mg/l 以下。 ② 二次循环水最好采用经过软化处理后的软水，一般要求水中悬浮物质量浓度不大于 5mg/L 、杂质直径不大于 3mm、pH ≥7。当水温不大于 95℃时， Ca、Mg 浓度应不大于 2 mmol/L ；当水温大于 95℃时， Ca、Mg 浓度应不大于 0.3 mmol/L 、溶解氧质量浓度应 不大于 0.1mg/L 。 ③对于集中供热系统，可以采用一次向二次补水的方法。 供热温度不能 满足要求： a 产生原因 ① 一次侧介质流量不足，导致热侧温差大，压降小。 ② 冷侧温度低，并且冷、热末端温度低。 ③ 并联运行的多台板式换热器流量分配不均。④换热器内部结垢严重。 b 处理方法 ① 增加热源的流量或加大热源介质管路直径。 ② 平衡并联运行的多台板式换热器的流量。 ③拆开板式换热器清洗板片表面结垢 [10] 。 第 10 页 共 32 页 常州大学本科生毕业设计（论文） 2.4 板式换热器 综述 主要控制参数 ： 板式换热器的主要控制参数单板换热面积、总换热面积、热水产量、换热量、传热系数 [11] K 、设计压力、工作压力、热媒参数等 。 2.5 性能特点 （1）传热系数高传热系数 K 值在 3000~8000W/(m2 2 K) 范围， 高于其它换热器型 式， 由 于不同的 波纹板 相互倒 置，构成 复杂的 流道，使 流体在 波纹板 间流道内 呈旋转 三维流动，能 在较低的雷诺数（一般 Re=50~200）下 产生紊流，所以传热系数高， 一般认为是管 壳式的 3~5倍。 （2）对数平均温差大，末端温差小在管壳式换热器 中，两种流体分别在管程和壳 程 内流动， 总体上 是错流 流动，对 数平均 温差修正 系数小 ，而板 式换热器 多是并 流 或逆流 流动方式 ，其修 正系数 也通常在 0.95 左右 ，此外 ，冷、 热流体在 板式换 热 器内的流 动平行 于换热 面、无旁 流，因 此使得板 式换热 器的末 端温差小 ，对水 换热可低于 1℃，而管壳式换 热器一般为 5℃ . （3）占地面积 小板式换热器结构紧凑 ，单位体积内的换热面积 为管壳式的 2~5倍， 也 不像管壳 式那样 要预留 抽出管束 的检修 场所，因 此实现 同样的 换热量， 板式换 热器占地面积 约为管壳式换热器的 1/5~1/8 。 （4）容易改变换热面积或流程组合，只要增加或减 少几张板，即可达到增加或减 少换热面积的 目的；改变板片 排列或更换几张板片 ，即可达到所要求的流程组 合， 适应新的换热 工况，而管壳式换热器的传热面 积几乎不可能增加。 （5） 重量轻 板式换 热器的 板片厚 度仅为 0.4~0.8mm ，而管壳 式换热 器的换 热管的 厚度为 2.0~2.5mm ，管壳式的壳体比板式换热 器的框架重得多，板式换热器一般只 有管壳式重量 的 1/5 左右。 （6） 价格低 采用相同 材料， 在相同换 热面积下 ，板式 换热器价 格比管壳 式约低 40%~60%。 （7）制作方便板式换热器的传热板是采 用冲压加工，标准化程度高，并可大批生 产，管壳式换 热器一般采用手工制作。 （8）容易清洗框架式板式换热器只要松 动压紧螺栓，即可松开板束，卸下板片进 行机械清洗， 这对需要经常清洗设备的换热过 程十分方便。 （9）热损失小 板式换热器只有传热板的外壳 板暴露在大气中，因此散热损失可以 忽略不计，也 不需要保温措施。而管壳式换热 器热损失大，需要隔热层。 （10）容量较 小是管壳式换热器的 10%~20%。 第 11 页 共 32 页 常州大学本科生毕业设计（论文） （11）单位 长度的 压力损 失大由于 传热面 之间的间 隙较小 ，传热 面上有凹 凸，因 此比传统的光 滑管的压力损失大。 （12）不易 结垢由 于内部 充分湍动 ，所以 不易结垢 ，其结 垢系数 仅为管壳 式换热 器的 1/3~1/10. （13）工作 压力不 宜过大 ，介质温 度不宜 过高，有 可能泄 露板式 换热器采 用密封 垫 密封，工 作压力 一般不 宜超过 2.5MPa，介 质温度 应在低于 250 ℃以下， 否则有 可能泄露。 （14）易堵塞由于板片间 通道很窄，一般只有 2~5mm，当换热介 质含有较大颗粒或 纤维物质时， 容易堵塞板间通道 [12] 。 2.6 产品选用要 点 1. 板式换热器选用控制参数为换热器材质、工作压力、设计温度等。 2. 选用换热器时， 应尽量使换热系数小的一侧得到大的流速， 并且尽量使两流体换热面 两侧的换热系数相等或相近， 提高传热系数。 经换热器加热的流体温度应比换热器出口 压力下的饱和温度低 10℃，且应低于二次水所用水泵的工作时候的温度。 3. 含有泥沙脏物的流体宜经过过滤后进入换热器。 4. 选用板式换热器时， 温差较小侧流体的接口处流速不宜过大， 应能满足压力降的要求。 5. 对于流量大允许压力降小的情况应选用阻力小的板型，反之，选用阻力大的板型。 6. 根据流体压力和温度情况选用可拆卸式或电焊式。 7. 不宜选用单板面积太小的板片，以免板片数量过多，板间流速偏小，降低传热系数。 [13] 8. 板式换热器的换热介质不宜为蒸汽 。 2.7 施工、安装 要点 1. 换热器不应有变形，紧固件不应有松动或其它机械损伤。 2. 设备吊装时，吊绳不得挂在接管、定位横梁或板片上。 3. 换热器周围预留足够空间，以便于检修。 4. 冷热介质进出口接管安装，应按照出厂铭牌所规定方向连接。 5. 连接换热器的管道应进行清洗，防止砂石焊渣等杂物进入换热器，造成堵塞。 6. 换热器应以最大工作所承受的压力的 1.5倍做水压试验，蒸汽部分应不低于蒸汽供汽压力加 [14] 0.3MPa；热水部分应不低于 0.4MPa 。 第 12 页 共 32 页 常州大学本科生毕业设计（论文） 2.8 执行标准 产品标准 GB16409-1996 《板式换热器》 工 程 标 准 GB50242-2002 《建筑 给 水 排 水 及 采 暖 工 程 施 工 质 量 验 收 规 范 》 CJJ28-2004 《城镇供热管网工程施工及验收规范》 [15] 第 13 页 共 32 页 常州大学本科生毕业设计（论文） 3. 板式换热器的结构设计与强度校核 设计的具体方案 3.1 设计的工艺条件 （1）已知的工艺参数： 2 传热系数 (W/m K ) 40 流体名称 烟气 废气 进口温度（ ℃ ） 250 60 出口温度（ ℃ ） 128 174 （2 ）已知两流体的工艺参数 烟气 t1 =250℃ L1 5 5 3 1 6Nm 3 / h t 1 ′= ？℃ 空气 t2 = 60℃ L2 5 5 2 8 3Nm 3 / h t2 ′= 174℃ 3.2 设计计算 （1）计算热负荷和两流体的实际流速 散热量： ΔQ≈ （5~ 10）%Q （现在取10%） 1 Q = 1.1QT 1 Q = ( t1 - t1 ′) 3 3 L = (250-t1 ′)3 0.333 55316 1 1 1 1.1QT =1.1 (t2 ′- t2) 3 2 3 L 2 =1.13 552833 0.323 （174-60） 已知量代入上式得： t 1 ′ 128 C （2 ）确定两流体的物性数据 第 14 页 共 32 页 常州大学本科生毕业设计（论文） 250 128 烟气的定性温度为： t 1 189 C 2 60 174 空气的定性温度为： t 2 117 C 2 烟气的导热系数： λ1 = 0.33( kcal N m 3 ) 空气的导热系数： λ2 = 0.32 (kcal N m 3 ) （3 ）计算两流体的平均传热温差 对数平均温度差： (t 1 t 2 ) ( t 1 t 2 ) t m 71 .9 C t 1 t 2 ln t 1 t 2 （4 ）初定换热器型号 2 初选板型为长 1.2m 宽 0.8m 换热面积为 1m 的换热板。 流程组合：错流 f ( R , P ) t 1 t 1 R 1 .07 t 2 t 2 t 2 t 2 P 0 .6 t1 t 2 查化工原理书 P-R 表得， 0 . 93 现在 K 40(W/m 2 K ) 34kcal/m 2 K h 由于采用错流， K 值取 0.85K 故： Q 2 传热面积： A o 886 .6 m 0 .85 K t m A 1.1Ao 975 .26 m 2 (1.1 为工程放大系数 ) 有关工艺参数如下： 2 换热面积 A 975 .26 m 第 15 页 共 32 页 常州大学本科生毕业设计（论文） 单板换热面积 So 0 .42 m 2 A 换热板数 n 2 3 2 2 片 S o （故烟气侧通道数 n1 为 1161，空气侧通道数 n2 为 1161） 设两流体板间流速为 u1 12 m / s ： 已知 板宽度 b 0 .32 m ；板长度 a=1.2m 烟气通道板间距离： 假设取 u1 12 m / s L1 1 3 .7 mm 273 bu 1 t 273 空气通道板间距离： 假设取 u

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