板式換熱器的計(jì)算方法

1、板式換熱器的計(jì)算方法板式換熱器的計(jì)算是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，目前比較流行的方法是對(duì)數(shù)平均溫差法和 NTU 法。在計(jì)算機(jī)沒有普及的時(shí)候，各個(gè)廠家大多采用計(jì)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(jì)算機(jī)計(jì)算，這樣，板式換熱器的工藝計(jì)算變得快捷、方便、準(zhǔn)確。以下簡要說明無相變時(shí)板式換熱器的一般計(jì)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(jì)計(jì)算方法。以下五個(gè)參數(shù)在板式換熱器的選型計(jì)算中是必須的：總傳熱量（單位:kW）.一次側(cè)、二次側(cè)的進(jìn)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(jìn)出口的溫度差，總傳熱量即可計(jì)算得出。溫度

2、T1 = 熱側(cè)進(jìn)口溫度* A3 F7 y& G7 S+ QT2 = 熱側(cè)出口溫度3 s' _% s5 s. T" D0 q4 bt1 = 冷側(cè)進(jìn)口溫度& L8 : |; B: t2 M2 w$ zt2= 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(duì)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(jìn)行熱衡算時(shí)，對(duì)有、無相變化的傳熱過程其表達(dá)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

3、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） / ACph,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(jìn)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一側(cè)有相變化1 Y# e$ B6 c& z% C3 W- W* J兩側(cè)物

4、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。則應(yīng)按以上方法分段進(jìn)行加和計(jì)算。對(duì)于過冷或過熱物流發(fā)生相變時(shí)的熱流量衡算，對(duì)數(shù)平均溫差(LMTD)對(duì)數(shù)平均溫差是換熱器傳熱的動(dòng)力，對(duì)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(jì)算對(duì)數(shù)平均溫差,此時(shí)用算術(shù)平均溫差代替對(duì)數(shù)平均溫差，介質(zhì)在逆流情況和在并流情況下的對(duì)數(shù)平均溫差的計(jì)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(duì)數(shù)平均溫差。熱長 (F)熱長和一側(cè)的溫度差和對(duì)數(shù)平均溫差相關(guān)聯(lián)。F = dt/LMTD以下四個(gè)介質(zhì)的物理性質(zhì)影響的傳熱：密度、

5、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(gè)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(huì)損失泵的功率，增加運(yùn)行費(fèi)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(dòng)是處于高湍流狀態(tài)，同一種介質(zhì)的相對(duì)于板式換熱器的污垢系數(shù)要小的多。在無法確定水的污垢系數(shù)的情況下，在計(jì)算時(shí)可以保留10%的富裕量。計(jì)算方法熱負(fù)荷可以用下式表示：Q =

6、m cp - dtQ = 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(jìn)出口溫度差() # A6 n% p- ' yk = 總傳熱系數(shù)(W/m2 )A = 傳熱面積(m2)LMTD = 對(duì)數(shù)平均溫差總的傳熱系數(shù)用下式計(jì)算：其中: 卜二總傳熱系數(shù)（W/m2 C）a 1 = 一次測的換熱系數(shù)（W/m2 C）a 2 = 一次測的換熱系數(shù)（W/m2 C）: r! r. f+ v# w; r; C6 二傳熱板片的厚度（m）； f8 X- L/ 0 h- &qu

7、ot; s3 A9 e入二板片的導(dǎo)熱系數(shù)（W/m C）R1、R2分別是兩側(cè)的污垢系數(shù)（m2 C/W）al、a 2可以用努賽爾準(zhǔn)則式求得。板式換熱器選型計(jì)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(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于冶金、機(jī)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(gè)行業(yè)和領(lǐng)域，因此掌握板式換熱器的選型計(jì)算對(duì)每個(gè)工程設(shè) 計(jì)人員都是非常重要的。目前板式換熱器的選型計(jì)算一般分為手工簡易算法、手工標(biāo)準(zhǔn)算法及計(jì) 算機(jī)算法三種，以下就三種算法的特點(diǎn)進(jìn)行簡要的說明。一、手工簡易算法計(jì)算公式：F=Wq/（K* AT）式中 F

8、 一換熱面積m2Wq 一換熱量 WK 一傳熱系數(shù)W/m 2 C T平均對(duì)數(shù)溫差C根據(jù)選定換熱系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)，計(jì)算換熱量、平均對(duì)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(hào)，計(jì)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(shí)際傳熱系數(shù)及壓降。若實(shí)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(jì)算。若實(shí)際傳熱系數(shù)大于設(shè)定傳熱系數(shù)，而實(shí)際壓降大于設(shè)定壓降，則應(yīng)進(jìn)一步降低設(shè)定傳 熱系數(shù)，增大換熱面積，重新計(jì)算。經(jīng)過反復(fù)校核，直到計(jì)算結(jié)果滿足換熱系統(tǒng)的要求，最終確 定換熱器型號(hào)及換熱面積大小。這種算法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡單，步驟少，時(shí)間短；缺點(diǎn)是結(jié)果不準(zhǔn) 確，應(yīng)用范圍

9、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(jì)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 線僅為水一水換熱系統(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 40c熱水兩套換熱系統(tǒng)實(shí)例加以說明采用手 工簡易算法得出的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的差別： BR35 F=36” 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8M:m3/h進(jìn)水溫 度 C出水溫 度 C壓降MPa8M:m3/h進(jìn)水溫 度 C出水溫 度 C壓降MPa計(jì)算結(jié)592817130611實(shí)即結(jié)63221721722果BR05 F=5m2 北京市華都

10、換熱設(shè)備廠40c熱水系統(tǒng)工藝水高溫水8M:m3/h進(jìn)水溫 度 C出水溫 度 C壓降MPa8M:m3/h進(jìn)水溫 度 C出水溫 度 C壓降MPa計(jì)算結(jié)果6104099070實(shí)測結(jié)果10333919036、手工標(biāo)準(zhǔn)算法計(jì)算方法與步驟（一）工藝條件熱介質(zhì)進(jìn)出口溫度CTh1Th2m3/hQh壓力損失（允許值）MPa Ph冷介質(zhì)進(jìn)出口溫度CTc1Tc2m3/hQc壓力損失（允許值）MPa Pc（二）物，性參數(shù)物性溫度C Th=(Th1+Th2)/2Tc=(Tc1+Tc2)/2”質(zhì)重度Kg/m3Y hy C介質(zhì)比熱KJ/kg -CCph導(dǎo)熱系數(shù)W/mC入h運(yùn)動(dòng)粘度m2/svh普朗特?cái)?shù)Prh(三)平均對(duì)數(shù)溫差

11、(逆流) T=(Th1-Tc2)-(Th2-Tc1)/ln(Th1-Tc2)/(Th2-Tc1)或4 T=(Th1-Tc2)+(Th2-Tc1)/2（分子等于零）（四）計(jì)算換熱量Wq=Qh* T h*Cph*（Th1-Th2）=Qc* 丫 c*Cpc*（Tc2-Tc1）（五）設(shè)備選型根據(jù)樣本提供的型號(hào)結(jié)合流量定型號(hào)，主要依據(jù)于角孔流速Cpc入cv CPrcW即：Wl=4*Q/（3600* 九*D2）&sWl一角孔流速m/sQ 一介質(zhì)流量m3/hD 一角孔直徑m（六）定型設(shè)備參數(shù)（樣本提供）單板換熱面積 單通道橫截面積板片間距平均當(dāng)量直徑傳熱準(zhǔn)則方程式 壓降準(zhǔn)則方程式 Nu努塞爾數(shù)s m

12、2 f m2l mde m (d = 2*l) Nu=a*Reb*Prm Eu=x*ReyEu歐拉數(shù)一板形有關(guān)參數(shù)、指數(shù)Re雷諾數(shù)Pr普朗特?cái)?shù)m 一指數(shù)（七）擬定板間流速初值Wc=Wh*Qc/QhW取s（八）計(jì)算雷諾數(shù)Re=W*de/ 、熱介質(zhì) m= 冷介質(zhì) m=Wh 或 Wc（純逆流時(shí)）W 一計(jì)算流速 de當(dāng)量直徑V 運(yùn)動(dòng)粘度（九）計(jì)算努塞爾數(shù)Nu=a*Reb*Prm（十）計(jì)算放熱系數(shù)a =Nu* 入 /dea放熱系數(shù)入一導(dǎo)熱系數(shù) 分別得出a h、（十一）計(jì)算傳熱系數(shù)m/s m m2/sW/m 2 . CW/m Ca c熱冷介質(zhì)放熱系數(shù)K=1/（1/ a h+1/ a c+rp+rh+rc）

13、W/m 2 Crp一板片熱阻 C /Wrh一熱介質(zhì)污垢熱阻 C /Wrc冷介質(zhì)污垢熱阻 C /W（十二）計(jì)算理論換熱面積Fm=Wq/（K* AT）（十三）計(jì)算換熱器單組程流道數(shù)n=Q/（3600*f*W）（圓整為整數(shù)）Q一流量m3/hf一單通道橫截面積m2W一板間流速m/s（十四）計(jì)算換熱器程數(shù)N=（Fm/s+1）/（2*n） N 為1 的整數(shù)s一單板換熱面積m2（十五）計(jì)算實(shí)際換熱面積F=（2*N*n-1）*s（純逆流）（十六）計(jì)算歐拉數(shù)Eu=x*Rey（十七）計(jì)算壓力損失 P=Eu*Y *W2*N*10 -6 MPaY 一介質(zhì)重度 Kg/m 3W一板間流速 m/sN一換熱器程數(shù)選定廠家，根

14、據(jù)角孔流速確定換熱器型號(hào)，從手冊(cè)查出在設(shè)計(jì)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(yàn)公式及流阻經(jīng)驗(yàn)公式，初步設(shè)定流體的板間流速，求出雷諾 數(shù)，經(jīng)計(jì)算得出傳熱系數(shù)及壓力損失，在實(shí)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(jìn)一步降低初定的板間流速，重新計(jì)算。經(jīng)過反復(fù)校核，直到計(jì)算結(jié)果滿足 換熱系統(tǒng)的要求，最終確定換熱器型號(hào)及換熱面積大小。這種算法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，應(yīng)用 范圍廣；缺點(diǎn)是計(jì)算復(fù)雜，步驟多，時(shí)間長。三、計(jì)算機(jī)算法利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行板式換熱器選型計(jì)算，充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度快的特長，一個(gè)計(jì)算 在微機(jī)上幾秒鐘內(nèi)就能完成，且結(jié)果的準(zhǔn)確性是手算難以達(dá)到

15、的。板換廠家選型計(jì)算軟件中 存貯了計(jì)算所需的不同水溫時(shí)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(jì)人 員在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行計(jì)算時(shí)只需輸入工藝條件（如水量、水溫、壓降等）就能馬上得出計(jì)算結(jié) 果，這為設(shè)計(jì)人員提供了極大的方便。計(jì)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(hào)以得出不同的計(jì)算結(jié)果，通過對(duì)結(jié)果的比較、優(yōu)化， 最終選定既經(jīng)濟(jì)合理又性能可靠的板式換熱器。設(shè)計(jì)人員在要求板換廠家提供板式換熱器選型計(jì)算書時(shí)，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(jìn)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)的設(shè)定值對(duì)選

16、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(hù)清洗費(fèi)用增 加、設(shè)備運(yùn)行時(shí)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(dá)到既節(jié)省了一次性投資，又使能量消耗、維護(hù)清洗費(fèi)用達(dá)到一個(gè)合理值，最佳的壓力損 失為。污垢系數(shù)因換熱介質(zhì)不同而不同，設(shè)計(jì)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 C /Wo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 C /W）軟水或蒸儲(chǔ)水低硬度的工業(yè)用水高硬度的工業(yè)用水處理過的冷卻塔循環(huán)水潤滑油一植物油一有機(jī)溶劑一以下分別給出瑞典舒瑞普公司及北京華海換熱

17、器廠對(duì)某一換熱系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果，并對(duì)結(jié) 果進(jìn)行分析和比較：計(jì)算條件工藝水Q=25m3/h Th1=25C Th2=20C壓力損失冷凍水 Tc1=5C Tc2=10C污垢系數(shù) m2C/kW瑞典舒瑞普公司計(jì)算結(jié)果工藝水流量（m3/h）冷凍水流量（m3/h）工藝水進(jìn)口溫度（C）冷凍水進(jìn)口溫度（C）工藝水出口溫度（C）冷凍水出口溫度（C）工藝水平均溫度（C）冷凍水平均溫度（C）工藝水谷重（Kg/m3）冷凍水谷重（Kg/m3）工藝水比熱（KJ/Kg C）冷凍水比熱（KJ/Kg C）工藝水導(dǎo)熱系數(shù)（W/m C）冷凍水導(dǎo)熱系數(shù)（W/m C）工藝水運(yùn)動(dòng)粘度（10-6 - m2/s）冷凍水運(yùn)動(dòng)粘度（10-6 m2

18、/s）工藝水壓力損失（：MPa）冷凍水壓力損失（MPa）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 ）冷凍水角孔流速（m/s）工藝水板間流速（m/s）冷凍水板間流速（m/s）工藝水雷諾數(shù)6190冷凍水雷諾數(shù)4150平均對(duì)數(shù)溫差（C）15污垢系數(shù)（m2 - C /kW ）換熱量（kW）傳熱系數(shù)（W/m 2 - C）3847換熱卸積（m2）換熱器程數(shù)1換熱器型號(hào)GX-12板片總數(shù)23板片材料AISI 316板片厚度（mm）墊片材料NBR(S)最高工作壓力（MPa）北京華海換熱器廠計(jì)算結(jié)果工藝水流量（m3/h）冷凍水流量（m3/h）工藝水進(jìn)口溫度（C）冷凍水進(jìn)口溫度（

19、C）工藝水出口溫度（C）冷凍水出口溫度（C）工藝水平均溫度（C）冷凍水平均溫度（C）工藝水谷重（Kg/m3）冷凍水容重（Kg/m3）工藝水比熱（KJ/Kg C）冷凍水比熱（KJ/Kg C）工藝水導(dǎo)熱系數(shù)（W/m C）冷凍水導(dǎo)熱系數(shù)（W/m C）工藝水運(yùn)動(dòng)粘度（10-6 m2/s）冷凍水運(yùn)動(dòng)粘度（10-6 m2/s）工藝水壓力損失（MPa）冷凍水壓力損失（MPa）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 ）冷凍水角孔流速（m/s）工藝水板間流速（m/s ）冷凍水板間流速（m/s）工藝水雷諾數(shù)3278冷凍水雷諾數(shù)828平均對(duì)數(shù)溫差（C）污垢熱阻（m2 - C/kW

20、 ）換熱量（kW）傳熱系數(shù)（W/m 2 - C）2251換熱回積（m2）換熱器程數(shù)1換熱器型號(hào)BR20板片總數(shù)35板片材料SUS 304板片厚度（mm）墊片材料EPNM最高工作壓力（MPa）從計(jì)算結(jié)果可以看出，舒瑞普公司在計(jì)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)來滿足傳熱方程F=Wq/（K*AT）0北京華海換熱器廠在計(jì)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(duì)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(jì)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(jì)工況對(duì)壓力損失的

21、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(jìn)的板片設(shè)計(jì)，它使得舒瑞普公司所選用的板 式換熱器跟設(shè)計(jì)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(jì)算結(jié)果的主要 特點(diǎn)是與實(shí)際工況比較接近，它會(huì)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(diǎn)是它的非標(biāo)準(zhǔn)化，每個(gè)設(shè)備廠的模具都是自行開發(fā)的，各有各的特點(diǎn)。因此同一換熱系統(tǒng)的板式換熱器面積大小會(huì)因設(shè)備廠家的不同而發(fā)生 變化，這一點(diǎn)設(shè)計(jì)人員因在設(shè)計(jì)說明中加以提醒，否則業(yè)主在板式換熱器面積不變的前提下 更換設(shè)備廠家，將會(huì)產(chǎn)生異想不到的后果。求熱負(fù)荷QQ=G. p . CP. At(2)求冷熱流體進(jìn)