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(guò)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(méi)有普及的時(shí)候，各個(gè)廠(chǎng)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(xiàn)估算方法。目前，越來(lái)越多的廠(chǎng)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(jiǎn)要說(shuō)明無(wú)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

2、得出。溫度 T1 = 熱側(cè)進(jìn)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(jìn)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(guò)程中溫度變化的相互關(guān)系，在換熱器保溫良好，無(wú)熱損失的情況下，對(duì)于穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)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(wú)相變

3、化的傳熱過(guò)程其表達(dá)式又有所區(qū)別。（1） 無(wú)相變化傳熱過(guò)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(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(guò)程兩物流在換熱過(guò)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(guò)程 式中r,r1,r2-物流相變熱，J/kg；D,D1,D2-相變物流量，kg/s。對(duì)于過(guò)冷或過(guò)熱物流發(fā)生相變時(shí)的熱流量衡算，則應(yīng)按以上方法分段進(jìn)行加和計(jì)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(wú)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(zhǎng)(F)熱長(zhǎng)和

5、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、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(lái)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

6、器的污垢系數(shù)要小的多。在無(wú)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 = 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(jìn)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(duì)數(shù)平均溫差 總的傳熱系數(shù)用下式計(jì)算： 其中：k=

7、總傳熱系數(shù)(W/m2 )1 = 一次測(cè)的換熱系數(shù)(W/m2 ) 2 = 一次測(cè)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(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

8、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(jiǎn)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(jiǎn)要的說(shuō)明。一、手工簡(jiǎn)易算法計(jì)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(duì)數(shù)溫差 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(chǎng)家及換熱器型號(hào)，計(jì)算板間流速，通過(guò)廠(chǎng)家樣本提供的傳熱特性曲線(xiàn)及流阻特性曲線(xiàn)，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)

9、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(guò)反復(fù)校核，直到計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)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(jiǎn)單，步驟少，時(shí)間短；缺點(diǎn)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(xiàn)及流阻特性曲線(xiàn)是一定工況條件下的曲線(xiàn)，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(xiàn)及流阻特性曲線(xiàn)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(chǎng)總裝廠(chǎng)房低溫冷卻水及40熱水兩套換熱系統(tǒng)實(shí)例加以說(shuō)明采用手工簡(jiǎn)易算法得出的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的差別：BR35 F=36m2 北京市華都換熱設(shè)備廠(chǎng)低溫冷卻水系統(tǒng)工藝水冷凍水

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

11、介質(zhì) 進(jìn)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(jìn)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(yùn)動(dòng)粘度 m2/s h c 普朗特?cái)?shù) Prh Prc （三）平均對(duì)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(jì)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(hào)結(jié)合流量定型號(hào)，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?cái)?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(shí)）W取0.10.4m/s （八）計(jì)算雷諾數(shù) Re=W*de/ W 計(jì)算流速 m/s de當(dāng)量直徑 m 運(yùn)動(dòng)粘度 m2/s （九）計(jì)算努塞爾數(shù) Nu=a*Reb*Prm （十）計(jì)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(jì)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(jì)算理論換熱面積 Fm=Wq/(K*T) （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流量 m3/h f單通道橫截面積 m2 W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*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(chǎng)家，根據(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(chǎng)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(guò)反復(fù)校核，直到計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)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(zhǎng)。 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(zhǎng)，一個(gè)計(jì)算在微機(jī)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(dá)到的。板換廠(chǎng)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(guò)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(chǎng)家提供板式換熱器選型計(jì)算書(shū)時(shí)，除了向板換廠(chǎng)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(chēng)污垢熱阻）。壓力損失、污垢系數(shù)

17、的設(shè)定值對(duì)選型是非常重要的。壓力損失設(shè)定值過(guò)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(guò)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0.03MPa。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(guò)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(lèi)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(guò)的冷卻塔循環(huán)水0.000034潤(rùn)滑油0.00001720.000043植物油0.00001720.000052有機(jī)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(chǎng)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=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(jì)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(jìn)口溫度（）25.0冷凍水進(jìn)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(yùn)動(dòng)粘度（10-6·m2/s）1.027冷凍水運(yùn)動(dòng)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(duì)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(hào)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(chǎng)計(jì)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(jìn)口溫度（）25.0冷凍水進(jìn)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(yùn)動(dòng)粘度（10-6·m2/s）0.89冷凍水運(yùn)動(dòng)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(duì)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(hào)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(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(guò)調(diào)整污垢系數(shù)，改變傳熱系數(shù)來(lái)

23、滿(mǎn)足傳熱方程F=Wq/(K*T)。北京華海換熱器廠(chǎng)在計(jì)算中采用污垢系數(shù)設(shè)定值不變，通過(guò)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(lái)滿(mǎn)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(chǎng)通過(guò)增加板片數(shù)量使流道數(shù)增加、降低板間流速來(lái)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)工況對(duì)壓力損失的要求。舒瑞普公司不僅可以通過(guò)增加板片數(shù)量來(lái)降低壓力損失，而且在板片數(shù)量不變的前提下通過(guò)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(lài)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(chǎng)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)