板式换热器设计指导书
胡雨燕
热能与环境工程研究所
2006-10-15
一、 板式换热器简介
1.1 可拆式板式换热器的基本结构
板式换热的基本构造如图1所示。
图1 板式换热器的基本构造
板片是传热元件，一般由0.6~0.8mm的金属板压制成波纹状，波纹板片上贴有密封垫圈。板片按设计的数量和顺序安放在固定压紧板和活动压紧板之间，然后用压紧螺柱和螺母压紧，上、下导杆起着定位和导向作用。固定压紧板、活动压紧板、导杆、螺柱、螺母、前支杆可统称为板式换热器的框架；众多的板片、垫片可称为板束。
分析以上的结构和零部件的组成，可见其零部件品种少，且通用性极强，这十分有利于成批生产及使用维修。
1.2 可拆式板式换热器的基本参数 1.2.1 单板计算换热面积a
在垫片内侧参与换热部分的板片展开面积。按式（1）计算：
a =φ⋅a 1 （1）
式中：a —单板计算换热面积，m 2；
φ—展开系数，板片展开面积与投影面积之比，按式（2）
计算
φ= （2）
式中：t ' —波纹节距展开长度，mm ； t —波纹节距（如图2 所示），mm ；
t '
t
a 1—在垫片内侧参与换热部分的板片投影面积，m 2。
注:若导流区与波纹区波纹节距相差较大时，应分别计算导流区与波纹区的换热面积，两者相加
1.2.2 单板公称换热面积
经圆整后的单板计算换热面积，一般圆整到小数点后
图2
2位。如单板计算换热面积为0.346m 2，圆整后的公称换热面积为0.35m 2
。 1.2.3 板间距b
板式换热器相邻两板片间的平均距离b ，如图2 所示。 1.2.4 当量直径De
四倍的板间通道截面积与其湿润周边之比，按式（4）计算。
D e =
4A s
≈2b （4） S
式中：A s —通道截面积，m 2
S —参与传热的湿润周长，m 。
1.2.5 换热器换热面积A
经圆整后的整台板式换热器中有效换热板片数(板片总数减2) 与单板计算换热面积之积，按式（5）计算：
A =a (N p −2) （5）
式中：N p —板片总数。
1.2.6 工作压力
板式换热器在正常工作情况下任何一侧可能出现的最高压力。
1.2.7 设计压力
在相应的设计温度下，用以保证板式换热器正常工作的压力，该压力值不得低于工作压力。 1.2.8 液压试验压力
液压试验中的试验压力，其值为设计压力的1.25倍。
1.2.9 设计温度
板式换热器在正常工作情况和相应的设计压力下，设定的元件温度，其值不得低于元件表面在工作状态下可能达到的最高温度；对于0℃以下工作的板式换热器，其设计温度不得高于元件表面可能达到的最低温度。在任何情况下，元件表面的温度不得超过元件材料的允许使用温度。图样和铭牌上标注的设计温度为垫片的设计温度。 1.2.10 板片厚度
即在图样上标注的板材标准规格厚度
1.2.11 流道
板式换热器内相邻板片组成的介质流动通道。通常用N 表示热流体侧的流道数，用n 表示冷流体侧的流道数。
1.2.12 流程
板式换热器内介质向一个方向流动的一组流道。常用M 、m 分别表示热流体侧、冷流体侧的流程数。
1.2.13 流程组合
板式换热器内流程与流道的配置方式，表示为：
M 1×N 1+M 2×N 2++M i ×N i
（6）
m 1×n 1+m 2×n 2+L +m i ×n i
L M i —指从固定压紧板开始，热流体侧流道数相同的流程数； 式中：M 1，M 2，
N 1，N 2，L N i —指M 1，M 2，L M i 流程中对应的流道数；
m 1，m 2，L m i —指从固定压紧板开始，冷流体侧流道数相同的流程数； n 1，n 2，L n i —指m 1，m 2，L m i 流程中对应的流道数。
1.2.14 角孔
与接管相连接板片的开口。角孔大小一般按流体流速（m/s）设计。但对于冷凝器板片，若采用普通板片，开口太小，将会使气侧压力降增大，故专门用于冷凝的板片的角孔特别大。
1.3 可拆式板式换热器型号标识方法
注
1 框架结构形式为I 时，框架结构形式代号可省略。
2 B-板式换热器代号；BL-板式冷凝器代号；BZ-板式蒸发器代号。 表1 板式换热器常用的板片波纹形式
1 2 3 4 5
人字形波纹（图
3、图
4）
水平平直波纹（图5）球形波纹（图6）斜波纹（图7）竖直波纹（图8）流体在版面上可以是对角流，也可以是单边流。图3、5、7、8为对角流，图4、6为单边流。
图3
图4
图5
图6
图7
表2 垫片材料代号及特性 垫片材料及代）号1
适用温度2
）
图8
丁晴橡胶
三元乙丙橡胶
氟橡胶氯丁橡胶 硅橡胶
石棉纤维
）板4
扯断强度MPa 扯断生长率% 硬度
（邵尔A 型） 压缩永久变形）
率3%
≥10 ≥120
75 ±80±±±±2
- - -
≤15
1） 食品、医药用垫片材料的代号：在相应垫片代号后面加S 。
示例：丁晴橡胶垫片 N 丁晴橡胶食品垫片 NS
2） 垫片在超过适用温度范围时，应由供需双方商定。 3） 测定条件：室温X24小时；压缩率20%。
4） 物理性能指标参照GB 3985，由供需双方商定。
表3 板式换热器框架形式
序号 1 2 3 4 5 6 7
框架形式
代号
双支撑框架式（图9）带中间隔板双支撑框架式（图10）带中间隔板三支撑框架式（图11）悬臂式（图12）带中间隔板顶杆式（图14）活动压紧板落地式（图15）顶杆式（图13）
图9
图11
图13
6
图
10
图
12
图14
图15
示例1：BR0.3-1.6-15-N-I ，即波纹形式为人字形，单板公称换热面积为0.3m2，设计压力为1.6MPa ，换热面积为15m2，用丁睛垫片密封的双支撑框架结构的板式换热器
示例2：BP1.0-1.0-100-E-II ，即波纹 形 式 为水平平直波纹，单板公称换热面积为1.0m2，设计压力为1.0 MPa，换热面积为100m2l, 用三元乙丙垫片密封的带中间隔板双支撑框架结构的板式换热器
二、 设计计算
设计计算是板式换热器工程设计的核心，主要包括两部分内容，即传热计算与压降计算。 板式换热器工程计算的任务不同于传统的管壳式换热器。它不需要作任何元件或结构方面的设计，一般只要不超出最高压力，设计时也不再作强度方面校核，所需要的只是适当地组合板片进行传热计算与压降计算，得出所需的总换热面积与板片数。由于板片的传热与压降性能紧密相关，因此，这两方面的计算常常需交叉或交替进行。在设计相变传热的板式换热其时，这一特征表现得尤为突出。 2.1 计算的类型
与其它种类的换热器一样，板式换热器的热力计算也分为设计计算与校核计算两种。 2.1.1 设计计算
通常，两侧流体的流量及四个进、出口温度中的任一三个已给定，要求计算出在满足一定压力降限制条件下的有效换热面积与流程、流道排列组合方式。
2.1.2 校核计算
与设计计算相反，换热面积及流程布置都是已知并且确定的。而且冷、热流体的流量以及进口温度也为已知值，要求核算在该通道布置方案下，流涕出口温度能否达到预定目标及压力降是否满足要求值。
这两种不同类型的计算所依据的基本原理完全一致，但它们的计算方法或步骤上存在着很大的差异。事实上，在作某一换热场合的工程设计时，往往两种类型的计算均要用到，事先用设计类型算法求出换热面积与历程布置，再用校核计算程序核定这个面积与布置能否完成预定的换热任务。
2.2 必备资料
无论作哪一种类型的计算，设计者都应备有以下资料：
①选用范围内的各种板片的主要几何参数，如：单板有效换热面积、当量直径或板间距、通道横截面积及通道长度等；
②适用介质种类与适用温度、压力范围；
③传热及压降关联式或以图线形式提供的板片性能资料；
④所用流体在平均工作温度下的有关物性数据，主要包括：密度、比热容、导热系数及黏度。
2.3 计算的基本关联式 2.3.1 传热基本方程式
Q =KF Δt m （7）
式中：Q −传热量，J/s
K ——总传热系数，W/（m 2⋅K ) F ——换热面积，m 2
o
Δt m ——传热平均温差，等于对数平均温差乘以板片组合校正系数，C
2.3.2 换热量计算式 a. 单相换热
Q =q m C p (t ' −t " ) （8-1）
Q =q m (i ' −i " ) （8-2）
式中：
q m ——流体质量流量，kg /s C p ——流体比热容，J /(kg ⋅K )
o
C t ' 和t " ——分别表示某流体进出口温度，
i ' 和i " ——分别表示某流体进、出口比热焓，J/kg
b. 相变换热
Q =q m xr （9-1）
Q =q m x(i" −i ' ) （9-2）
2.3.3 总传热系数计算式
⎛1δp 1⎞
+R 2+⎟ (10) K =⎜+R 1+
⎜αλp α2⎟⎝1⎠
式中：
−1
α1和α2——板片两侧的传热膜系数，W/（m 2⋅K) ；
R 1和R 2——板片两侧的污垢系数，可参考表4；
δp ——板片厚度，m ；
λp ——板片导热系数，W/（m ⋅K) 。
表4 板式换热器的污垢热阻 流体名称
污垢热阻
流体名称 机器夹套水
污垢热阻 0.000052
软水或蒸馏水城市用软水城市用硬水（加热时）处理过的冷却水沿海海水或港湾水大洋的海水河水、运河水
2.3.4 对流传热准则数关联式
润滑油水植物油有机溶剂水蒸气工艺流体、一般流体
0.000009~0.000052
Nu =C Re n Pr 0. 3或0.4(μ/μw ) p （11）
注：对流传热准则数关联式文献给出的很多，但各厂家生产的板片不同，所以不尽相同。推荐：
Nu =0. 159Re 0. 7Pr 1/3(μ/μw ) 0. 14 （11-1）
注：此试验性关联式的介质为冷却水。
公式（11）中各参数和物理量的典型性数据为：
C =0. 15~0. 40Re =0. 65~0. 85Pr =0. 30~0. 45p =0. 05~0. 20
注：各制造厂应在样本中注明所使用的关联式。 2.3.5 换热面积计算式
A =NeA 0=(N −2) A 0 （12）
式中：
A —换热器换热面积，m 2Ne —有效传热板板片数 A 0—单板换热面积，m 2N —换热器总板片数
2.3.6 传热平均温差计算式
10
Δt m =ϕΔt lm =ϕ
Δt max −Δt min
（13）
Δt max ln
Δt min
式中：
o
Δt lm —对数平均温差，C
ϕ—随不同的流程组合，导致冷热流体流动方向有异于纯逆流时的对数平均温差修正
系数，查图16可得。
Δt max 和Δt min —逆流换热时冷热流体端部温差的大值和小值
图16-1 并联流程组合
（Z 和U 型）对数平均温差修正系数
图16-2 串联流程组合对数平均温差修正系数
图 16-3 多程流程组合的对数平均温差修正系数
2.3.7 当量直径计算式
d e =4Wb /2(w +b ) ≈2b （14）
式中：
11
d e —板间当量直径，m w —板间流道宽度，m
b —板间流道平均间隙，m 2.3.8 传热单元数NTU 定义式
(NTU ) 1=KA /C 1
或 （15） (NTU ) 2=KA /C 2=r (NTU ) 1
式中：
C —热容，J/K；C =C p q m
下标1和2分别代表1流体和2流体 r —系数，无因次
另一种表达：
t 1' −t 1"
(NTU ) 1=
Δt m (NTU ) 2=
t −t Δt m
' 2
" 2
（15-1）
2.3.9 温度效率ε定义式
t 1' −t 1"
ε1=' '
t 1−t 2或
" ' t 2−t 2
ε2=' ' =γ1ε1
t 1−t 2
（16）
式中：t ' 、t " —表示流体进口和出口温度
γ1—系数，无因次
2.3.10 热容量C 之比γ定义式
γ1=
或
C 1
=q m 1C p 1/q m 2C p 2C 2
（17）
γ2=
C 2
=q m 2C p 2/q m 1C p 1C 1
由已知ε、γ可查图17得到NTU 值，然后根据NTU 的定义式求得换热面积A 。
图17-1 逆流 注：适用于1-1程，1-1流道，1-2流道；1-1程，每程流道数在3以上；
或有一方程数在4以上者
图 17-2 1-1程、2-2流道
图17-3 1-1程、2-3流道
图17-4 2-2程、1-1流道（并流）
图17-5 2-2程、1-1流道
图17-6 两流体程数大于或等于4、各程的流道数亦相等
15
图17-7 3-2程、1-2流道
图17-8 2-1程、1-3流道
16
图17-9 1-2程，n 1-n 2流道
图17-10 1-3程、n 1-n 2流道
2.3.11 流体阻力计算Eu 关联式
Eu =b Re d （18）
式中：系数b 、指数d —随不同型式的板片而异，由实验求得，制造厂为其产品提供的公式中已确定数值。则：
Δp =b Re d ρw 2 （19）
式中：w —流速，m /s
ρ—流体密度，kg /m
3
该式是在1-1程换热中求得的，对换热器的流体阻力要乘以程数m ，即：
Δp =mb Re d ρw 2=mEu ρw 2 （19-1）
2.3.12 两相流的传热和阻力计算
两相流由于流态复杂，所以没有公认的计算公式。 2.3.12.1 传热计算 2.3.12.1.1 冷凝计算
a ．冷凝传热膜系数-Kumat 式
0. 330. 4
（20-1） Nu =C Re n Pr (μ/μ) L L L W
式中：μ—冷凝液动力黏度，Pa ⋅s n =0.65~0.8, 通常为0.7
下标L 、W 分别代表冷凝液和板壁温度下值
此外，日本的尾花英朗提出用垂直平板冷凝计算式来近似计算。b ．我国国家石油炼化设备质量检测中心作产品性能试验时采用的公式
2/3
αs =C [λ3ρL (ρL −ρS ) /(μL g )]1/3Re 1L （20-2）
L
式中：
ρL 、ρS —两相流中的液体、气体的密度，kg /m 3μL —冷凝液的动力黏度，Pa ⋅s
λL —冷凝液的导热系数，W/（m ⋅K ）
Re L —冷凝液的雷诺数g —重力加速度，m /s 2
C —常数，决定于板片的波纹构造，由试验求得
我国的板式冷凝器大多由该检测中心检测。 2.3.12.1.2 沸腾计算
日本尾花英朗提出
αb =S α' +α" （21）
式中
S —核沸腾影响系数；
α' —池沸腾传热膜系数，W/（m 2⋅K ）
α" —两相流强制对流传热膜系数，W/（m 2⋅K ）
参考：换热器工程设计手册，P63-65 2.3.12.2 阻力计算
a ． 洛克哈特-马丁尼特计算式：
（Δp f ) lp =(Δp f ) l φl 2 （22-1）
式中
（Δp f ) lp —两相流摩擦损失；
(Δp f ) l —假定仅为液相流动时的摩擦损失
φl —摩阻分液相表观系数
b ． 国家石油钻采炼化设备质量检测中心的公式：
Δp s =Cv s n （22-2）
式中：
Δp s —两相流的压力降，kPa v s —板间入口的蒸汽流速，m /s
C 、n —常数、指数，决定于板片的波纹构造，由实验求得2.4 设计的一般要求
2.4.1 板间流速
流速在板间是不均匀的，在主流线上的流速约为平均流速的4~5倍； 在一个流程内每个流道的流速也是不均匀的；
为使流体在板间流动时，处于充分的湍流状态，宜取板间地平均流速0.3~0.8m/s； 压力降允许的情况下取大值； 2.4.2 流程组合
程数宜少；
冷热介质等程，逆向流动布置- 温差修正系数较大； 并联U 型流程组合也常被采用；
对于冷凝和蒸发工况，只能采用单程，且被冷凝的流体应从上而下，便于排出冷凝
液；对于蒸发工况，则相反，蒸发介质采用单程，由下而上，使蒸汽从上部排出。 2.4.3 板片选择
适当的单板面积可得到较好的流程组合，使得程数少，流体阻力小； 角孔的尺寸与单板面积有一定的内在联系，为使流体通过角孔流道不致损失过多压
力，一般取流体在角孔中的流速为4~6m/s，表5列出了单板面积和处理量的关系，
表中流体通过角孔以6m/s计算的；
表5 单板面积与处理量的关系 单板面积，m 2 角孔直径，mm 单台最大处理量，
108~170
265~380
175~200520~680
约400680~1060
约
2700
1.6 m 3/h
波纹板的形式应根据工艺条件进行选择；
人字形波纹板片是广为采用的板片，人字角大的板片（H 板片），适用于允许阻力
损失较大，而要求传热效率高的场合；人字角小的板片（L 板片），适用于对阻力损失限制严格的场合。
水平平直波纹板片适用于对传热效率、阻力损失都适中的场合；
两种换热流体流量差别甚大的情况，应考虑选用非对称流道（或称宽窄间隙流道）
的板片来组装板式换热器； 两换热流体的对数温差大、流量差别亦很大的换热工况，选用长宽比较小的波纹板。 2.4.4 材料选择
板片原材料厚度为0.6~0.8mm，压制成波纹板后允许有25%的减薄量，因此最薄处
的厚度为0.45~0.6mm
介质具腐蚀性是，需耐腐蚀材料，仅采用表面防腐措施难以奏效。 2.4.5 其他
一般不推荐板式换热器用于易燃、易爆、有毒介质的换热；如果一定要使用，则其
设计压力至少比工作压力高一个公称级别，垫片的耐温、耐腐蚀要十分可靠，制造上要格外慎重
用于强腐蚀介质的板式换热器，应在板束周围安装一个防护罩，以免液体泄漏伤人； 用于流体中含有少量固体杂质的场合，应在流体的入口装设一个过滤器。 2.5 计算的基本方法和步骤
板式换热器的热力计算，无论设计型或是校核型，均可采用下述两种方法中的任一种：平均温差法（简称LMTD 方法）；温度效率-传热单元数法（即ε-NTU 方法或简称NTU 方法）。表6、7 对照列出两种类型计算，采用不同方法时的基本步骤，以作比较。
表 6 设计型计算时两种方法的基本步骤对比 平均温差法
① 根据热量平衡的关系，求出未知的质量
流量或未知的温度，同时计算出热负荷
ε-NTU 法 ①
同左 同左
② 参考有关资料、数据，设定换热面积A ' ，②
并选择换热器的型号
③ 设定流程组合，尽可能使流体在板间的
平均流速为0.3~0.8m/s； ④ 参考表4选定污垢热阻，如果板片表面
有防腐涂层，则还应确定涂层的热阻 ⑤ 求出对流传热膜系数； ⑥ 求出总传热系数 ⑦ 求出传热对数平均温差
⑧ 求出换热面积A ，比较A 、A ' ；若A 略
小于A ' 即可，若A 过大于A ' 或A 过小于A ' ，则从第2步或第3步（即重新选定A ' 或重新设定流程组合）开始重新计算 ⑨ 在换热面积计算满足要求后，求流体阻
力，该值不应小于工艺的要求，否则亦应从第2步或第3步开始重新计算
表7 校核计算时两种方法的基本步骤对比 平均温差法 ①
计算出换热量Q 和未知的温度，如果冷、热流体各有一个未知的温度，则先假设其中一个温度，再计算出相应的另一个温度和换热量Q
② 在已定板式换热器的情况下，求得对流
传热膜系数； ③ 选定污垢热阻； ④ 求出总传热系数 ⑤
求出对数平均温差Δt lm 和传热温差
' '
③④⑤⑥⑦⑧
同左 同左 同左
求出总传热系数
求出ε和γ；根据相应的ε-NTU 图，求出NTU
从NTU 求得换热面积A ，A 略大于A ' 即可；若A 小于A ' 或A 过大于A ' ，则从第2步开始重新计算
⑨
在换热面积计算满足要求后，求流体阻力，该值不应小于工艺的要求，否则亦应从第2步开始重新计算
ε-NTU 法 ①
同左
②③④⑤
同左 同左 同左
求NTU 、ε值
Δt m ；
⑥
求出换热量Q ，比较Q 、Q ，判定已定的板式换热器能否满足工艺要求； ⑦ 若传热上能满足工艺要求，则计算压力
降，判断在流动阻力方面能否满足工艺要求。
⑦
同左
'
⑥同左
板式换热器的热力计算有以下特点：
（１） 无论是哪种类型，也无论采用哪种计算方法，均需要叠代计算，但不同方法所需要
叠代次数不一样。
（２） 在作设计计算时，平均温差法与ε-NTU 法繁简程度类似。前者须求出温差修正系
数ϕ，后者须求出与流程组合相应的ε-NTU 关系式或利用线图。
（３） 作校核计算时，一般ε-NTU 法叠代次数少，因此，在实用中，经常用平均温差法
作设计，而用ε-NTU 法来校验。有时也可用简便的经验参数估计方法与线图解法。
三、课程设计范例
已知：热水锅炉的进出口水温为９５℃/70℃；生活热水配水温度为５０℃，市政上水温度为5℃；生活热水用量为7.05吨/小时。 对数平均温差法： 表一：热力计算：
表2 换热器初选及其型号参数
表3 换热系数的计算
表4 实际传热面积计算
表5 压降计算 序号 55 56
计算项目 加热侧欧拉数 加热侧压降 被加热57 侧欧拉
数 58
被加热侧压降
符号
单位 计算公式或图表 pa
数值
−0. 865
备注
Eu 1 Δp 1 Eu 2 Δp 2
Eu 1=219451Re 1Δp 1=Eu 1×ρv 1 Eu 2=219451Re 2
2
69.11 27463.894
2
压降皆小于
−0. 865
249.14 0.05MPa
pa
Δp 2=Eu 2×ρv 2
30405.812
二、ε-NTU 法
表6 实际传热面积计算
表7 压降计算 序号 57 58
计算项目 加热侧欧拉数 加热侧压降 被加热59 侧欧拉
数 60
被加热侧压降
符号
单位 计算公式或图表 pa
数值
−0. 865
备注
Eu 1 Δp 1 Eu 2 Δp 2
Eu 1=219451Re 1Δp 1=Eu 1×ρv 1 Eu 2=219451Re 2
2
69.11 27463.894
2
压降皆小于
−0. 865
249.14 0.05MPa
pa
Δp 2=Eu 2×ρv 2
30405.812
课程设计范例样图
图18-1 课程设计范例样图-外形图
图18-2 课程设计范例样图-板片图
图18-3 课程设计范例样图-流程图
板式换热器设计指导书
胡雨燕
热能与环境工程研究所
2006-10-15
一、 板式换热器简介
1.1 可拆式板式换热器的基本结构
板式换热的基本构造如图1所示。
图1 板式换热器的基本构造
板片是传热元件，一般由0.6~0.8mm的金属板压制成波纹状，波纹板片上贴有密封垫圈。板片按设计的数量和顺序安放在固定压紧板和活动压紧板之间，然后用压紧螺柱和螺母压紧，上、下导杆起着定位和导向作用。固定压紧板、活动压紧板、导杆、螺柱、螺母、前支杆可统称为板式换热器的框架；众多的板片、垫片可称为板束。
分析以上的结构和零部件的组成，可见其零部件品种少，且通用性极强，这十分有利于成批生产及使用维修。
1.2 可拆式板式换热器的基本参数 1.2.1 单板计算换热面积a
在垫片内侧参与换热部分的板片展开面积。按式（1）计算：
a =φ⋅a 1 （1）
式中：a —单板计算换热面积，m 2；
φ—展开系数，板片展开面积与投影面积之比，按式（2）
计算
φ= （2）
式中：t ' —波纹节距展开长度，mm ； t —波纹节距（如图2 所示），mm ；
t '
t
a 1—在垫片内侧参与换热部分的板片投影面积，m 2。
注:若导流区与波纹区波纹节距相差较大时，应分别计算导流区与波纹区的换热面积，两者相加
1.2.2 单板公称换热面积
经圆整后的单板计算换热面积，一般圆整到小数点后
图2
2位。如单板计算换热面积为0.346m 2，圆整后的公称换热面积为0.35m 2
。 1.2.3 板间距b
板式换热器相邻两板片间的平均距离b ，如图2 所示。 1.2.4 当量直径De
四倍的板间通道截面积与其湿润周边之比，按式（4）计算。
D e =
4A s
≈2b （4） S
式中：A s —通道截面积，m 2
S —参与传热的湿润周长，m 。
1.2.5 换热器换热面积A
经圆整后的整台板式换热器中有效换热板片数(板片总数减2) 与单板计算换热面积之积，按式（5）计算：
A =a (N p −2) （5）
式中：N p —板片总数。
1.2.6 工作压力
板式换热器在正常工作情况下任何一侧可能出现的最高压力。
1.2.7 设计压力
在相应的设计温度下，用以保证板式换热器正常工作的压力，该压力值不得低于工作压力。 1.2.8 液压试验压力
液压试验中的试验压力，其值为设计压力的1.25倍。
1.2.9 设计温度
板式换热器在正常工作情况和相应的设计压力下，设定的元件温度，其值不得低于元件表面在工作状态下可能达到的最高温度；对于0℃以下工作的板式换热器，其设计温度不得高于元件表面可能达到的最低温度。在任何情况下，元件表面的温度不得超过元件材料的允许使用温度。图样和铭牌上标注的设计温度为垫片的设计温度。 1.2.10 板片厚度
即在图样上标注的板材标准规格厚度
1.2.11 流道
板式换热器内相邻板片组成的介质流动通道。通常用N 表示热流体侧的流道数，用n 表示冷流体侧的流道数。
1.2.12 流程
板式换热器内介质向一个方向流动的一组流道。常用M 、m 分别表示热流体侧、冷流体侧的流程数。
1.2.13 流程组合
板式换热器内流程与流道的配置方式，表示为：
M 1×N 1+M 2×N 2++M i ×N i
（6）
m 1×n 1+m 2×n 2+L +m i ×n i
L M i —指从固定压紧板开始，热流体侧流道数相同的流程数； 式中：M 1，M 2，
N 1，N 2，L N i —指M 1，M 2，L M i 流程中对应的流道数；
m 1，m 2，L m i —指从固定压紧板开始，冷流体侧流道数相同的流程数； n 1，n 2，L n i —指m 1，m 2，L m i 流程中对应的流道数。
1.2.14 角孔
与接管相连接板片的开口。角孔大小一般按流体流速（m/s）设计。但对于冷凝器板片，若采用普通板片，开口太小，将会使气侧压力降增大，故专门用于冷凝的板片的角孔特别大。
1.3 可拆式板式换热器型号标识方法
注
1 框架结构形式为I 时，框架结构形式代号可省略。
2 B-板式换热器代号；BL-板式冷凝器代号；BZ-板式蒸发器代号。 表1 板式换热器常用的板片波纹形式
1 2 3 4 5
人字形波纹（图
3、图
4）
水平平直波纹（图5）球形波纹（图6）斜波纹（图7）竖直波纹（图8）流体在版面上可以是对角流，也可以是单边流。图3、5、7、8为对角流，图4、6为单边流。
图3
图4
图5
图6
图7
表2 垫片材料代号及特性 垫片材料及代）号1
适用温度2
）
图8
丁晴橡胶
三元乙丙橡胶
氟橡胶氯丁橡胶 硅橡胶
石棉纤维
）板4
扯断强度MPa 扯断生长率% 硬度
（邵尔A 型） 压缩永久变形）
率3%
≥10 ≥120
75 ±80±±±±2
- - -
≤15
1） 食品、医药用垫片材料的代号：在相应垫片代号后面加S 。
示例：丁晴橡胶垫片 N 丁晴橡胶食品垫片 NS
2） 垫片在超过适用温度范围时，应由供需双方商定。 3） 测定条件：室温X24小时；压缩率20%。
4） 物理性能指标参照GB 3985，由供需双方商定。
表3 板式换热器框架形式
序号 1 2 3 4 5 6 7
框架形式
代号
双支撑框架式（图9）带中间隔板双支撑框架式（图10）带中间隔板三支撑框架式（图11）悬臂式（图12）带中间隔板顶杆式（图14）活动压紧板落地式（图15）顶杆式（图13）
图9
图11
图13
6
图
10
图
12
图14
图15
示例1：BR0.3-1.6-15-N-I ，即波纹形式为人字形，单板公称换热面积为0.3m2，设计压力为1.6MPa ，换热面积为15m2，用丁睛垫片密封的双支撑框架结构的板式换热器
示例2：BP1.0-1.0-100-E-II ，即波纹 形 式 为水平平直波纹，单板公称换热面积为1.0m2，设计压力为1.0 MPa，换热面积为100m2l, 用三元乙丙垫片密封的带中间隔板双支撑框架结构的板式换热器
二、 设计计算
设计计算是板式换热器工程设计的核心，主要包括两部分内容，即传热计算与压降计算。 板式换热器工程计算的任务不同于传统的管壳式换热器。它不需要作任何元件或结构方面的设计，一般只要不超出最高压力，设计时也不再作强度方面校核，所需要的只是适当地组合板片进行传热计算与压降计算，得出所需的总换热面积与板片数。由于板片的传热与压降性能紧密相关，因此，这两方面的计算常常需交叉或交替进行。在设计相变传热的板式换热其时，这一特征表现得尤为突出。 2.1 计算的类型
与其它种类的换热器一样，板式换热器的热力计算也分为设计计算与校核计算两种。 2.1.1 设计计算
通常，两侧流体的流量及四个进、出口温度中的任一三个已给定，要求计算出在满足一定压力降限制条件下的有效换热面积与流程、流道排列组合方式。
2.1.2 校核计算
与设计计算相反，换热面积及流程布置都是已知并且确定的。而且冷、热流体的流量以及进口温度也为已知值，要求核算在该通道布置方案下，流涕出口温度能否达到预定目标及压力降是否满足要求值。
这两种不同类型的计算所依据的基本原理完全一致，但它们的计算方法或步骤上存在着很大的差异。事实上，在作某一换热场合的工程设计时，往往两种类型的计算均要用到，事先用设计类型算法求出换热面积与历程布置，再用校核计算程序核定这个面积与布置能否完成预定的换热任务。
2.2 必备资料
无论作哪一种类型的计算，设计者都应备有以下资料：
①选用范围内的各种板片的主要几何参数，如：单板有效换热面积、当量直径或板间距、通道横截面积及通道长度等；
②适用介质种类与适用温度、压力范围；
③传热及压降关联式或以图线形式提供的板片性能资料；
④所用流体在平均工作温度下的有关物性数据，主要包括：密度、比热容、导热系数及黏度。
2.3 计算的基本关联式 2.3.1 传热基本方程式
Q =KF Δt m （7）
式中：Q −传热量，J/s
K ——总传热系数，W/（m 2⋅K ) F ——换热面积，m 2
o
Δt m ——传热平均温差，等于对数平均温差乘以板片组合校正系数，C
2.3.2 换热量计算式 a. 单相换热
Q =q m C p (t ' −t " ) （8-1）
Q =q m (i ' −i " ) （8-2）
式中：
q m ——流体质量流量，kg /s C p ——流体比热容，J /(kg ⋅K )
o
C t ' 和t " ——分别表示某流体进出口温度，
i ' 和i " ——分别表示某流体进、出口比热焓，J/kg
b. 相变换热
Q =q m xr （9-1）
Q =q m x(i" −i ' ) （9-2）
2.3.3 总传热系数计算式
⎛1δp 1⎞
+R 2+⎟ (10) K =⎜+R 1+
⎜αλp α2⎟⎝1⎠
式中：
−1
α1和α2——板片两侧的传热膜系数，W/（m 2⋅K) ；
R 1和R 2——板片两侧的污垢系数，可参考表4；
δp ——板片厚度，m ；
λp ——板片导热系数，W/（m ⋅K) 。
表4 板式换热器的污垢热阻 流体名称
污垢热阻
流体名称 机器夹套水
污垢热阻 0.000052
软水或蒸馏水城市用软水城市用硬水（加热时）处理过的冷却水沿海海水或港湾水大洋的海水河水、运河水
2.3.4 对流传热准则数关联式
润滑油水植物油有机溶剂水蒸气工艺流体、一般流体
0.000009~0.000052
Nu =C Re n Pr 0. 3或0.4(μ/μw ) p （11）
注：对流传热准则数关联式文献给出的很多，但各厂家生产的板片不同，所以不尽相同。推荐：
Nu =0. 159Re 0. 7Pr 1/3(μ/μw ) 0. 14 （11-1）
注：此试验性关联式的介质为冷却水。
公式（11）中各参数和物理量的典型性数据为：
C =0. 15~0. 40Re =0. 65~0. 85Pr =0. 30~0. 45p =0. 05~0. 20
注：各制造厂应在样本中注明所使用的关联式。 2.3.5 换热面积计算式
A =NeA 0=(N −2) A 0 （12）
式中：
A —换热器换热面积，m 2Ne —有效传热板板片数 A 0—单板换热面积，m 2N —换热器总板片数
2.3.6 传热平均温差计算式
10
Δt m =ϕΔt lm =ϕ
Δt max −Δt min
（13）
Δt max ln
Δt min
式中：
o
Δt lm —对数平均温差，C
ϕ—随不同的流程组合，导致冷热流体流动方向有异于纯逆流时的对数平均温差修正
系数，查图16可得。
Δt max 和Δt min —逆流换热时冷热流体端部温差的大值和小值
图16-1 并联流程组合
（Z 和U 型）对数平均温差修正系数
图16-2 串联流程组合对数平均温差修正系数
图 16-3 多程流程组合的对数平均温差修正系数
2.3.7 当量直径计算式
d e =4Wb /2(w +b ) ≈2b （14）
式中：
11
d e —板间当量直径，m w —板间流道宽度，m
b —板间流道平均间隙，m 2.3.8 传热单元数NTU 定义式
(NTU ) 1=KA /C 1
或 （15） (NTU ) 2=KA /C 2=r (NTU ) 1
式中：
C —热容，J/K；C =C p q m
下标1和2分别代表1流体和2流体 r —系数，无因次
另一种表达：
t 1' −t 1"
(NTU ) 1=
Δt m (NTU ) 2=
t −t Δt m
' 2
" 2
（15-1）
2.3.9 温度效率ε定义式
t 1' −t 1"
ε1=' '
t 1−t 2或
" ' t 2−t 2
ε2=' ' =γ1ε1
t 1−t 2
（16）
式中：t ' 、t " —表示流体进口和出口温度
γ1—系数，无因次
2.3.10 热容量C 之比γ定义式
γ1=
或
C 1
=q m 1C p 1/q m 2C p 2C 2
（17）
γ2=
C 2
=q m 2C p 2/q m 1C p 1C 1
由已知ε、γ可查图17得到NTU 值，然后根据NTU 的定义式求得换热面积A 。
图17-1 逆流 注：适用于1-1程，1-1流道，1-2流道；1-1程，每程流道数在3以上；
或有一方程数在4以上者
图 17-2 1-1程、2-2流道
图17-3 1-1程、2-3流道
图17-4 2-2程、1-1流道（并流）
图17-5 2-2程、1-1流道
图17-6 两流体程数大于或等于4、各程的流道数亦相等
15
图17-7 3-2程、1-2流道
图17-8 2-1程、1-3流道
16
图17-9 1-2程，n 1-n 2流道
图17-10 1-3程、n 1-n 2流道
2.3.11 流体阻力计算Eu 关联式
Eu =b Re d （18）
式中：系数b 、指数d —随不同型式的板片而异，由实验求得，制造厂为其产品提供的公式中已确定数值。则：
Δp =b Re d ρw 2 （19）
式中：w —流速，m /s
ρ—流体密度，kg /m
3
该式是在1-1程换热中求得的，对换热器的流体阻力要乘以程数m ，即：
Δp =mb Re d ρw 2=mEu ρw 2 （19-1）
2.3.12 两相流的传热和阻力计算
两相流由于流态复杂，所以没有公认的计算公式。 2.3.12.1 传热计算 2.3.12.1.1 冷凝计算
a ．冷凝传热膜系数-Kumat 式
0. 330. 4
（20-1） Nu =C Re n Pr (μ/μ) L L L W
式中：μ—冷凝液动力黏度，Pa ⋅s n =0.65~0.8, 通常为0.7
下标L 、W 分别代表冷凝液和板壁温度下值
此外，日本的尾花英朗提出用垂直平板冷凝计算式来近似计算。b ．我国国家石油炼化设备质量检测中心作产品性能试验时采用的公式
2/3
αs =C [λ3ρL (ρL −ρS ) /(μL g )]1/3Re 1L （20-2）
L
式中：
ρL 、ρS —两相流中的液体、气体的密度，kg /m 3μL —冷凝液的动力黏度，Pa ⋅s
λL —冷凝液的导热系数，W/（m ⋅K ）
Re L —冷凝液的雷诺数g —重力加速度，m /s 2
C —常数，决定于板片的波纹构造，由试验求得
我国的板式冷凝器大多由该检测中心检测。 2.3.12.1.2 沸腾计算
日本尾花英朗提出
αb =S α' +α" （21）
式中
S —核沸腾影响系数；
α' —池沸腾传热膜系数，W/（m 2⋅K ）
α" —两相流强制对流传热膜系数，W/（m 2⋅K ）
参考：换热器工程设计手册，P63-65 2.3.12.2 阻力计算
a ． 洛克哈特-马丁尼特计算式：
（Δp f ) lp =(Δp f ) l φl 2 （22-1）
式中
（Δp f ) lp —两相流摩擦损失；
(Δp f ) l —假定仅为液相流动时的摩擦损失
φl —摩阻分液相表观系数
b ． 国家石油钻采炼化设备质量检测中心的公式：
Δp s =Cv s n （22-2）
式中：
Δp s —两相流的压力降，kPa v s —板间入口的蒸汽流速，m /s
C 、n —常数、指数，决定于板片的波纹构造，由实验求得2.4 设计的一般要求
2.4.1 板间流速
流速在板间是不均匀的，在主流线上的流速约为平均流速的4~5倍； 在一个流程内每个流道的流速也是不均匀的；
为使流体在板间流动时，处于充分的湍流状态，宜取板间地平均流速0.3~0.8m/s； 压力降允许的情况下取大值； 2.4.2 流程组合
程数宜少；
冷热介质等程，逆向流动布置- 温差修正系数较大； 并联U 型流程组合也常被采用；
对于冷凝和蒸发工况，只能采用单程，且被冷凝的流体应从上而下，便于排出冷凝
液；对于蒸发工况，则相反，蒸发介质采用单程，由下而上，使蒸汽从上部排出。 2.4.3 板片选择
适当的单板面积可得到较好的流程组合，使得程数少，流体阻力小； 角孔的尺寸与单板面积有一定的内在联系，为使流体通过角孔流道不致损失过多压
力，一般取流体在角孔中的流速为4~6m/s，表5列出了单板面积和处理量的关系，
表中流体通过角孔以6m/s计算的；
表5 单板面积与处理量的关系 单板面积，m 2 角孔直径，mm 单台最大处理量，
108~170
265~380
175~200520~680
约400680~1060
约
2700
1.6 m 3/h
波纹板的形式应根据工艺条件进行选择；
人字形波纹板片是广为采用的板片，人字角大的板片（H 板片），适用于允许阻力
损失较大，而要求传热效率高的场合；人字角小的板片（L 板片），适用于对阻力损失限制严格的场合。
水平平直波纹板片适用于对传热效率、阻力损失都适中的场合；
两种换热流体流量差别甚大的情况，应考虑选用非对称流道（或称宽窄间隙流道）
的板片来组装板式换热器； 两换热流体的对数温差大、流量差别亦很大的换热工况，选用长宽比较小的波纹板。 2.4.4 材料选择
板片原材料厚度为0.6~0.8mm，压制成波纹板后允许有25%的减薄量，因此最薄处
的厚度为0.45~0.6mm
介质具腐蚀性是，需耐腐蚀材料，仅采用表面防腐措施难以奏效。 2.4.5 其他
一般不推荐板式换热器用于易燃、易爆、有毒介质的换热；如果一定要使用，则其
设计压力至少比工作压力高一个公称级别，垫片的耐温、耐腐蚀要十分可靠，制造上要格外慎重
用于强腐蚀介质的板式换热器，应在板束周围安装一个防护罩，以免液体泄漏伤人； 用于流体中含有少量固体杂质的场合，应在流体的入口装设一个过滤器。 2.5 计算的基本方法和步骤
板式换热器的热力计算，无论设计型或是校核型，均可采用下述两种方法中的任一种：平均温差法（简称LMTD 方法）；温度效率-传热单元数法（即ε-NTU 方法或简称NTU 方法）。表6、7 对照列出两种类型计算，采用不同方法时的基本步骤，以作比较。
表 6 设计型计算时两种方法的基本步骤对比 平均温差法
① 根据热量平衡的关系，求出未知的质量
流量或未知的温度，同时计算出热负荷
ε-NTU 法 ①
同左 同左
② 参考有关资料、数据，设定换热面积A ' ，②
并选择换热器的型号
③ 设定流程组合，尽可能使流体在板间的
平均流速为0.3~0.8m/s； ④ 参考表4选定污垢热阻，如果板片表面
有防腐涂层，则还应确定涂层的热阻 ⑤ 求出对流传热膜系数； ⑥ 求出总传热系数 ⑦ 求出传热对数平均温差
⑧ 求出换热面积A ，比较A 、A ' ；若A 略
小于A ' 即可，若A 过大于A ' 或A 过小于A ' ，则从第2步或第3步（即重新选定A ' 或重新设定流程组合）开始重新计算 ⑨ 在换热面积计算满足要求后，求流体阻
力，该值不应小于工艺的要求，否则亦应从第2步或第3步开始重新计算
表7 校核计算时两种方法的基本步骤对比 平均温差法 ①
计算出换热量Q 和未知的温度，如果冷、热流体各有一个未知的温度，则先假设其中一个温度，再计算出相应的另一个温度和换热量Q
② 在已定板式换热器的情况下，求得对流
传热膜系数； ③ 选定污垢热阻； ④ 求出总传热系数 ⑤
求出对数平均温差Δt lm 和传热温差
' '
③④⑤⑥⑦⑧
同左 同左 同左
求出总传热系数
求出ε和γ；根据相应的ε-NTU 图，求出NTU
从NTU 求得换热面积A ，A 略大于A ' 即可；若A 小于A ' 或A 过大于A ' ，则从第2步开始重新计算
⑨
在换热面积计算满足要求后，求流体阻力，该值不应小于工艺的要求，否则亦应从第2步开始重新计算
ε-NTU 法 ①
同左
②③④⑤
同左 同左 同左
求NTU 、ε值
Δt m ；
⑥
求出换热量Q ，比较Q 、Q ，判定已定的板式换热器能否满足工艺要求； ⑦ 若传热上能满足工艺要求，则计算压力
降，判断在流动阻力方面能否满足工艺要求。
⑦
同左
'
⑥同左
板式换热器的热力计算有以下特点：
（１） 无论是哪种类型，也无论采用哪种计算方法，均需要叠代计算，但不同方法所需要
叠代次数不一样。
（２） 在作设计计算时，平均温差法与ε-NTU 法繁简程度类似。前者须求出温差修正系
数ϕ，后者须求出与流程组合相应的ε-NTU 关系式或利用线图。
（３） 作校核计算时，一般ε-NTU 法叠代次数少，因此，在实用中，经常用平均温差法
作设计，而用ε-NTU 法来校验。有时也可用简便的经验参数估计方法与线图解法。
三、课程设计范例
已知：热水锅炉的进出口水温为９５℃/70℃；生活热水配水温度为５０℃，市政上水温度为5℃；生活热水用量为7.05吨/小时。 对数平均温差法： 表一：热力计算：
表2 换热器初选及其型号参数
表3 换热系数的计算
表4 实际传热面积计算
表5 压降计算 序号 55 56
计算项目 加热侧欧拉数 加热侧压降 被加热57 侧欧拉
数 58
被加热侧压降
符号
单位 计算公式或图表 pa
数值
−0. 865
备注
Eu 1 Δp 1 Eu 2 Δp 2
Eu 1=219451Re 1Δp 1=Eu 1×ρv 1 Eu 2=219451Re 2
2
69.11 27463.894
2
压降皆小于
−0. 865
249.14 0.05MPa
pa
Δp 2=Eu 2×ρv 2
30405.812
二、ε-NTU 法
表6 实际传热面积计算
表7 压降计算 序号 57 58
计算项目 加热侧欧拉数 加热侧压降 被加热59 侧欧拉
数 60
被加热侧压降
符号
单位 计算公式或图表 pa
数值
−0. 865
备注
Eu 1 Δp 1 Eu 2 Δp 2
Eu 1=219451Re 1Δp 1=Eu 1×ρv 1 Eu 2=219451Re 2
2
69.11 27463.894
2
压降皆小于
−0. 865
249.14 0.05MPa
pa
Δp 2=Eu 2×ρv 2
30405.812
课程设计范例样图
图18-1 课程设计范例样图-外形图
图18-2 课程设计范例样图-板片图
图18-3 课程设计范例样图-流程图