板式換熱器的計算方法

板式換熱器的計算方法板式換熱器的計算是一個比較復雜的過程，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則關聯(lián)式為基礎的設計計算方法。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，總傳熱量即可計算得出。溫度T1=熱側(cè)進口溫度*A3F7y&G7S+QT2=熱側(cè)出口溫度3s'_%s5s.T"D0q4bt1=冷側(cè)進口溫度&L8~:|;B:t2M2w$zt2=冷側(cè)出口溫度熱負荷熱流量衡算式反映兩流體在換熱過程中溫度變化的相互關系，在換熱器保溫良好，無熱損失的情況下，對于穩(wěn)態(tài)傳熱過程，其熱流量衡算關系為：BN/I"A+m0z'H9~（熱流體放出的熱流量）=（冷流體吸收的熱流量）在進行熱衡算時，對有、無相變化的傳熱過程其表達式又有所區(qū)別。）無相變化傳熱過程,F0e%a1d%C#J/N-^2D式中Q----冷流體吸收或熱流體放出的熱流量，；#Q/p3p:I4~0N'I)Wmh,mc-----熱、冷流體的質(zhì)量流量，kg/s；+Z:I9b-h9h"r3P){/^Cph,Cpc------熱、冷流體的比定壓熱容，kJ/(kg·K)L8t6b3o&m/nT1,t1------熱、冷流體的進口溫度，K；T2,t2------、冷流體的出口溫度，K。（2）有相變化傳熱過程兩物流在換熱過程中，其中一側(cè)物流發(fā)生相變化，如蒸汽冷凝或液體沸騰，其熱流量衡算式為：&w3v)j4I4R一側(cè)有相變化1Y#e$B6c&z%C3W-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&S4[c9F(a4Y"}+g3ur,r1,r2--------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，用算術平均溫差代替對數(shù)平均溫差。熱長(F)熱長和一側(cè)的溫度差和對數(shù)平均溫差相關聯(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成。單位：W/m2℃orkcal/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。計算方法熱負荷可以用下式表示：Q=m·cp·dtQ=k·A·LMTDQ=熱負荷(kW)0s"f$\8]"l1J$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(℃)#A6n%@'yk=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=總傳熱系數(shù)(W/m2℃)α1=一次測的換熱系數(shù)(W/m2℃)α2=一次測的換熱系數(shù)(W/m2℃):r!r.f+v#w;r;Cδ=傳熱板片的厚度m);f8X-L/]0h-~"s3^9eλ=板片的導熱系數(shù)(W/m℃)R1、R2分別是兩側(cè)的污垢系數(shù)(m2℃/W)α1、α2可以用努賽爾準則式求得。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備，它具有傳熱效率高、阻力損失小、結(jié)構緊湊、拆裝方便、操作靈活等優(yōu)點，目前廣泛應用于冶金、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)和領域，因此掌握板式換熱器的選型計算對每個工程設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、手工標準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m2Wq—換熱量WK—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)的有關參數(shù)，計算換熱量、平均對數(shù)溫差，設定傳熱系數(shù)，求出換熱面積。選定換熱器型號，計算板間流速，通過廣州迅標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)小于設定傳熱系數(shù)，則應降低設定傳熱系數(shù)，重新計算。若實際傳熱系數(shù)大于設定傳熱系數(shù)，而實際壓降大于設定壓降，則應進一步降低設定傳熱系數(shù)，增大換熱面積，重新計算。經(jīng)過反復校核，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)果不準確，應用范圍窄。造成結(jié)果不準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：B150SF=36m2工藝水

廣州迅標通用設備有限公司冷凍水低溫冷卻水系統(tǒng)流量水溫度出水溫度壓降量水溫度出水溫度壓降計算結(jié)果實測結(jié)果

m3/h59286322

℃1717

MPam3/h0.0360.047

℃1122

MPa0.06B50SF=5m2工藝水

廣州迅標通用設備有限公司高溫水40℃熱水系統(tǒng)流量進水溫度出水溫度壓降

流量水溫度出水溫度壓降m3/h℃

℃

MPa

m3/h

℃

MPa計算結(jié)果

610

40

0.006069

90

70

0.008實測結(jié)果

1033390.02190

36二、

手工標準算法計算方法與步驟（一）工藝條件熱介質(zhì)

數(shù)

進出口溫度℃Th1Th2流量m3/hQh壓力損失（允許值）MPa△Ph冷介質(zhì)進出口溫度℃Tc1Tc2流量m3/hQc壓力損失（允許值）MPa△Pc（二）物性參數(shù)物性溫度℃Th=(Th1+Th2)/2Tc=(Tc1+Tc2)/2介質(zhì)重度Kg/m3γhγc介質(zhì)比熱KJ/kg·℃CphCpc導熱系數(shù)W/m·℃λhλc運動粘度m2/sνhνc普朗特PrhPrc（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（分子等于零）（四）計算換熱量Wq=Qh*γh*Cph*(Th1-Th2)=Qc*γc*Cpc*(Tc2-Tc1)W（五）設備選型根據(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*π*D2)≤3.5～4.5m/sWl—角孔流速m/sQ—介質(zhì)流量m3/hD—角孔直徑m（六）定型設備參數(shù)（樣本提供）單板換熱面積sm2單通道橫截面積fm2板片間距l(xiāng)m平均當量直徑dem(d≈2*l)傳熱準則方程式Nu=a*Reb*Prm壓降準則方程式Eu=x*ReyNu—努塞爾數(shù)Eu—歐拉數(shù)

a.b.x.y—板形有關參數(shù)、指數(shù)Re—雷諾數(shù)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WcWc=Wh*Qc/Qh（純逆流時）W取0.1～0.4m/s（八）計算雷諾數(shù)Re=W*de/νW—計算流速m/sde—當量直徑mν—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)α=Nu*λ/deα—放熱系數(shù)W/m2·℃

λ—導熱系數(shù)W/m·℃分別得出αh、αc熱冷介質(zhì)放熱系數(shù)（十一）計算傳熱系數(shù)K=1/(1/αh+1/αc+rp+rh+rc)W/m2·℃rp—板片熱阻0.0000459m2·℃/Wrh—熱介質(zhì)污垢熱阻0.0000172～0.0000258m2·℃/Wrc—冷介質(zhì)污垢熱阻0.0000258～0.0000602m2·℃/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/hf—單通道橫截面積m2W—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*γ*W2*N*10-6MPaγ—介質(zhì)重度Kg/m3W—板間流速m/sN—換熱器程數(shù)選定參數(shù)，根據(jù)角孔流速確定換熱器型號，從手冊查出在設計工況下冷、熱介質(zhì)的各種物理參數(shù)，根據(jù)參數(shù)樣本提供的傳熱經(jīng)驗公式及流阻經(jīng)驗公式，初步設定流體的板間流速，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，則應進一步降低初定的板間流速，重新計算。經(jīng)過反復校核，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)果準確，應用范圍廣；缺點是計算復雜，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)果的準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

器定型設備的所有參數(shù)，設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)的設定值對選型是非常重要的。壓力損失設定值過大，換熱面積減小，雖然節(jié)省了設備一次性投資，但使換熱系統(tǒng)的能量消耗增加、維護清洗費用增加、設備運行時間縮短；壓力損失設定值過小，換熱面積增大，造成設備一次性投資增加。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。污垢系數(shù)因換熱介質(zhì)不同而不同，設計人員不應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)：液體的種類軟水或蒸餾水低硬度的工業(yè)用水高硬度的工業(yè)用水處理過的冷卻塔循環(huán)水潤滑油植物油有機溶劑

污垢系數(shù)（m2·℃/W）0.00000860.00001720.0000430.0000340.0000172—0.0000430.0000172—0.0000520.0000086—0.000026以下分別給出瑞典舒瑞普公司及廣州迅標通用設備有限公司對某一換熱系統(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/hTh1=25℃Th2=20℃

壓力損失0.05MPa冷凍水Tc1=5℃Tc2=10℃

污垢系數(shù)0.1m2·℃/kW瑞典舒瑞普公司計算結(jié)果工藝水流量（m3/h）工藝水進口溫度（℃）工藝水出口溫度（℃）工藝水平均溫度（℃）工藝水容重（Kg/m3）工藝水比熱（KJ/Kg·℃）工藝水導熱系數(shù)（W/m·℃）

25.0冷凍水流量（m3/h）25.0冷凍水進口溫度（℃）20.0冷凍水出口溫度（℃）22.5冷凍水平均溫度（℃）996.7冷凍水容重（Kg/m3）4.189冷凍水比熱（KJ/Kg·℃）0.608冷凍水導熱系數(shù)（W/m·℃）

24.95.010.07.51001.04.2070.585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）工藝水板間流速（m/s）工藝水雷諾數(shù)

1.80冷凍水角孔流速（m/s）1.00冷凍水板間流速（m/s）6190冷凍水雷諾數(shù)

1.801.004150平均對數(shù)溫差（℃）

15

污垢系數(shù)（m2·℃/kW）

0.125換熱量（kW）換熱面積（m2）換熱器型號板片材料墊片材料

AISI316NBR(S)

145.4傳熱系數(shù)（W/m2·℃）2.52換熱器程數(shù)GX-12板片總數(shù)板片厚度（mm）最高工作壓力（MPa）

38471230.51.6

廣州迅標通用設備有限公司計算結(jié)果工藝水流量（m3/h）工藝水進口溫度（℃）工藝水出口溫度（℃）工藝水平均溫度（℃）工藝水容重（Kg/m3）工藝水比熱（KJ/Kg·℃）

25.025.020.022.5997.14.1784

冷凍水流量（m3/h）冷凍水進口溫度（℃）冷凍水出口溫度（℃）冷凍水平均溫度（℃）冷凍水容重（Kg/m3）冷凍水比熱（KJ/Kg·℃）

8.085.020.412.7999.74.1948工藝水導熱系數(shù)（W/m·℃）0.608

冷凍水導熱系數(shù)（W/m·℃）0.575工藝水運動粘度（10-6·m2/s）工藝水壓力損失（MPa）工藝水角孔直徑（mm）工藝水角孔流速（m/s）工藝水板間流速（m/s）工藝水雷諾數(shù)平均對數(shù)溫差（℃）換熱量（kW）換熱面積（m2）換熱器型號

0.890.05701.800.4232788.80144.77.6B50L-1.0-7.6-E

冷凍水運動粘度（10-6·m2/s）冷凍水壓力損失（MPa）冷凍水角孔直徑（mm）冷凍水角孔流速（m/s）冷凍水板間流速（m/s）冷凍水雷諾數(shù)污垢熱阻（m2·℃/kW）傳熱系數(shù)（W/m2·℃）換熱器程數(shù)板片總數(shù)

1.310.02700.580.138280.12251138板片材料墊片材料

AISI304EPDM

板片厚度（mm）最高工作壓力（MPa）

0.51.6

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*△T)。廣州迅標通用設備有限公司在計算中采用污垢系數(shù)設定值不變，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)情況下取決于設計工況的壓力損失設定值。廣州迅標通用設備有限公司通過增加板片數(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計，它使得舒瑞普公司所選用的板式換熱器跟設計工況比較接近，而且換熱面積取值較小。廣州迅標通用設備有限公司選型計算結(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確的數(shù)據(jù)。板式換熱器不同于其它設備的最顯箸特點是它的非標準化，每個設備廠的模具都是自行開發(fā)的，各有各的特點。因此同一換熱系統(tǒng)的板式換熱器面積大小會因設備廠家的不同而發(fā)生變化，這一點設計人員因在設計說明中加以提醒，否則業(yè)主在板