小型家用板式換熱器設計

【摘要】：本文為小型家用板式換熱器設計，主要用于冬季家庭用水的即使加熱。進行了板式換熱器的熱力計算和阻力計算，在滿足了校核條件下，設計了板式換熱器的基本結構。

【關鍵詞】：板式換熱器 結構設計 校核 家用

1.國內外研究現狀

板式換熱器1878年起源出現在德國，大量的學者通過Ansys、Flunt等模擬軟件對流體的流動進行模擬實驗。國內的板式換熱器研究相對較晚，制造水品有限，應用也不如國外普遍。不過經過不斷地努力，我國的研究水平也已經大大縮短了與國外的差距。發展到現在，無論從板式換熱器技術還是制造方面，我國的水平都已經邁入國際領先水平。

2.本課題研究內容

隨著生活水平的提高，人們開始追求更高的生活質量。在冬季來臨之時，刺骨的自來水讓很多人在洗菜、洗手感到苦惱，人們現在大多使用太陽能或者熱水器進行對涼水的加熱，但是或者局限于天氣情況，或者要用電來進行加熱。

本課題主要是設計一種小型的板式換熱器，是一種即熱的換熱設備。不同于傳統的儲蓄式換熱器需要等待熱水加熱，而是隨時打開閥門就可以使用熱水，不過由于是即熱式所以換熱溫度有限，只能用于家庭冬季洗手、洗衣服，廚房洗碗等。連接在暖氣通路中，使用暖氣管道中的熱水加熱冷水后供日常生活使用，不用電、不用燃氣的熱水器，節能環保。

3.工藝條件

本次板式換熱器設計的工藝條件如下：

冷卻水：流量2160kg/h;進口溫度80℃;出口溫度70℃;進口壓力0.8MPa

加熱水：流量1080kg/h;進口溫度10℃;出口溫度30℃;進口壓力0.8MPa

單板換熱面積：0.016m2，單通道橫截面積：0.0004m2，波紋形式：人字形，墊片材料：丁腈橡膠，換熱介質：水與水，板片材料：304不銹鋼

4.熱力計算

冷卻水：定性溫度，c1=4.186 kJ/（kg·℃）， μ1=3.7×10-4 Pa·s ?， λ1=0.67 W/m·k ? ， q1=0.6 kg/s，Pr1=2.38 ?， ρ1=1000 kg/m3

加熱水：定性溫度，c2=4.186 kJ/（kg·℃），μ2=1×10-3 Pa·s ，λ2=0.60W/m·k，q2=0.3 kg/s，Pr2=7.02， ρ2=1000 kg/m3

總傳熱量

取N=16，與設計方案一致。所以，選擇方案合理。

根據文獻【5】公式計算冷卻水側和加熱水側總壓降為219.74Pa允許壓降為0.1MPa，所以設計合理。

5.結構設計

導桿長度

式中s0—板片厚度，mm，s1—壓緊板厚度，mm，s2—中間隔板厚度，mm，s3—墊片名義厚度，mm， n1—中間隔板數量，Np—板片總數

經強度校核后得出，導桿所受應力為106MPa，小于304不銹鋼在常溫下的許用應力137MPa，故滿足強度滿足要求。

夾緊螺柱直徑選擇d=10mm，由GB/T41選擇六角螺母M10，墊片M10，查得螺母厚度m=9mm，墊片厚度s=2mm，內徑Di=10.5mm，外徑Do=20mm，長度L2=177mm。

壓緊板厚度選擇為25mm，由于選擇的是活動壓緊板落地式結構，所以兩側壓緊板結構相同，厚度都為25mm。

壓緊板兩側開有10個螺栓孔用來安裝夾緊螺栓，螺栓孔均勻布置，向下傾斜15°，便于安裝。上端和下端均開有小孔，用來安裝定位上、下導桿。在開孔上焊有兩個接管并連接接管法蘭，作為介質的進出口。

根據文獻【7】查得：DN=20mm，PN=1.0MPa，查得法蘭外徑Do=105mm，螺栓孔中心圓直徑K=75mm，螺栓孔徑L=14mm，螺栓數量n=4，螺紋規格M12，法蘭厚度C=16mm，密封面D=55mm，f=2mm，Di=26mm，法蘭重量0.75kg。

根據文獻【8】，對于公稱直徑在10-100mm范圍內的接管，外伸長度l≧150 mm。所以取l=150 mm。法蘭形式為平焊法蘭。

換熱器密封選擇為雙流道密封形式，如圖在兩道密封之間設有信號孔，墊片黏貼在墊片槽中。根據兩側介質的溫度，墊片材料選用為丁腈橡膠。其最高使用溫度為-20-135℃，符合本設計的要求。墊片的厚度選擇為5mm。

板片的外形尺寸為：300×100×0.7，即板片的長度為300mm，寬度為100mm，厚度為0.7mm，結構為人字形波紋板。

本次的設計板片為：波紋深度為4.5mm;波紋節距為15mm;波紋傾角為60°，即人字形波紋夾角為120°;角孔直徑為20mm;角孔中心尺寸為260mm×60mm。導流區結構為十字交叉網格結構，波紋深度取板片總體波紋深度的一半，設計為凸、凹相間結構。圖片如下：

6.總結

本次設計的是小型家用板式換熱器。主要用于冬季家庭用水的加熱，可安裝在有暖氣的廚房或者衛生間內。該換熱器工作條件為水—水換熱。

本次設計的小型家用板式換熱器是一個貼近人們生活的設備，可以提高人們的生活質量。在冬季可以不費電、不費氣的完成對涼水的加熱。

【參考文獻】：

【1】楊崇麟. 板式換熱器工程設計手冊[M]. 北京： 機械工業出版社， 1998.

【2】黃蕾， 孟文俊等. 板式熱交換器的應用現狀及研究進展[J]. 石油和化工設備， 2015，15（9）：28-31.

【3】張曉峰. 淺談板式換熱器[J]. 科技情報開發與經濟， 2009，19（10）：222-224.

【4】濮良貴，紀名剛. 機械設計[M]. 北京：高等教育出版社，2001.

【5】中國石化集團上海工程有限公司. 化工工藝設計手冊（第4版）（下）（精）[M]. 化學工業出版社， 2012.

【6】GB150-2011， 壓力容器[S].

【7】GB/T81-1994， 凸面板式平焊鋼制管法蘭[S].

【8】HG_T20583-2011， 鋼制化工容器結構設計規定[S].

作者簡介：蔡國明 ?1993.7.17 男 漢族 山東濰坊 本科 無 ?機械設計