板翅式换热器-课程设计

平直翅片特点是有很 长的带光滑壁的长方 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。

tanh( Pb ) Pb
其中：
P 2 '
'
1 1
f

r
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最大距 离，通道中的传热具有对称性时，在计算时可根据 下图来确定。
冷通道 热通道 冷通道
-隔板厚度，m
(3)给热系数的计算
1）流体无相变时的给热系数 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最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：
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 定理求出： PL
cp
tanh " ' 2 2 PL 2
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：


cp " '
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，可精确控制介质温度。
结构紧凑
传热面积密度可高达17300 m2/m3，一般为管 壳式换热器的6-10倍，最大可达几十倍。
应用领域
2
3 4 5
-253~-196 氢气液化分离
-196~-162 空气分离 -162~常温 乙烯精制、丙烯液化、氟里昂冷冻 车船散热器、冷却器、油冷器、空冷器、 常温~150 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 各种温度 某些化工及石油化工用换热器 100~500 核电厂反应堆用换热器（前景较好） 航天、航空及电子工业用的特殊换热器、 特殊用途 化学反应及精馏等(主要是微槽道换热器)
L
热通道 冷通道1 冷通道2 热通道
L1
冷热通 道间隔
热通道 冷通道1 冷通道2 冷通道3 热通道
b
L 2
两个热通道之间 隔两个冷通道 两个热通道 之间隔三个 冷通道
b1 L 1
b2
b1 L 1
b2 L2
L1
L2
L1 L 2 L 3 2
L3
b3 L3
L2
1）表面效率
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。
§ 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）公司首次开发出铜及铜合金 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，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，制成了第一套板翅式空分设备。 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。
-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，两端温度最高等 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。
y
δ
h
x
(1)当量直径 d
de
e
4 A' U

4 xy 2( x y )

2 xy x y
(2)通道横截面积A
对于每层单元，通道的横截面积为 芯体的n层通道的横截面积为
A i xy
B s
B s
,m2
A nA i nxy
,m2
(3)通道横截面积A
n层通道的一次传热面积
F1

（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 JC 锯齿翅片 DK 多孔翅片 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
6 7
8
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
工程机械风冷式油换热器
风冷式气冷却器
冷凝蒸发器
机车风冷式油换热器
空分主换热器
压缩机风冷式油、气换热器
§ 3-2 板翅式换热器的结构
1 基本结构
板翅式换热器由芯体、封头、接管和支座组成。
热交换由芯体完成，因此最关键的部件是芯体。 芯体由翅片、隔板、封条和导流片组成。
2
f

PL tanh 2 PL 2
上式中
tanh(
PL 2
) 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 Leabharlann Baidu " ， 并用定性尺寸表示，翅片效率 f 可以表示为：
0

f

cp 0
Q F 0 0 ( t w T )
0
F1 F 2 F0
f
F e F 0 0 F1 F 2
F1 F 2 F 2 F 2 F0
f
f
1
F2 F0
(1 f )
又因： 因此： 所以：
F 2 F 0 F1 F 0
x x y
板翅式换热器结构图
2 翅片作用及类型
（1）作用
翅片是板翅式换热器最基本的元件，传热主要是 依靠翅片来完成，一部分直接由隔板来完成。 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。
（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。
F0
F2 F0
1
x x y
y x y

y x y
0 1
(1 f )
由于F
2
/ F0总是小于1，所以表面效率 0 总是大于
翅片效率 f 。同理，翅片效率 f 越高，则表面效率
0 也越大。
(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。
错逆流
§ 3-3 板翅式换热器的设计计算
1 几何尺寸计算

Le B
s
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----翅片内距x=s- ，m； y----翅片内高y=h- ，m
f l'
dx
2
dx
同时这段翅片与流体之间通过对流传热得到的 热量为：
2 ' l ' dx ( t T )
在假设传热过程稳定的前提下，有如下等式成立：
f l'
d t dx
2 2
dx 2 ' l ' dx ( t T )
解微分 方程
sinh( PL )

" sinh( Px ) ' sinh[ P ( L x )]
通过二次传热面的热量 ：
Q 2 F 2 (t m T )
换算成 t w
tm T tw T
T
Q 2 F 2 f ( t w T )
翅片效率 ： f

可见，翅片效率就是二次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。
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 2 为： d t
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。
热流体的传热方程式为：
Q h h F oh oh (T h t w )
Th t w Qh
冷流体的传热方程式为：
Q c c F oc oc ( t w T c )
Q 在稳定传热情况下，
h
h F oh oh
Qc
t w Tc
c F oc oc
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）最外侧可布置空流道（绝热流道），从而最大 限度地减少整个换热器与周围环境的热交换。
Kc

1
c oc

F oh F oc
rh rc
Fh Fc

Fh F0
1 1
c oc

1
h oh

F oc F oh
rc r h
Fc Fh

Fc F0
r 式中：c -冷流体的污垢热阻，m2•K/W r h -热流体的污垢热阻，m2•K/W
-隔板的导热系数，W/m•K

1
h oh

F oc F oh
(
1 1
c

F ec
h F eh oc
)
1
式中：
K h -对应于热流体通道的总传热系数，W/m2•K K c -对应于冷流体通道的总传热系数，W/m2•K
前两式中忽略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：
K
h
1
1
h oh
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：
Q F1 ( t w T ) F 2 f ( t w T )
可以设想这样一个传热面 F0 F 1 F2 和综合的表 面效率 0 ，板翅式换热器的总传热方程式可以写成：
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(℃) 1 -269~-253 氦气液化分离
Q c Q ，将上两式相加得：
Th Tc Q (
1
h F o h o h

1
c F o c o c
)
所以：
Kh
1 1
h oh

1
c oc

F oh F oc
(
1 1
h

F ec
c F eh oh
)
1
同理得：
Kc 1 1
c oc
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
x x y
y
F ,m2
F ,m2
n层通道的二次传热面积 F n层通道的总传热面积
F
2
x y 2 ( x y ) BL e n
s
,m2
2 传热设计计算
(1) 翅片效率和表面效率
1）翅片效率 取一个翅片间距的微小单元进行分析 ：
dx
δ
x
l'
x
o
T
tw t
通过一次传热面的热量
Q2 Q1
Q 1 F1 ( t w T )