小型家用板式换热器设计

【摘要】：本文为小型家用板式换热器设计，主要用于冬季家庭用水的即使加热。进行了板式换热器的热力计算和阻力计算，在满足了校核条件下，设计了板式换热器的基本结构。

【关键词】：板式换热器 结构设计 校核 家用

1.国内外研究现状

板式换热器1878年起源出现在德国，大量的学者通过Ansys、Flunt等模拟软件对流体的流动进行模拟实验。国内的板式换热器研究相对较晚，制造水品有限，应用也不如国外普遍。不过经过不断地努力，我国的研究水平也已经大大缩短了与国外的差距。发展到现在，无论从板式换热器技术还是制造方面，我国的水平都已经迈入国际领先水平。

2.本课题研究内容

随着生活水平的提高，人们开始追求更高的生活质量。在冬季来临之时，刺骨的自来水让很多人在洗菜、洗手感到苦恼，人们现在大多使用太阳能或者热水器进行对凉水的加热，但是或者局限于天气情况，或者要用电来进行加热。

本课题主要是设计一种小型的板式换热器，是一种即热的换热设备。不同于传统的储蓄式换热器需要等待热水加热，而是随时打开阀门就可以使用热水，不过由于是即热式所以换热温度有限，只能用于家庭冬季洗手、洗衣服，厨房洗碗等。连接在暖气通路中，使用暖气管道中的热水加热冷水后供日常生活使用，不用电、不用燃气的热水器，节能环保。

3.工艺条件

本次板式换热器设计的工艺条件如下：

冷却水：流量2160kg/h;进口温度80℃;出口温度70℃;进口压力0.8MPa

加热水：流量1080kg/h;进口温度10℃;出口温度30℃;进口压力0.8MPa

单板换热面积：0.016m²，单通道横截面积：0.0004m²，波纹形式：人字形，垫片材料：丁腈橡胶，换热介质：水与水，板片材料：304不锈钢

4.热力计算

冷却水：定性温度，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

加热水：定性温度，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

总传热量

取N=16，与设计方案一致。所以，选择方案合理。

根據文献【5】公式计算冷却水侧和加热水侧总压降为219.74Pa允许压降为0.1MPa，所以设计合理。

5.结构设计

导杆长度

式中s0—板片厚度，mm，s1—压紧板厚度，mm，s2—中间隔板厚度，mm，s3—垫片名义厚度，mm， n1—中间隔板数量，Np—板片总数

经强度校核后得出，导杆所受应力为106MPa，小于304不锈钢在常温下的许用应力137MPa，故满足强度满足要求。

夹紧螺柱直径选择d=10mm，由GB/T41选择六角螺母M10，垫片M10，查得螺母厚度m=9mm，垫片厚度s=2mm，内径Di=10.5mm，外径Do=20mm，长度L2=177mm。

压紧板厚度选择为25mm，由于选择的是活动压紧板落地式结构，所以两侧压紧板结构相同，厚度都为25mm。

压紧板两侧开有10个螺栓孔用来安装夹紧螺栓，螺栓孔均匀布置，向下倾斜15°，便于安装。上端和下端均开有小孔，用来安装定位上、下导杆。在开孔上焊有两个接管并连接接管法兰，作为介质的进出口。

根据文献【7】查得：DN=20mm，PN=1.0MPa，查得法兰外径Do=105mm，螺栓孔中心圆直径K=75mm，螺栓孔径L=14mm，螺栓数量n=4，螺纹规格M12，法兰厚度C=16mm，密封面D=55mm，f=2mm，Di=26mm，法兰重量0.75kg。

根据文献【8】，对于公称直径在10-100mm范围内的接管，外伸长度l≧150 mm。所以取l=150 mm。法兰形式为平焊法兰。

换热器密封选择为双流道密封形式，如图在两道密封之间设有信号孔，垫片黏贴在垫片槽中。根据两侧介质的温度，垫片材料选用为丁腈橡胶。其最高使用温度为-20-135℃，符合本设计的要求。垫片的厚度选择为5mm。

板片的外形尺寸为：300×100×0.7，即板片的长度为300mm，宽度为100mm，厚度为0.7mm，结构为人字形波纹板。

本次的设计板片为：波纹深度为4.5mm;波纹节距为15mm;波纹倾角为60°，即人字形波纹夹角为120°;角孔直径为20mm;角孔中心尺寸为260mm×60mm。导流区结构为十字交叉网格结构，波纹深度取板片总体波纹深度的一半，设计为凸、凹相间结构。图片如下：

6.总结

本次设计的是小型家用板式换热器。主要用于冬季家庭用水的加热，可安装在有暖气的厨房或者卫生间内。该换热器工作条件为水—水换热。

本次设计的小型家用板式换热器是一个贴近人们生活的设备，可以提高人们的生活质量。在冬季可以不费电、不费气的完成对凉水的加热。

【参考文献】：

【1】杨崇麟. 板式换热器工程设计手册[M]. 北京： 机械工业出版社， 1998.

【2】黄蕾， 孟文俊等. 板式热交换器的应用现状及研究进展[J]. 石油和化工设备， 2015，15（9）：28-31.

【3】张晓峰. 浅谈板式换热器[J]. 科技情报开发与经济， 2009，19（10）：222-224.

【4】濮良贵，纪名刚. 机械设计[M]. 北京：高等教育出版社，2001.

【5】中国石化集团上海工程有限公司. 化工工艺设计手册（第4版）（下）（精）[M]. 化学工业出版社， 2012.

【6】GB150-2011， 压力容器[S].

【7】GB/T81-1994， 凸面板式平焊钢制管法兰[S].

【8】HG_T20583-2011， 钢制化工容器结构设计规定[S].

作者简介：蔡国明  1993.7.17 男 汉族 山东潍坊 本科 无  机械设计