小型家用板式換熱器設計

蔡國明 山東中煙工業(yè)有限責任公司青州卷煙 山東青州 262500

1.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

板式換熱器1878年起源出現(xiàn)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(nèi)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(jīng)過不斷地努力，我國的研究水平也已經(jīng)大大縮短了與國外的差距。發(fā)展到現(xiàn)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(jīng)邁入國際領先水平。

2.本課題研究內(nèi)容

隨著生活水平的提高，人們開始追求更高的生活質(zhì)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(xiàn)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(tǒng)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(jié)能環(huán)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(zhì)：水與水，板片材料：304不銹鋼

4.熱力計算

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

取N=16，與設計方案一致。所以，選擇方案合理。

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

5.結構設計

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(shù)量，Np—板片總數(shù)

經(jīng)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(nèi)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(cè)壓緊板結構相同，厚度都為25mm。

壓緊板兩側(cè)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(zhì)的進出口。

根據(jù)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(shù)量n=4，螺紋規(guī)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(jù)文獻【8】，對于公稱直徑在10—100mm范圍內(nèi)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(jù)兩側(cè)介質(zhì)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(jié)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(qū)結構為十字交叉網(wǎng)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(wèi)生間內(nèi)。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(zhì)量。在冬季可以不費電、不費氣的完成對涼水的加熱。