板式換熱器的計算方法

1、板式換熱器的計算方法板式換熱器的計算是一個比較復(fù)雜的過程，目前比較流行的方法是對數(shù)平均溫差法和NTU法。在計算機沒有普及的時候，各個廠家大多采用計算參數(shù)近似估算和流速-總傳熱系數(shù)曲線估算方法。目前，越來越多的廠家采用計算機計算，這樣，板式換熱器的工藝計算變得快捷、方便、準(zhǔn)確。以下簡要說明無相變時板式換熱器的一般計算方法，該方法是以傳熱和壓降準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式為基礎(chǔ)的設(shè)計計算方法。 以下五個參數(shù)在板式換熱器的選型計算中是必須的： 總傳熱量(單位:kW). 一次側(cè)、二次側(cè)的進出口溫度 一次側(cè)、二次側(cè)的允許壓力降 最高工作溫度 最大工作壓力 如果已知傳熱介質(zhì)的流量，比熱容以及進出口的溫度差，總傳熱量即可計算

2、得出。溫度 T1 = 熱側(cè)進口溫度 * A3 F7 y& G7 S+ Q T2 = 熱側(cè)出口溫度 3 s' _% s5 s. T" D0 q4 b t1 = 冷側(cè)進口溫度 & L8 : |; B: t2 M2 w$ z t2= 冷側(cè)出口溫度 熱負(fù)荷 熱流量衡算式反映兩流體在換熱過程中溫度變化的相互關(guān)系，在換熱器保溫良好，無熱損失的情況下，對于穩(wěn)態(tài)傳熱過程，其熱流量衡算關(guān)系為：0 B  N/ I" A+ m0 z' H9 （熱流體放出的熱流量）=（冷流體吸收的熱流量）在進行熱衡算時，對有、無相變

3、化的傳熱過程其表達式又有所區(qū)別。（1） 無相變化傳熱過程 式中Q-冷流體吸收或熱流體放出的熱流量，W；# Q/ p3 p: I4 0 N' I) Wmh,mc-熱、冷流體的質(zhì)量流量，kg/s； + Z: I9 b- h9 h" r3 P) / Cph,Cpc-熱、冷流體的比定壓熱容，kJ/(kg·K)；6 L8 t6 b3 o& m/ nT1,t1 -熱、冷流體的進口溫度，K； T2,t2-熱、冷流體的出口溫度，K。（2）有相變化傳熱過程兩物流在換熱過程中，其中一側(cè)物流發(fā)生相變化，如蒸汽冷凝或液體沸騰，其熱流量衡算式為：& w3 v) j4 I4 R

4、一側(cè)有相變化1 Y# e$ B6 c& z% C3 W- W* J 兩側(cè)物流均發(fā)生相變化 ，如一側(cè)冷凝另一側(cè)沸騰的傳熱過程 式中r,r1,r2-物流相變熱，J/kg；D,D1,D2-相變物流量，kg/s。對于過冷或過熱物流發(fā)生相變時的熱流量衡算，則應(yīng)按以上方法分段進行加和計算。 對數(shù)平均溫差(LMTD) 對數(shù)平均溫差是換熱器傳熱的動力，對數(shù)平均溫差的大小直接關(guān)系到換熱器傳熱難易程度.在某些特殊情況下無法計算對數(shù)平均溫差,此時用算術(shù)平均溫差代替對數(shù)平均溫差，介質(zhì)在逆流情況和在并流情況下的對數(shù)平均溫差的計算方式是不同的。 在一些特殊情況下，用算術(shù)平均溫差代替對數(shù)平均溫差。 熱長(F)熱長和

5、一側(cè)的溫度差和對數(shù)平均溫差相關(guān)聯(lián)。 F = dt/LMTD以下四個介質(zhì)的物理性質(zhì)影響的傳熱：密度、粘度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù) 總傳熱系數(shù)   總傳熱系數(shù)是用來衡量換熱器傳熱阻力的一個參數(shù)。傳熱阻力主要是由傳熱板片材料和厚度、污垢和流體本身等因素構(gòu)成。單位：W/m2 or kcal/h,m2 . 壓力降 壓力降直接影響到板式換熱器的大小，如果有較大的允許壓力降，則可能減少換熱器的成本，但會損失泵的功率，增加運行費用。一般情況下，在水水換熱情況下，允許壓力降一般在20-100KPa是可以解接受的。 污垢系數(shù) 和管殼式換熱器相比，板式換熱器中水的流動是處于高湍流狀態(tài)，同一種介質(zhì)的相對于板式換熱

6、器的污垢系數(shù)要小的多。在無法確定水的污垢系數(shù)的情況下，在計算時可以保留10%的富裕量。計算方法 熱負(fù)荷可以用下式表示： Q = m · cp · dt Q = k · A · LMTDQ = 熱負(fù)荷 (kW)0 s" f$ 8 " l1 J$ F)  m = 質(zhì)量流速 (kg/s) cp = 比熱 (kJ/kg ) dt = 介質(zhì)的進出口溫度差 () # A6 n% p- ' y k = 總傳熱系數(shù) (W/m2 ) A = 傳熱面積 (m2) LMTD = 對數(shù)平均溫差 總的傳熱系數(shù)用下式計算： 其中：k=

7、總傳熱系數(shù)(W/m2 )1 = 一次測的換熱系數(shù)(W/m2 ) 2 = 一次測的換熱系數(shù)(W/m2 ): r! r. f+ v# w; r; C =傳熱板片的厚度(m); f8 X- L/ 0 h- " s3 9 e =板片的導(dǎo)熱系數(shù) (W/m ) R1、R2分別是兩側(cè)的污垢系數(shù) (m2 /W) 1、2可以用努賽爾準(zhǔn)則式求得。板式換熱器選型計算 板式換熱器是一種高效緊湊型熱交換設(shè)備，它具有傳熱效率高、阻力損失小、結(jié)構(gòu)緊湊、拆裝方便、操作靈活等優(yōu)點，目前廣泛應(yīng)用于冶金、機械、電力、石油、化工、制藥、紡織、造紙、食品、城鎮(zhèn)小區(qū)集中供熱等各個行業(yè)和領(lǐng)域，因此掌握板式換熱

8、器的選型計算對每個工程設(shè)計人員都是非常重要的。目前板式換熱器的選型計算一般分為手工簡易算法、手工標(biāo)準(zhǔn)算法及計算機算法三種，以下就三種算法的特點進行簡要的說明。一、手工簡易算法計算公式： F=Wq/(K*T) 式中 F 換熱面積 m2 Wq換熱量W K 傳熱系數(shù) W/m2· T平均對數(shù)溫差 根據(jù)選定換熱系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)，計算換熱量、平均對數(shù)溫差，設(shè)定傳熱系數(shù)，求出換熱面積。選定廠家及換熱器型號，計算板間流速，通過廠家樣本提供的傳熱特性曲線及流阻特性曲線，查出實際傳熱系數(shù)及壓降。若實際傳熱系數(shù)小于設(shè)定傳熱系數(shù)，則應(yīng)降低設(shè)定傳熱系數(shù)，重新計算。若實際傳熱系數(shù)大于設(shè)定傳熱系數(shù)，而實際壓降大于設(shè)

9、定壓降，則應(yīng)進一步降低設(shè)定傳熱系數(shù)，增大換熱面積，重新計算。經(jīng)過反復(fù)校核，直到計算結(jié)果滿足換熱系統(tǒng)的要求，最終確定換熱器型號及換熱面積大小。這種算法的優(yōu)點是計算簡單，步驟少，時間短；缺點是結(jié)果不準(zhǔn)確，應(yīng)用范圍窄。造成結(jié)果不準(zhǔn)確的原因主要是樣本所提供的傳熱特性曲線及流阻特性曲線是一定工況條件下的曲線，而設(shè)計工況可能與之不符。此外樣本所提供的傳熱特性曲線及流阻特性曲線僅為水水換熱系統(tǒng)，在使用中有很大的局限性。 以下給出佛山顯像管廠總裝廠房低溫冷卻水及40熱水兩套換熱系統(tǒng)實例加以說明采用手工簡易算法得出的計算結(jié)果與實測結(jié)果的差別：BR35 F=36m2 北京市華都換熱設(shè)備廠低溫冷卻水系統(tǒng)工藝水冷凍水

10、 流量m3/h進水溫度出水溫度壓降MPa流量m3/h進水溫度出水溫度壓降MPa  計算結(jié)果5928170.031306110.06 實測結(jié)果6322170.0421722   BR05 F=5m2 北京市華都換熱設(shè)備廠 40熱水系統(tǒng)工藝水高溫水 流量m3/h進水溫度出水溫度壓降MPa流量m3/h進水溫度出水溫度壓降MPa  計算結(jié)果610400.00606990700.008 實測結(jié)果1033390.0219036  二、手工標(biāo)準(zhǔn)算法計算方法與步驟（一）工藝條件 熱

11、介質(zhì) 進出口溫度Th1 Th2 流量 m3/h Qh 壓力損失（允許值）MPa Ph 冷介質(zhì) 進出口溫度 Tc1 Tc2 流量 m3/h Qc 壓力損失（允許值）MPa Pc （二）物性參數(shù) 物性溫度 Th=(Th1+Th2)/2 Tc=(Tc1+Tc2)/2 介質(zhì)重度 Kg/m3 h c 介質(zhì)比熱 KJ/kg· Cph Cpc 導(dǎo)熱系數(shù) W/m· h c 運動粘度 m2/s h c 普朗特數(shù) Prh Prc （三）平均對數(shù)溫差（逆流） T=(Th1-Tc2)-(Th2-Tc1)/ln(Th1-Tc2)/(Th2-Tc1) 或T=(Th1-Tc2)+(Th2-Tc1)/2

12、（分子等于零） （四）計算換熱量 Wq=Qh*h*Cph*(Th1-Th2)=Qc*c*Cpc*(Tc2-Tc1) W （五）設(shè)備選型 根據(jù)樣本提供的型號結(jié)合流量定型號，主要依據(jù)于角孔流速。即： Wl=4*Q/(3600*D2) 3.54.5m/s Wl角孔流速 m/s Q 介質(zhì)流量 m3/h D 角孔直徑 m （六）定型設(shè)備參數(shù)（樣本提供） 單板換熱面積 s m2 單通道橫截面積 f m2 板片間距 l m 平均當(dāng)量直徑 de m (d2*l) 傳熱準(zhǔn)則方程式 Nu=a*Reb*Prm 壓降準(zhǔn)則方程式 Eu=x*Rey Nu努塞爾數(shù) Eu歐拉數(shù) a.b.x.y板形有關(guān)參數(shù)、指數(shù) Re雷諾數(shù)

13、Pr普朗特數(shù) m 指數(shù) 熱介質(zhì) m=0.3 冷介質(zhì) m=0.4 （七）擬定板間流速初值Wh 或 Wc Wc=Wh*Qc/Qh （純逆流時）W取0.10.4m/s （八）計算雷諾數(shù) Re=W*de/ W 計算流速 m/s de當(dāng)量直徑 m 運動粘度 m2/s （九）計算努塞爾數(shù) Nu=a*Reb*Prm （十）計算放熱系數(shù) =Nu*/de放熱系數(shù) W/m2·導(dǎo)熱系數(shù) W/m·分別得出h、c熱冷介質(zhì)放熱系數(shù) （十一）計算傳熱系數(shù) K=1/(1/h+1/c+rp+rh+rc) W/m2· rp板片熱阻 0.0000459m2·/W rh熱介質(zhì)污垢熱阻 0.00

14、001720.0000258m2·/W rc冷介質(zhì)污垢熱阻 0.00002580.0000602m2·/W （十二）計算理論換熱面積 Fm=Wq/(K*T) （十三）計算換熱器單組程流道數(shù)n=Q/(3600*f*W) （圓整為整數(shù)）Q流量 m3/h f單通道橫截面積 m2 W板間流速 m/s （十四）計算換熱器程數(shù)N=(Fm/s+1)/(2*n)N為1的整數(shù) s單板換熱面積 m2 （十五）計算實際換熱面積 F=(2*N*n-1)*s （純逆流） （十六）計算歐拉數(shù)Eu=x*Rey （十七）計算壓力損失P=Eu*W2*N*10-6 MPa 介質(zhì)重度 Kg/m3 W板間流速 m

15、/s N換熱器程數(shù) 選定廠家，根據(jù)角孔流速確定換熱器型號，從手冊查出在設(shè)計工況下冷、熱介質(zhì)的各種物理參數(shù)，根據(jù)廠家樣本提供的傳熱經(jīng)驗公式及流阻經(jīng)驗公式，初步設(shè)定流體的板間流速，求出雷諾數(shù)，經(jīng)計算得出傳熱系數(shù)及壓力損失，在實際換熱面積不小于理論換熱面積的前提下，若壓力損失大于許用值，則應(yīng)進一步降低初定的板間流速，重新計算。經(jīng)過反復(fù)校核，直到計算結(jié)果滿足換熱系統(tǒng)的要求，最終確定換熱器型號及換熱面積大小。這種算法的優(yōu)點是計算結(jié)果準(zhǔn)確，應(yīng)用范圍廣；缺點是計算復(fù)雜，步驟多，時間長。 三、計算機算法 利用計算機進行板式換熱器選型計算，充分發(fā)揮了計算機運算速度快的特長，一個計算在微機上幾秒鐘內(nèi)就能完成，且結(jié)

16、果的準(zhǔn)確性是手算難以達到的。板換廠家選型計算軟件中存貯了計算所需的不同水溫時水的各種物理參數(shù)及板式換熱器定型設(shè)備的所有參數(shù)，設(shè)計人員在計算機上進行計算時只需輸入工藝條件（如水量、水溫、壓降等）就能馬上得出計算結(jié)果，這為設(shè)計人員提供了極大的方便。計算人員還可以輸入不同的工藝條件（如水量、水溫相同，壓降不同等）或更換換熱器型號以得出不同的計算結(jié)果，通過對結(jié)果的比較、優(yōu)化，最終選定既經(jīng)濟合理又性能可靠的板式換熱器。 設(shè)計人員在要求板換廠家提供板式換熱器選型計算書時，除了向板換廠家提供換熱系統(tǒng)的換熱量（或液體流量）、冷熱介質(zhì)的進出水溫、壓力損失外，還應(yīng)該提供污垢系數(shù)（亦稱污垢熱阻）。壓力損失、污垢系數(shù)

17、的設(shè)定值對選型是非常重要的。壓力損失設(shè)定值過大，換熱面積減小，雖然節(jié)省了設(shè)備一次性投資，但使換熱系統(tǒng)的能量消耗增加、維護清洗費用增加、設(shè)備運行時間縮短；壓力損失設(shè)定值過小，換熱面積增大，造成設(shè)備一次性投資增加。要達到既節(jié)省了一次性投資，又使能量消耗、維護清洗費用達到一個合理值，最佳的壓力損失為0.03MPa。污垢系數(shù)因換熱介質(zhì)不同而不同，設(shè)計人員不應(yīng)為了安全而盲目將污垢系數(shù)取大，污垢系數(shù)最大不超過0.000103m2·/W。以下給出常用介質(zhì)板式換熱器的污垢系數(shù)：液體的種類污垢系數(shù)（m2·/W）軟水或蒸餾水0.0000086低硬度的工業(yè)用水0.0000172高硬度的工業(yè)用水0

18、.000043處理過的冷卻塔循環(huán)水0.000034潤滑油0.00001720.000043植物油0.00001720.000052有機溶劑0.00000860.000026 以下分別給出瑞典舒瑞普公司及北京華海換熱器廠對某一換熱系統(tǒng)的計算結(jié)果，并對結(jié)果進行分析和比較：計算條件工藝水 Q=25m3/h Th1=25 Th2=20 壓力損失0.05MPa冷凍水 Tc1=5 Tc2=10 污垢系數(shù)0.1 m2·/kW 瑞典舒瑞普公司計算結(jié)果工藝水流量（m3/h）25.0冷凍水流量（m3/h）24.9工藝水進口溫度（）25.0冷凍水進口溫度（）5.0工藝水出口溫度（）20.0冷凍水

19、出口溫度（）10.0工藝水平均溫度（）22.5冷凍水平均溫度（）7.5工藝水容重（Kg/m3）996.7冷凍水容重（Kg/m3）1001.0工藝水比熱（KJ/Kg·）4.189冷凍水比熱（KJ/Kg·）4.207工藝水導(dǎo)熱系數(shù)（W/m·）0.608冷凍水導(dǎo)熱系數(shù)（W/m·）0.585工藝水運動粘度（10-6·m2/s）1.027冷凍水運動粘度（10-6·m2/s）1.285工藝水壓力損失（MPa）0.05冷凍水壓力損失（MPa）0.05工藝水角孔直徑（mm）70冷凍水角孔直徑（mm）70工藝水角孔流速（m/s）1.80冷凍水角孔流速（

20、m/s）1.80工藝水板間流速（m/s）1.00冷凍水板間流速（m/s）1.00工藝水雷諾數(shù)6190冷凍水雷諾數(shù)4150平均對數(shù)溫差（）15污垢系數(shù)（m2·/kW）0.125換熱量（kW）145.4傳熱系數(shù)（W/m2·）3847換熱面積（m2）2.52換熱器程數(shù)1換熱器型號GX-12板片總數(shù)23板片材料AISI 316板片厚度（mm）0.5墊片材料 NBR(S)最高工作壓力（MPa）1.6     北京華海換熱器廠計算結(jié)果工藝水流量（m3/h）25.0冷凍水流量（m3/h）8.08工藝水進口溫度（）25.0冷凍水進口溫度（）

21、5.0工藝水出口溫度（）20.0冷凍水出口溫度（）20.4工藝水平均溫度（）22.5冷凍水平均溫度（）12.7工藝水容重（Kg/m3）997.1冷凍水容重（Kg/m3）999.7工藝水比熱（KJ/Kg·）4.1784冷凍水比熱（KJ/Kg·）4.1948工藝水導(dǎo)熱系數(shù)（W/m·）0.608冷凍水導(dǎo)熱系數(shù)（W/m·）0.575工藝水運動粘度（10-6·m2/s）0.89冷凍水運動粘度（10-6·m2/s）1.31工藝水壓力損失（MPa）0.05冷凍水壓力損失（MPa）0.02工藝水角孔直徑（mm）70冷凍水角孔直徑（mm）70工藝水角孔

22、流速（m/s）1.80冷凍水角孔流速（m/s）0.58工藝水板間流速（m/s）0.42冷凍水板間流速（m/s）0.13工藝水雷諾數(shù)3278冷凍水雷諾數(shù)828平均對數(shù)溫差（）8.80污垢熱阻（m2·/kW）0.1換熱量（kW）144.7傳熱系數(shù)（W/m2·）2251換熱面積（m2）7.6換熱器程數(shù)1換熱器型號BR20板片總數(shù)35板片材料SUS 304板片厚度（mm）0.7墊片材料EPNM最高工作壓力（MPa）1.6       從計算結(jié)果可以看出，舒瑞普公司在計算中采用溫度設(shè)定值不變，通過調(diào)整污垢系數(shù)，改變傳熱系數(shù)來

23、滿足傳熱方程F=Wq/(K*T)。北京華海換熱器廠在計算中采用污垢系數(shù)設(shè)定值不變，通過調(diào)整冷凍水出口溫度，改變平均對數(shù)溫差及傳熱系數(shù)來滿足傳熱方程F=Wq/(K*T)。換熱面積的確定在多數(shù)情況下取決于設(shè)計工況的壓力損失設(shè)定值。北京華海換熱器廠通過增加板片數(shù)量使流道數(shù)增加、降低板間流速來滿足設(shè)計工況對壓力損失的要求。舒瑞普公司不僅可以通過增加板片數(shù)量來降低壓力損失，而且在板片數(shù)量不變的前提下通過改變板片的組合也能在一定范圍內(nèi)降低壓力損失，這主要依賴于舒瑞普公司先進的板片設(shè)計，它使得舒瑞普公司所選用的板式換熱器跟設(shè)計工況比較接近，而且換熱面積取值較小。北京華海換熱器廠選型計算結(jié)果的主要特點是與實際工況比較接近，它會在自控要求很高的換熱系統(tǒng)中，為正確選擇自控閥提供較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。 板式換熱器不同于其它設(shè)備的最顯箸特點是它的非標(biāo)準(zhǔn)化，每個設(shè)