畢業設計（論文）前期材料一一過程裝備與控制工程畢業設計開題報告
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- 課題研究的意義，國內外研究現狀和發展趨勢
1.1課題研究的背景及意義
板式換熱器是由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成，包括傳熱半片、密封墊片、壓緊板、上下導桿、支柱、夾緊螺栓等主要零件。各種半片之間形成薄矩形通道，通過半片進行熱量交換。它與常規的管殼式換熱器相比，在相同的流動阻力下，其傳熱系數要高出很多。
板式換熱器的形式主要有可拆卸式和焊接式兩大類，板片形式主要有人字形波紋板、水平平直波紋板和瘤形板片三種。
板式換熱器主要由框架和板片兩大部分組成[1]。
板式換熱器的優點：
(1)結構緊湊板式換熟器所占的空間是目前各種換熱器較小的一種。
(2)傳熱系統高由于板片組中流動的介質在較低雷諾數(Re)時, 就能形成渦流, 而且光滑的板片上不易生成污垢, 因此有非常高的傳熱效率。
(3)熱回收率高由于傳熱系數高, 流量比特性優異, 加上完全逆向流動, 傳熱溫差可以選用得很低, 因此非常適合于低位能熱量的回收。
(4)適應性大可拆式和半焊式板式換熱器具有無與倫比的適應性。
(5)介質不混合不泄漏板式換熱器墊片系統設計優良, 是保證在正常運轉條件下不漏入大氣, 亦不相互混合的重要因素。
(6)節省投資板式換熱器由于結構緊湊、重量輕, 傳熱效率高, 單位占用面及耗費金屬低, 減少了維修費用, 建筑費用等。
缺點：
(1)工件壓力在2. 5Mpa 以下板式換熱器是靠墊片密封的,密封周邊很長, 而且角孔的兩道密封處的支承情況較差, 墊片得不到足夠的壓緊力。
(2)工作溫度在250℃以下板式換熱器的工作溫度決定于密封墊片能承受的溫度。用橡膠彈性墊片時, 最高工作溫度在200℃以下; 用壓縮心棉絨墊片(Csf)時, 最高工作溫度為250～260℃。由于壓縮心棉絨墊片的彈性差, 所以工作壓力較用橡膠墊片低。
(3)不易于進行易堵塞通道的介質的換熱板式換熱器的板間通道很窄, 一般為3～5mm, 當換熱介質中含有較大的固體顆粒或纖維物質時, 就容易堵塞板間通道。對這種換熱場合, 應考慮在入口裝設過濾器, 或采用再生冷卻系統[2]。
目前，板式換熱器設計、運行還是主要依靠實驗研究。早在132年前，德國發明了板式換熱器，直到1923年APV公司才開始成批生產鑄銅溝道板片的板式換熱器。1930年，研究出不銹鋼波紋板型板式換熱器，從此為現代板式換熱器奠定了基礎。
通過實驗研究和應用實驗表明，人字形的傳熱特性和流阻特性效果優良，所以近幾十年板式換熱器大都采用人字形板片。最具有代表性的實驗當屬W.W.Focke的實驗研究，他采用了有限擴散電流技術(DLCT)，通過類比關系得到人字形流通的傳熱速率。此研究確切地找出了板式換熱器波紋傾角對傳熱與阻力性能的定性關系。W.W.Focke的實驗也為板式換熱器的實驗指出了途徑[3]。
1.2國內外研究現狀和發展趨勢
近些年板式換熱器主要研究方向之一是創新板型以及研究板型的幾何參數對換熱及流動的影響。Muley和Manglik通過實驗分析了多種板式換熱器的數據，得到了一系列傳熱及流阻的綜合關系式。Mir-Akbar Hessami通過兩種板片從層流到紊流區的實驗，在不改變波紋高度和波紋距離的條件下，比較了6o。和45。的波紋，指出對于6O。波紋人字形板片的努謝爾數和摩擦系數是45。的2倍左右。
Kwan-Soo Lee，Woo-Swung Kim等人實驗研究了板式換熱器板片之間鑲錐形圓釘增強擾動強化傳熱方法，得到鑲嵌圓釘的橫向距離、縱向距離、圓釘高度和錐角是影響傳熱性能的主要因素，通過分析研究最后得到影響參數之間的優化方案。
限制板式換熱器使用的一個重要因素是它的流動阻力較大。對于板式換熱器的阻力特性和壓力分析問題，Reinhard Wurfel，Nikolai Ostrowski進行了較細致的研究，說明了影響板式換熱器性能的主要原因之一是變負荷及波紋板幾何參數的影響。除了對板式換熱器在高雷諾數范圍內傳熱與阻力性能的研究，還有一些學者對板式換熱器在低雷諾數范圍內傳熱與阻力性能進行了探索及實驗。Muley在低雷諾數狀態下，對水—水和水—蔬菜油介質板式換熱器進行了阻力實驗，分析了不同波紋傾角板片參數對流阻的影響。Yasa Eslamoglu等人對空氣流過水平平直波紋板進行實驗，測試不同流道高度對傳熱與阻力的影響，發現努謝爾數隨著流道高度的增加而增大，但摩擦系數也會增加，實驗表明小間距流道傳熱效果好。
Reinhared Wiirful等人對波紋板式換熱器蒸汽冷凝性能進行了實驗研究，在完全凝結工況下研究了不同板片結構、不同負荷及波紋傾角對換熱和流阻的影響。
板式換熱器中流體的分布不均勻是影響板式換熱器性能的一個主要因素。B．Prabhakara Rao等人對板式換熱器中不均勻流動做了分析研究。研究表明，在板式換熱器流道中流速相等的假設與實驗情況有很大出入。他們在實驗基礎上考慮了非均勻流動分布因素，建立了新的傳熱與流動阻力公式，其結果與實驗吻合較好[3]。
近幾年板式換熱器從技術上，結構上有了更大的突破和改進，主要有：
(1)不等通道面積板式換熱器
這種板式換熱可使流體流量在不相同情況下操作，以使其通過板問的流速相近或相
等，其橫截面積比至少可達2：1。
(2)大間隙扳式換熱器
含纖維和粗大顆粒的流體，在普通的板式換熱器內很容易堵塞。高粘度的流體在板間通流阻力也很大。通過加大換熱板間的間隙，可以使以上問題得到順利解決。產品通道的間隙可達16mm，板的形狀可使換熱器達到高紊流性和高傳熱效率。
(3)雙壁板式換熱器
雙壁板式換熱器適用于兩種換熱器介質互混后會發生有害反應的情況，以雙板代替了一般介干兩種介質問的單板。組裝雙板所形成的通道用密封膠墊密封。雙板之上穿孔會使介質漏到板問，從而從板間中流出，以使人們發現后及時修理及更換，保證兩種介質無法互混。
(4)雙板焊接(全焊接)式板式換熱器
石化工業中的許多產品對橡膠材質是具有侵蝕性的，一般不可能采用橡膠墊片的蘊式換熱 焊接式板式換熱器采用全焊接或雙板焊接的結構，泄漏一般不易發生。
(5)石墨板式換熱器
石墨板式換熱器是因某些介質對稀有金屬或舍金腐蝕性太強而研制出來的產品，傳熱板是由石墨和氟塑料配制的原料模壓而成，并裝配上由防腐材料制成的薄平墊片。石墨板防腐性和傳熱性能良好。且熱膨脹小，在高溫和高壓下不發生塑性變形。
(6)不粘結墊片板式換熱器
此種板式換熱器的密封墊片與板片的連接，不用粘結劑粘結。加墊片時直接將墊片塞到有關結構處a這使換墊片的操作簡化，全部操作可就地進行，不用將板從框架上拿下來，因此會降低維修費用并縮短停產時間[4]。
板式換熱器仍存在的問題：
(1)傳熱系數 增大，可使傳熱效果增加，但通常增大K，流動阻力也增加，這將使運行費用增加，傳熱系數與壓降之間的優選問題尚待解決
(2)目前，國內各廠生產的板式換熱器規格尚不統一，要制定統一的標準
(3)在各工作壓力下，滿足強度要求的板材強度還不能準確計算，尚要進一步研究，以節省材料消耗
(4)利用全鍍覆耐蝕金屬的碳鋼板代替臺金鋼板以降低生產成本，是需要解決的問題。目前已有這方面的研究成果，但尚未實現工業應用
(5)冷凝型板式換熱器尚需開發。
(6)耐溫、耐壓并可長期使用的密封墊片尚需進一步開發
(7)開發適于惡劣環境的新型板式換熱器。
(8)開發板式換熱器的優化設計程序[4]
作為一種高效緊湊式換熱器，在加熱、冷卻、冷凝、蒸發和熱回收過程中，除了高溫、高壓和特殊介質條件外，板式換熱器均已替代管殼式換熱器。經試驗證明在板式換熱器適用范圍內，絕大多數工況時，用不銹鋼板式換熱器比一般碳鋼換熱器投資低，而且可以預見板式換熱器與管殼式換熱器的競爭會更加激烈。 ...
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