USST_Arts_117060177 板式换热器混装的热工与阻力性能研究

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3.0 牛悦 2024-11-11 4 4 4.49MB 70 页 15积分

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摘要

板式换热器作为一种高效的换热器，在节能方面有着突出的贡献。从过去的

实践过程中发现，只由同一种波纹板片组成的板式换热器已经不能满足各种换热

场合的不同需求。为此，瑞典的 Alfa-Laval 公司提出了“热混合”组装的新概念，简

称混装。并且，这种新概念已经开始在市场中推广，采用混装的板式换热器可以

大幅度地节省换热面积，最多可节省 25%，使得成本大大降低。但是在板式换热

器混装中，传热系数和流动阻力难以确定，这是一个一直困扰大家的问题。若在

工程计算中无法确定传热系数和流动阻力，将对整个工程中的动力系统及其他设

备选型带来极大的难度。

本文首先介绍了板式换热器内流动与传热的机理，其中对流动阻力和传热系

数进行了着重描述。然后对测试试件的板式换热器热工性能测试平台以及实验原

理做了介绍。随后提出了板式换热器受涨侧和受压侧流动阻力合并为一个处理阻

降的概念，并且进行了理论推导。接着通过热工测试平台，对相同流道，不同混

装方式的板式换热器进行流动阻力和传热系数的测试，对所得的数据合理分析及

公式拟合，从中发现混装中板式换热器的流动阻力和传热系数的主要影响因素是

混合流道所占的比例。利用线性拟合的方法，寻找出了可以确定传热系数和流动

阻力的计算方法，从而解决了板式换热器混装中，传热系数和流动阻力难以确定

的难题，为工程计算带来了极大的帮助。

关键词：板式换热器热混合计算板式换热器实验平台流动阻力

传热系数

ABSTRACT

Plate heat exchanger, as a kind of efficient heat exchanger, has outstanding

contribution in energy saving. Found from the past process of practice, plate heat

exchanger composed of the same kind of corrugated plate has can't satisfy the

different needs of all kind of heat exchange. So, Alfa-Laval, a company from Sweden,

proposed the new concept of "heat mixture", referred to as “plate heat exchanger

mixture”. And, this new concept has begun to promote in the market. The plate heat

exchanger using new concept can greatly save heat exchange area, save up to 25%,

greatly reducing the cost. But in plate heat exchanger mixture, there is a problem that it

is difficult to calculate the heat transfer coefficient and flow pressure drop. The problem

brings great difficulties to the whole project of power systems and other equipment

selection.

First the article introduces the theory of flow and heat transfer in plate heat

exchanger. In the theory, pressure drop and heat transfer coefficient were described

emphatically. After that, test platform of plate heat exchanger and principle of test is

presented. Then the conception is raised that a mixed pressure of plate heat exchanger is

calculated by the pressure of expand and condense. And also the mixed pressure is

testified by the theoretical derivation. Through the test platform of plate heat exchanger,

we conducted many experiments in different ways of mixture. So we gained much data

about pressure drop and heat transfer coefficient. We analyses the data and fits formula

for the data, discovering the pressure drop and heat transfer coefficient of mixed plate

heat exchanger is mainly affected by the proportion of the mixed channel. By the linear

fitting method, we find out the formula of heat transfer coefficient and pressure drop,

solving the problem of calculating heat transfer coefficient and pressure drop in plate

heat exchanger mixture. It does good to calculation of engineering.

Key words: Plate Heat Exchanger, Thermal Mixing Calculation, Test

Platform of Plate Heat Exchanger, Pressure Drop, Heat Transfer

Coefficient

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ...............................................................................................................1

1.1 板式换热器简介 ...............................................................................................1

1.1.1 板式换热器的构造及特点 ........................................................................ 1

1.1.2 板式换热器的流程组合 ............................................................................ 3

1.2 目前的国内外先进水平 ......................................................................................5

1.3 课题背景及研究意义 ..........................................................................................6

第二章板式换热器内流动与传热机理 .........................................................................8

2.1 流动与传热过程 ..................................................................................................8

2.1.1 流动状态及流态 ........................................................................................ 8

2.1.2 传热过程 .................................................................................................... 8

2.2 传热计算 ..............................................................................................................9

2.2.1 确定总传热系数的途径 ............................................................................ 9

2.2.2 总传热系数的计算 .................................................................................... 9

2.2.3 传热系数计算 .......................................................................................... 11

2.2.4 垢阻的确定 .............................................................................................. 12

2.2.5 换热面积计算 .......................................................................................... 12

2.3 板式换热器的流动阻力计算 ............................................................................13

2.3.1 流阻的构成 .............................................................................................. 13

2.3.2 流阻计算 .................................................................................................. 14

第三章板式换热器的试验研究 ...................................................................................16

3.1 板式换热器试验平台的试验原理和方法 .......................................................16

3.1.1 等雷诺数法在板式换热器传热试验中的应用原理 ............................. 16

3.1.2 实验方法 ................................................................................................. 17

3.2 板式换热器试验平台的设计 ...........................................................................17

3.3 实验条件 ...........................................................................................................19

3.4 编制组态王程序 ...............................................................................................19

3.5 测试仪表 ...........................................................................................................20

3.6 试验步骤 ...........................................................................................................20

3.6.1 启动系统 .................................................................................................. 20

3.6.2 采集数据 .................................................................................................. 22

3.6.3 关闭系统 .................................................................................................. 24

第四章数据处理的方法 ...............................................................................................26

4.1 一元线性回归 ............................................................................................ 26

4.2 一元线性回归的假设检验 ........................................................................ 29

第五章板式换热器混装中的流动阻力测试与分析 ...................................................33

5.1 板式换热器混装的简介 ....................................................................................33

5.2 受涨侧和受压侧流动阻力的合并 ....................................................................34

5.3 流动阻力测试与分析 ........................................................................................36

5.4 本章小结 ...........................................................................................................50

第六章板式换热器混装传热系数测试与分析 ...........................................................51

6.1 传热系数的测试与分析 ...................................................................................51

6.2 本章小结 ...........................................................................................................60

第七章结论与展望 .......................................................................................................62

7.1 全文工作总结 ....................................................................................................62

7.2 今后工作展望 ....................................................................................................62

参考文献 .........................................................................................................................63

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................67

一、论文 ........................................................................................................... 67

二、科研项目 ................................................................................................... 67

致谢 ...............................................................................................................................68

第一章绪论

1.1 板式换热器简介

板式换热器是在 19 世纪开始提出，到 20 世纪的二十至三十年代才正式在工

业上使用[1]。板式换热器于 1878 年发明于德国，并获得专利，至 1886 年法国

M.Malvazin 首次设计出沟道板板式换热器，并应用于葡萄酒的灭菌[2]。这种板式换

热器是从过滤器演变过来的，它是在较厚的金属板（约 2cm）以上铣出一定形状

的沟槽，装配时取两块有沟槽的板，中间夹一片薄板作为传热板，冷、热两种流

体分别在两块板中沿着铣出的沟槽流动。这种板片一般就称为“沟道式”板片。

这种沟道式板片的传热性能并不好，所以很快就被其它形式的板片所代替，

如平直波纹、人字形波纹、球形波纹等等。这些板片的波纹都能使流体在板间流

动时有强烈的扰动，往往可以在较小的雷诺数时就达到湍流流动；从而得到较高

的换热系数。而沟道板式板片中流体基本上是在一曲折的单一通道中流动，它的

扰动较小，换热也就不会很强[3]。

通过应用实践，人们加深了对板式换热器优越性的认识，现在板式换热器的

使用已遍及食品、酿造、化工机械、冶金、发电、交通运输等各个行业，并且能

与传统的管壳式换热器竞争。

我国是从 60 年代开始对板式换热器进行研究的，最早从事板式换热器的单位

有上海机械学院和兰州石油化工研究所[4]。上海机械学院的徐昂千教授对传热机理

进行了开创性的研究，兰州石油化工研究所则主要侧重制造工艺。70 年代开始，

上海有几家企业开始制造板式换热器，上海化工机械二厂主要生产用于化工行业

的板式换热器，上海饮料机械厂主要生产用于牛奶行业的板式换热器。80 年代我

国板式换热器得到较大的发展，除了用在食品、轻工、机械等部门以外，还进入

了民用建筑行业的集中供热和空调制冷领域，到了 2000 年，板式换热器的设计和

制造水平有了很大的提高，品种规格不断完善，应用范围不断拓宽。

1.1.1 板式换热器的构造及特点

1923 年，随着技术的不断推进，英国的 APV 公司已经有能力可以成批制造板

式换热器。在最初时，英国 APV 公司用很多铸造的青铜板片组合在一起，和板框

式压片机非常相似。随着时间的推移，到 1930 年以后，板式换热器才有不锈钢板

片或铜薄板压制而成，板片的周边用垫圈密封。从此，板式换热器的板片发生了

质的变化，从沟道板形式进入了薄板压制的时代，这为板式换热器的后续发展奠

定了基础[5]。

板式换热器混装的热工与阻力性能研究

图1-1 1890 年4月5日公布的德国 58504 号专利中的板式换热器

板式换热器的结构比较简单，它是由板片、固定压紧板、密封垫片、压紧螺

柱和螺母、前支柱、上下导杆、等零部件构成[6]，见图 1-2。其零部件品种之少、

通用性之高，是任何换热器所无法比拟的。

1. 夹紧螺栓 2. 固定压紧板 3. 法兰 4. 接管 5. 垫圈 6. 螺栓

7上横梁部件 8. 板片 9.密封圈 10. 滚轮架 11. 滚轮 12. 支架部件

13. 活动压紧板 14. 螺母 15.轴间垫圈 16.垫圈 17. 下横梁

图1-2 板式换热器结构

第一章绪论

板片为传热元件，垫片为密封元件，垫片粘贴在板片的垫片槽内。粘贴好垫

片的板片，按一定的顺序置于固定压紧板和活动压紧板之间，用压紧螺柱将固定

压紧板、板片、活动压紧板夹紧。板式换热器的框架包括有压紧板、导杆、压紧

装置、前支柱。按一定规律排列的所有板片，称为板束[7]。把板片压紧之后，由于

板片上有波纹存在，则相邻板片互相接触后产生触点，这使板片间保持一定的间

隙，从而形成流体流道[8]。换热介质从固定压紧板、活动压紧板上的接管中出入，

并相间地进入板片之间的流体通道，进行换热。

金属波纹板片是板式换热器最主要的换热元件。板片的结构是相当重要的，

板片结构会直接影响到板式换热器换换热效率的高低，同时也会对换热器中流体

流动阻力产生影响，当然板间流体的流型也是由板片结构决定的。水平平直波板

片和人字型波纹板片是目前工业中应用最为广泛的两种板型[9]，但是其他的板型比

如球形波纹板片和斜波纹板片在特殊场合也有他们的用武之地。衡量一个板片性

能的优劣，不能只是一味地追求换热效果好，同时还要保证其流体阻力不能太大，

阻力过大将直接影响到泵的选型，增加了能耗。当然承压承温能力也是板式换热

器的重要指标之一。人字型的波纹板片所构成的流道，流体在其中流动时变化相

当复杂，非常容易发生湍流，而平直波纹板片的流道结构变化相对比较平缓，所

以人字型波纹板片构成的板式换热器一般换热效果好、流动阻力大、承压能力好；

而水平平直波纹板，则换热效率、流动阻力、承压能力和前者相比都低一些[10]。

从目前所有的板片来看，人字型波纹板片是性能较好的一种。

1.1.2 板式换热器的流程组合

为了使流体在板束之间按一定的要求流动，所有板片的四角均按要求冲孔，垫片

按要求粘贴，然后有规律地排列起来，形成流体的通道，称为流程组合。流程组

合的表示方式为：

1 1 1 1 1 1

2 2 2 2 2 2

' ' '' ''

i i

m n m n m n

  

   

(1-2)

式中:

1 1 1 2 2 2

', '', , ', '',

i i

m m m m m m 

──从固定压紧板开始顺序为′，″，…i 热侧

及冷侧流道数相同的流程数；

1 1 1 2 2 2

', '', , ', '',

i i

n n n n n n 

──相应

1 1 1 2 2 2

', '', , ', '',

i i

m m m m m m 

一个流程内的流

道数

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摘要：

摘要板式换热器作为一种高效的换热器，在节能方面有着突出的贡献。从过去的实践过程中发现，只由同一种波纹板片组成的板式换热器已经不能满足各种换热场合的不同需求。为此，瑞典的Alfa-Laval公司提出了“热混合”组装的新概念，简称混装。并且，这种新概念已经开始在市场中推广，采用混装的板式换热器可以大幅度地节省换热面积，最多可节省25%，使得成本大大降低。但是在板式换热器混装中，传热系数和流动阻力难以确定，这是一个一直困扰大家的问题。若在工程计算中无法确定传热系数和流动阻力，将对整个工程中的动力系统及其他设备选型带来极大的难度。本文首先介绍了板式换热器内流动与传热的机理，其中对流动阻力和传热系数进行...

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