字體大�。�大 - 中 - 小 runtong2011   發表于 11-05-07 09:48     閱讀(898)   評論(0)     分類：

 

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、結構緊湊、拆裝方便、操作靈活等優點，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、城鎮小區集中供熱等各個行業和領域，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               m²

　　　 　     Wq—換熱量　　　　　　    W

              K —傳熱系數        W/m²·℃

△T—平均對數溫差          ℃

根據選定換熱系統的有關參數，計算換熱量、平均對數溫差，設定傳熱系數，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，查出實際傳熱系數及壓降。若實際傳熱系數小于設定傳熱系數，則應降低設定傳熱系數，重新計算。若實際傳熱系數大于設定傳熱系數，而實際壓降大于設定壓降，則應進一步降低設定傳熱系數，增大換熱面積，重新計算。經過反復校核，直到計算結果滿足換熱系統的要求，最終確定換熱器型號及換熱面積大小。這種算法的優點是計算簡單，步驟少，時間短；缺點是結果不準確，應用范圍窄。造成結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，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℃熱水兩套換熱系統實例加以說明采用手工簡易算法得出的計算結果與實測結果的差別：

BR35   F=36m²   北京市華都換熱設備廠

低溫冷卻水系統	工藝水				冷凍水
	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
計算結果	59	28	17	0.03	130	6	11	0.06
實測結果	63	22	17	0.04	21	7	22

 

BR05   F=5m²   北京市華都換熱設備廠

40℃熱水系統	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
計算結果	6	10	40	0.00606	9	90	70	0.008
實測結果	10	33	39	0.02	1	90	36

 

二、     手工標準算法

計算方法與步驟

（一）工藝條件

        　熱介質

        　進出口溫度℃　　　Th1     　  Th2

　　　    流量              m³/h   　    Qh

          壓力損失（允許值）MPa       △Ph

          冷介質

          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

　　　　  物性溫度 　  　　 ℃  Th=(Th1+Th2)/2  Tc=(Tc1+Tc2)/2

          介質重度          Kg/m³        γh           γc

          介質比熱          KJ/kg·℃    Cph           Cpc

          導熱系數          W/m·℃     λh           λc

          運動粘度          m²/s          νh           νc

          普朗特數                        Prh            Prc

    （三）平均對數溫差（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

　      　根據樣本提供的型號結合流量定型號，主要依據于角孔流速。即：

　　　　  Wl=4*Q/(3600*π*D²)     ≤3.5～4.5m/s

          Wl—角孔流速      m/s

          Q —介質流量      m³/h

          D —角孔直徑      m

    （六）定型設備參數　　�。�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

     　 　平均當量直徑      de          m     (d≈2*l)

      　　傳熱準則方程式    Nu=a*Re^b*Pr^m

          壓降準則方程式    Eu=x*Re^y

          Nu—努塞爾數      Eu—歐拉數

          a.b.x.y—板形有關參數、指數

          Re—雷諾數

          Pr—普朗特數

          m —指數          熱介質 m=0.3    冷介質 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0.1～0.4m/s

    （八）計算雷諾數　　　

　      　Re=W*de/ν

          W —計算流速       m/s

          de—當量直徑       m

          ν—運動粘度       m²/s

    （九）計算努塞爾數

　　　　　Nu=a*Re^b*Pr^m

    （十）計算放熱系數

α=Nu*λ/de

α—放熱系數       W/m²·℃

λ—導熱系數       W/m·℃

分別得出α_h、α_c熱冷介質放熱系數

  （十一）計算傳熱系數

 　　 　　K=1/(1/α_h+1/α_c+r_p+r_h+r_c)    W/m²·℃

          r_p—板片熱阻         0.0000459m²·℃/W

          r_h—熱介質污垢熱阻   0.0000172～0.0000258m²·℃/W

          r_c—冷介質污垢熱阻   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

　　　　　n=Q/(3600*f*W)     （圓整為整數）

　　　　　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

　　　　　N=(Fm/s+1)/(2*n)　　 N為≥1的整數

          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

　　　　　Eu=x*Re^y

  （十七）計算壓力損失

　　　　　△P=Eu*γ*W²*N*10^-6 MPa

          γ—介質重度         Kg/m³

          W—板間流速          m/s

          N—換熱器程數      

 

選定廠家，根據角孔流速確定換熱器型號，從手冊查出在設計工況下冷、熱介質的各種物理參數，根據廠家樣本提供的傳熱經驗公式及流阻經驗公式，初步設定流體的板間流速，求出雷諾數，經計算得出傳熱系數及壓力損失，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。經過反復校核，直到計算結果滿足換熱系統的要求，最終確定換熱器型號及換熱面積大小。這種算法的優點是計算結果準確，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就能完成，且結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及板式換熱器定型設備的所有參數，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果，通過對結果的比較、優化，最終選定既經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的換熱量（或液體流量）、冷熱介質的進出水溫、壓力損失外，還應該提供污垢系數（亦稱污垢熱阻）。壓力損失、污垢系數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，雖然節省了設備一次性投資，但使換熱系統的能量消耗增加、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。污垢系數因換熱介質不同而不同，設計人員不應為了安全而盲目將污垢系數取大，污垢系數最大不超過0.000103m²·℃/W。以下給出常用介質板式換熱器的污垢系數：

液體的種類	污垢系數（m2·℃/W）
軟水或蒸餾水	0.0000086
低硬度的工業用水	0.0000172
高硬度的工業用水	0.000043
處理過的冷卻塔循環水	0.000034
潤滑油	0.0000172—0.000043
植物油	0.0000172—0.000052
有機溶劑	0.0000086—0.000026

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的計算結果，并對結果進行分析和比較：

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0.1 m²·℃/kW

 

瑞典舒瑞普公司計算結果

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
工藝水導熱系數（W/m·℃）		0.608	冷凍水導熱系數（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（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		6190	冷凍水雷諾數	4150
平均對數溫差（℃）		15	污垢系數（m2·℃/kW）	0.125
換熱量（kW）		145.4	傳熱系數（W/m2·℃）	3847
換熱面積（m2）		2.52	換熱器程數	1
換熱器型號		GX-12	板片總數	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（℃）	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
工藝水導熱系數（W/m·℃）		0.608	冷凍水導熱系數（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		3278	冷凍水雷諾數	828
平均對數溫差（℃）		8.80	污垢熱阻（m2·℃/kW）	0.1
換熱量（kW）		144.7	傳熱系數（W/m2·℃）	2251
換熱面積（m2）		7.6	換熱器程數	1
換熱器型號		BR20	板片總數	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，通過調整污垢系數，改變傳熱系數來滿足傳熱方程F=Wq/(K*△T)。北京華海換熱器廠在計算中采用污垢系數設定值不變，通過調整冷凍水出口溫度，改變平均對數溫差及傳熱系數來滿足傳熱方程F=Wq/(K*△T)。換熱面積的確定在多數情況下取決于設計工況的壓力損失設定值。北京華海換熱器廠通過增加板片數量使流道數增加、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量來降低壓力損失，而且在板片數量不變的前提下通過改變板片的組合也能在一定范圍內降低壓力損失，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。北京華海換熱器廠選型計算結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中，為正確選擇自控閥提供較為準確的數據。

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的，各有各的特點。因此同一換熱系統的板式換熱器面積大小會因設備廠家的不同而發生變化，這一點設計人員因在設計說明中加以提醒，否則業主在板式換熱器面積不變的前提下更換設備廠家，將會產生異想不到的后果。

 

(1)求熱負荷Q

Q=G．ρ．ＣP．Δt

(2)求冷熱流體進出口溫度

t2=t1+ Q /G ．ρ ．ＣP

(3)冷熱流體流量

Ｇ= Q / ρ ．ＣP ．(t2-t1

(4)求平均溫度差Δtm

Δtm=(T1-t2)-(T2-t1)/In(T1-t2)/(T2-t1)或Δtm=(T１-t2)+(T2-t1)/2

(5)選擇板型

若所有的板型選擇完，則進行結果分析。

(6)由Ｋ值范圍，計算板片數范圍Ｎmin，Ｎmax

Ｎmin = Q / Kmax ．Δtm ．F P ．β

Ｎmax = Q / Kmin ．Δtm ．F P ．β

(7)取板片數N（Ｎmin≤Ｎ≤Ｎmax ）

若N已達Ｎmax，做（5）。

(8)取N的流程組合形式，若組合形式取完則做（7）。

(9)求Re，Nu

Re = W ．de / ν

Nu =a1．Re^a2．Pr^a3

(10)求a，K傳熱面積Ｆ

a = Nu ．λ / de

K= 1 / 1/ah+1/ ac+γc+γc+δ/λ0

F= Q /K ．Δtm ．β

(11)由傳熱面積Ｆ求所需板片數ＮＮ

ＮＮ= F/ Fp+ 2

(12)若N＜NN，做（８）。

(13)求壓降Δp

Eu = a4．Rea5

Δp = Eu ．ρ．W² ．ф

(14) 若Δp＞Δ允，做（８）；

若Δp≤Δ允，記錄結果 ，做（８）。

注: 1．（1）、（2）、（3）根據已知條件的情況進行計算。

2．當T1-t2=T2-t1時采用Δtm = (T１-t2)+(T2-t1)/2

3．修正系數β一般0.7～0.9。

4．壓降修正系數ф ，單流程ф度=1～1.2 ，二流程、三流程ф=1.8～2.0，四流程ф=2.6～2.8。

5．a1、a2、a3、a4、a5為常系數。

選型計算各公式符號的意義及單位

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