新型板式換熱器的優(yōu)化選型

1、新型板式換熱器的優(yōu)化選型     摘要：板式換熱器的優(yōu)化選型是根據(jù)換熱器的用途和工藝過(guò)程中的參數(shù)和NTUKAMCttm，即傳熱單元數(shù)NTU和溫差比（對(duì)數(shù)平均溫差換熱的動(dòng)力）選擇板片形狀、板式換熱器的類型和結(jié)構(gòu)。 關(guān)鍵詞：平均溫差 NTU 板式蒸發(fā)器 冷凝器 1 平均溫差tm從公式QKtmA，tm1AA（t1t2）dA中可知，平均溫差tm是傳熱的驅(qū)動(dòng)力，對(duì)于各種流動(dòng)形式，如能求出平均溫差，即板面兩側(cè)流體間溫差對(duì)面積的平均值，就能計(jì)算出換熱器的傳熱量。平均溫差是一個(gè)較為直觀的概念，也是評(píng)價(jià)板式換熱器性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。1.1 對(duì)數(shù)平均溫差的計(jì)算當(dāng)換熱器傳熱量

2、為dQ，溫度上升為dt時(shí)，則CdQdt，將C定義為熱容量，它表示單位時(shí)間通過(guò)單位面積交換的熱量，即dQK（thtc）dAKtdA，兩種流體產(chǎn)生的溫度變化分別為dthdQCh，dtcdQCc，dtd（thtc）dQ（1Cc1Ch）,則dA1k（1Cc1Ch）?（dtt），當(dāng)從A0積分至AA0時(shí)，A01k（1Cc1Ch）?R（thotci）（thitco），由于兩種流體間交換的熱量相等，即QCh（thitho）Cc（tcotci），經(jīng)簡(jiǎn)化后可知，QKA0（thotci）（thitco）?R（thotci）（thitco），若t1thitco，t2thotci，則QKA0（t1t2）?R（t1t2）

3、KA0tm，式中的tm（t1t2）?R（t1t2）。順流 tm（thitci）（thotco） ?R（thitci）（thotci）逆流 tm（thitco）（thotci） ?R（thitco）（thotci）對(duì)于各種流動(dòng)型式，在相同的進(jìn)口、出口溫度條件下，逆流的平均溫差最大。當(dāng)板式換熱器入口和出口兩流體的溫差t1和t2之間的差不大時(shí)，可采用算術(shù)平均溫差（t1t2）2，一般t1t2小于1.5時(shí)，可采用，若tt2為3時(shí)，則誤差約為10%。1.2 傳熱單元數(shù)法在傳熱單元數(shù)法中引入一個(gè)無(wú)量綱參數(shù)NTU，稱為傳熱單元數(shù)，它表示板式換熱器的總熱導(dǎo)（即換熱器傳熱熱阻的倒數(shù)）與流體熱容量的比值NTUKAM

4、C，它表示相對(duì)于流體熱容流量，該換熱器傳熱能力的大小，即換熱器的無(wú)量綱“傳熱能力”。對(duì)于板式換熱器來(lái)說(shuō)，KAMCttm，式中ttm稱為溫差比，上式中的右邊的工藝過(guò)程用NTUp表示，左邊的換熱設(shè)備的條件用NTUE表示。NTUp是流體溫度的變化與平均溫差的比值，表示的是用1tm的變化引起幾度流體溫度變化的值，當(dāng)tm大時(shí)，NTUp則??；當(dāng)tm小時(shí)，它有變大的傾向。相反，在NTUp變大的過(guò)程中，tm的溫度變化較大，NTUp較小時(shí)，其tm的溫度變化較?。ㄒ?jiàn)表1）。表1 tm，NTUp的關(guān)系 tm大tm小NTUp小NTUp大NTUp大NTUp小tm的溫度變化大tm的溫度變化小板式換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算，就是

5、在已知溫差比NTUE的條件下，合理地確定其型號(hào)、流程和傳熱面積，使NTUp等于NTUE。1.3 換熱過(guò)程和NTU與供熱空調(diào)相關(guān)的換熱過(guò)程如下如示： 用蒸汽加熱水 水水換熱a. 蒸汽133133c. 一次水6560水565（生活熱水） 二次水4540（采暖）b. 蒸汽133133d. 一次水149水5565（采暖）二次水137（制冷）e. 一次水2924二次水2621（制冷機(jī)的冷卻）以上5例工藝過(guò)程的NTUp（見(jiàn)表2）表2 供熱空調(diào)工藝過(guò)程的NTUp 過(guò)程tmNTUp86（655）94.860.632b133133556572.88（6555）72.880.13c656

6、0454020.00（4540）200.25d1491371.44（137）1.444.17e292426213.00（2621）31.671.4 板式換熱器和NTUENTUE表示板式換熱器的能力，換熱器的面積是具有一定傳熱長(zhǎng)度的單位傳熱體的組合，總傳熱長(zhǎng)度是單位長(zhǎng)度和流程數(shù)的乘積。當(dāng)NTUE是總數(shù)時(shí)，若每1流程數(shù)為NTUe時(shí)，則NTUEn?NTUe（其中n是流程數(shù)）。當(dāng)NTUeNTUENTUp時(shí)，換熱器為單程。若NTUe?NTUp時(shí)，則換熱器應(yīng)為多流程，故設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)先預(yù)定n。由于每種板片單程的NTUe值基本上是定值，如適合表2中e的流量為25m3h的單程板式換熱器的NTUe為17?O。從NTU

7、eA?KMC可知，當(dāng)NTUe為定值時(shí)，A?K成反比，仍以e為例，當(dāng)K500kcal?O?h?時(shí)，A1.67×2500050083.5?O，流程數(shù)n83.5175。當(dāng)K2500kcal?O?h?時(shí)，A16.7?O，流程數(shù)n1。每一流程的NTUe如下所示：K500，NTUeNTUEn0.33，K2500時(shí)，NTUe1.67。由此可知，根據(jù)NTUe即可求出換熱器的流程數(shù)，傳熱系數(shù)和傳熱面積。從以上分析可知，若板式換熱器設(shè)計(jì)不合理，可能使換熱面積過(guò)大，也可能使板間流速太高，阻力過(guò)大。1.5 板式換熱器制造技術(shù)的進(jìn)步，板片種類的增加，提高了板式換熱器對(duì)各種工藝過(guò)程的適應(yīng)性。 大NTU（8），小

8、tm（12）的板式換熱器滿足了區(qū)域供冷和熱泵機(jī)組蒸發(fā)器、冷凝器的要求。從以上分析可知，tm是換熱的驅(qū)動(dòng)力，若tm小，即意味著驅(qū)動(dòng)力小，要實(shí)現(xiàn)兩種流體之間的換熱，必須增大傳熱系數(shù)，增大傳熱面積，為了使傳熱面積不至過(guò)大，唯一的方法是增大傳熱系數(shù)K。 淺密波紋板片是北京市京海換熱設(shè)備制造有限責(zé)任公司開(kāi)發(fā)的新型板片，它的傳熱系數(shù)約為7000W?O?K，是水平平直波紋板的2倍，是人字形波紋板的1.5倍，在區(qū)域供冷中應(yīng)用時(shí)，檢測(cè)的tm約為1.2。在作為冰蓄冷的乙二醇和冷凍水的換熱器使用中，tm約為1.5。 板式蒸發(fā)器、板式冷凝器也是北京市京海換熱設(shè)備制造有限責(zé)任公司開(kāi)發(fā)的適應(yīng)于熱泵機(jī)組的新型換熱器。與管殼

9、式蒸發(fā)器、冷凝器相比，它具有如下優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)板式蒸發(fā)器、板式冷凝器的傳熱面積約是管殼式換熱器的3倍；板式蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)約為10001200 W?O?K，板式冷凝器的傳熱系數(shù)約為15002000 W?O?K均為管殼式換熱器的23倍；在板式蒸發(fā)器上采用了使制冷劑液體分布均勻的分配器裝置，當(dāng)蒸發(fā)器板片數(shù)較多時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)制冷劑液體分配不均的問(wèn)題，不能充分利用所有蒸發(fā)傳熱面積，使蒸發(fā)溫度低于設(shè)計(jì)計(jì)算溫度。采用分配器后即能克服上述問(wèn)題。有關(guān)單位檢測(cè)數(shù)據(jù)說(shuō)明，板式蒸發(fā)器、板式冷凝器的傳熱系數(shù)在tm約為2.53時(shí)，在15002000 W?O?K之間，且阻力小，滿足了熱泵機(jī)組的要求。 小NTU（0.32

10、），大tm（4090）的板式換熱器滿足了熱回收工藝和工藝加熱、冷卻的要求。當(dāng)工藝過(guò)程在大tm的條件下進(jìn)行換熱時(shí)，說(shuō)明驅(qū)動(dòng)力大，所需的傳熱面積較小，對(duì)傳熱系數(shù)要求也不高，但，這種工藝過(guò)程或者工作壓力高，或者工作溫度高，或者工藝加熱、冷卻過(guò)程的液體中含有纖維或直徑較大的顆粒，對(duì)板式換熱器的承壓、耐溫能力提出了要求，對(duì)換熱器的板間距提出了要求。 排（煙）氣水板殼式換熱器（省能器），排（煙）氣空氣板殼式換熱器（空氣預(yù)熱器）是北京市京海換熱設(shè)備制造有限責(zé)任公司和蘭石化共同開(kāi)發(fā)出來(lái)的新型板式換熱器，全焊接板式換熱器中介質(zhì)的換熱是通過(guò)板管束來(lái)實(shí)現(xiàn)的，組成板管束的板片由專用模具壓制成型，全焊接式板束裝在壓力殼

11、內(nèi)。波紋板片具有靜攪拌作用，能在很低的雷諾數(shù)下形成湍流，且污垢系數(shù)低，傳熱系數(shù)是管殼式換熱器的23倍。為了適應(yīng)換熱量大，流體壓降小的要求，板間距大，當(dāng)量直徑約為28?L。為了滿足工藝的要求板束工作壓力（反壓）P4.5Mpa，板束工作壓力（正壓）同殼體工作壓力，不受限制；工作溫度t550。烏魯木齊石化分公司40萬(wàn)噸年連續(xù)重整采用了進(jìn)料（冷介質(zhì)）和出料（熱介質(zhì)）的板殼式換熱器，進(jìn)料流量50th，進(jìn)、出口溫渡88，470。出料流量50th，進(jìn)、出口溫度100，500，對(duì)數(shù)平均溫差約38，總傳熱系數(shù)約為380kcal?O?h?，熱負(fù)荷達(dá)23×106kcalh，進(jìn)料壓降20Kpa，出料壓降50

12、Kpa。 多效蒸發(fā)板式加熱器（換熱器），這種換熱器既是工藝加熱裝置，又是重要的熱回收裝置。以前由于板式換熱器的流道?。ò彘g距1.55.0?L），不適宜于氣氣換熱和蒸氣冷凝；且易堵塞，故不宜用于含懸浮物的流體。為了盡量地發(fā)揮板式換熱器的長(zhǎng)處，克服存在問(wèn)題，適應(yīng)工藝的要求，北京市京海換熱設(shè)備制造有限責(zé)任公司開(kāi)發(fā)出了新型的多效蒸發(fā)板式換熱器，這種板式換熱器屬寬流道型，其板間距為8.0?L，適合于蒸氣冷凝，適合于含懸浮物的流體，且不易堵塞，最大處理量達(dá)1200m3h。百事通 2 傳熱系數(shù)和阻力2.1 板式換熱器的傳熱系數(shù)和阻力換熱器中常使用換熱器的“傳熱面積”和“傳熱系數(shù)”述語(yǔ)，這是一種習(xí)慣的有特定含

13、義的名稱。因?yàn)閾Q熱器間壁兩側(cè)的表面積可能不同，所謂“換熱器的傳熱面積”實(shí)際上是指約定的某一側(cè)的表面積，習(xí)慣上一般把換熱系數(shù)較小的一側(cè)的流體所接觸的壁面表面積稱為該換熱器的傳熱面積，相對(duì)于該傳熱面積，單位時(shí)間、單位面積、在單位溫差下所傳遞的熱流量，稱為該換熱器的傳熱面積，因此傳熱系數(shù)也是相對(duì)于約定的某一側(cè)的表面積而言的。在換熱器結(jié)構(gòu)和估算中使用“傳熱面積”和“傳熱系數(shù)”是方便的。而在換算器傳熱分析中，則用傳熱熱阻1（KA）。板式換熱器的熱阻計(jì)算式如下：1KA1AW（1?e1F1F21?e2）式中，K傳熱系數(shù)，W?O?； A表面積，?O；AW平壁面積，?O； 板片厚度，m；F污垢系數(shù)，?O?W。下

14、標(biāo)：1與流體1接觸側(cè)；2與流體2接觸側(cè)。2.1.1 換熱系數(shù) 對(duì)于紊流狀態(tài)，不同形狀板片的換熱規(guī)律，一般可歸納為如下形式，NuCRenPrm（µµw）p式中，Nu及Re中的特征尺寸用當(dāng)量直徑d，d4Wb（2W2b）W板片寬度，m；b板片間距，m。c、n、m、p值的大致范圍如下：c0.150.40，n0.650.85m0.300.45（通常用13），p0.050.20臨介雷諾數(shù)在10400左右，取決于板片形狀。 對(duì)于層流狀態(tài)，板片的換熱規(guī)律可歸納為：NuC（RePrdL）n（µµw）p式中，c、n、p值的范圍一般為c1.864.50，n0.250.33，p

15、0.10.2（通常為0.14）L板片長(zhǎng)度，m。由于板片形狀復(fù)雜，必須根據(jù)試驗(yàn)測(cè)定所得的換熱規(guī)律，作為該板片換熱器傳熱計(jì)算的依據(jù)。2.1.2 阻力板式換熱器總的流體阻力可用下式表示：pf?（Ld）（22）?n （Pa）式中，流道中速度，ms；n流程數(shù)；f板片通道摩擦阻力系數(shù)。對(duì)于不同形狀的板片，其通道的摩擦阻力系數(shù)相差很大，必須以試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為阻力計(jì)算的依據(jù)。2.2 在常用間壁式換熱器中板式換熱器的傳熱系數(shù)較大2.2.1 板式換熱器的傳熱系數(shù)（見(jiàn)表3），從表3可知，板式換熱器的傳熱系數(shù)約為管殼式的23倍。表3 板式換熱器的傳熱系數(shù) 工作介質(zhì)傳熱系數(shù) W?O?水水水平平直波紋板人字形波紋板淺密波紋板

16、35004000（約為管殼式的23倍）4500520060007000蒸氣水制冷劑、冷凝器制冷劑、蒸發(fā)器15002000（約為管殼式的23倍）10001500（約為管殼式的23倍）水蒸氣水30004000水蒸氣（或熱水）油800930冷水油400580油油170350煙氣水（板殼式）3004002.3 非對(duì)稱流道提高了板式換熱器的傳熱系數(shù)，降低了阻力。當(dāng)忽略板片的導(dǎo)熱熱阻后，板式換熱器的傳熱系數(shù)K?e1?e2（?e1?e2），從該式可知，傳熱系數(shù)K與?e1、?e2有關(guān)，且小于二者中較小的一個(gè)。為了提高傳熱系數(shù)，必須同時(shí)提高冷、熱流體與板面之間的對(duì)流換熱系數(shù)，如果其中一側(cè)?e值較低的話，板式換熱

17、就不能很好地發(fā)揮它的效益。在城市集中供熱系統(tǒng)中，根據(jù)熱力網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范，國(guó)內(nèi)所采用的一次熱媒的溫度一般為15080，13080和11080三種，二次熱媒的溫度一般為9570。在這樣的設(shè)計(jì)參數(shù)下，板式換熱器一次熱媒流道內(nèi)的流量一般為二次熱媒流通內(nèi)流量的一半左右，對(duì)于對(duì)稱性流道來(lái)說(shuō)，一次熱媒的流速僅為二次熱媒流速的50%左右，則一次熱媒流道內(nèi)流體與板面間的對(duì)流換熱系數(shù)約為二次熱媒流通內(nèi)的70%，傳熱系數(shù)約為25003700W?O?。若將一次熱媒流道內(nèi)的對(duì)流換熱系數(shù)提高到原來(lái)的1.5倍，則總傳熱系數(shù)將增加到30004500 W?O?。北京市京海換熱設(shè)備制造有限責(zé)任公司開(kāi)發(fā)的非對(duì)稱流道板式換熱器是采用同一

18、板片組成不同幾何尺寸和形狀的流道（非對(duì)稱流道）解決了兩側(cè)水流量不等的問(wèn)題。圖2表示兩側(cè)流道流通截面積不等的波紋板片示意圖。這種新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與對(duì)稱結(jié)構(gòu)相比具有相同的耐壓性能和使用壽命。表4表示在熱力網(wǎng)規(guī)范規(guī)定的一次側(cè)、二次側(cè)溫度條件下，板式換熱器兩側(cè)各項(xiàng)參數(shù)比之間的關(guān)系。從該表可知，當(dāng)A1A1（對(duì)稱型）時(shí)，兩側(cè)流速比為1:2.4，換熱系數(shù)比為1:1.8，壓力降比為1:5.3，流動(dòng)功率比為1:1.3。若將板式換熱器改為非對(duì)稱型，當(dāng)A1A2的流道流通面積比為1:2.4時(shí)，則兩側(cè)換熱系數(shù)近似相等，流通功率損失僅差13%，說(shuō)明這種流通面積比具有較好的傳熱系數(shù)。表4 板式換熱器兩側(cè)各項(xiàng)參數(shù)比之間的關(guān)系 A1A212?e1?e2P1P2N1N210.410.550.190.0780.411