字體大�。�大 - 中 - 小 runtong2011   發(fā)表于 11-05-07 09:48     閱讀(898)   評(píng)論(0)     分類：

 

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(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。選定廠家及換熱器型號(hào)，計(jì)算板間流速，通過(guò)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(guò)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(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―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

低溫冷卻水系統(tǒng)	工藝水				冷凍水
	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	59	28	17	0.03	130	6	11	0.06
實(shí)測(cè)結(jié)果	63	22	17	0.04	21	7	22

 

BR05   F=5m²   北京市華都換熱設(shè)備廠

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	6	10	40	0.00606	9	90	70	0.008
實(shí)測(cè)結(jié)果	10	33	39	0.02	1	90	36

 

二、     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℃　　　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        γh           γc

          介質(zhì)比熱          KJ/kg·℃    Cph           Cpc

          導(dǎo)熱系數(shù)          W/m·℃     λh           λc

          運(yùn)動(dòng)粘度          m²/s          νh           νc

          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          （分子等于零）

　  （四）計(jì)算換熱量　　　　　　

          Wq=Qh*γh*Cph*(Th1-Th2)=Qc*γc*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*π*D²)     ≤3.5～4.5m/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     (d≈2*l)

      　　傳熱準(zhǔn)則方程式    Nu=a*Re^b*Pr^m

          壓降準(zhǔn)則方程式    Eu=x*Re^y

          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)

          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0.1～0.4m/s

    （八）計(jì)算雷諾數(shù)　　　

　      　Re=W*de/ν

          W —計(jì)算流速       m/s

          de—當(dāng)量直徑       m

          ν—運(yùn)動(dòng)粘度       m²/s

    （九）計(jì)算努塞爾數(shù)

　　　　　Nu=a*Re^b*Pr^m

    （十）計(jì)算放熱系數(shù)

α=Nu*λ/de

α—放熱系數(shù)       W/m²·℃

λ—導(dǎo)熱系數(shù)       W/m·℃

分別得出α_h、α_c熱冷介質(zhì)放熱系數(shù)

  （十一）計(jì)算傳熱系數(shù)

 　　 　　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(zhì)污垢熱阻   0.0000172～0.0000258m²·℃/W

          r_c—冷介質(zhì)污垢熱阻   0.0000258～0.0000602m²·℃/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*Re^y

  （十七）計(jì)算壓力損失

　　　　　△P=Eu*γ*W²*N*10^-6 MPa

          γ—介質(zhì)重度         Kg/m³

          W—板間流速          m/s

          N—換熱器程數(shù)      

 

選定廠家，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)果的準(zhǔn)確性是手算難以達(dá)到的。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(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)人員在要求板換廠家提供板式換熱器選型計(jì)算書(shū)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	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	0.000043
處理過(guò)的冷卻塔循環(huán)水	0.000034
潤(rùn)滑油	0.0000172—0.000043
植物油	0.0000172—0.000052
有機(jī)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(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（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（℃）	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)滿足傳熱方程F=Wq/(K*△T)。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(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(guò)增加板片數(shù)量使流道數(shù)增加、降低板間流速來(lái)滿足設(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(kāi)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(shuō)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。

 

(1)求熱負(fù)荷Q

Q=G．ρ．ＣP．Δt

(2)求冷熱流體進(jìn)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(jìn)行結(jié)果分析。

(6)由Ｋ值范圍，計(jì)算板片數(shù)范圍Ｎmin，Ｎmax

Ｎmin = Q / Kmax ．Δtm ．F P ．β

Ｎmax = Q / Kmin ．Δtm ．F P ．β

(7)取板片數(shù)N（Ｎmin≤Ｎ≤Ｎmax ）

若N已達(dá)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(shù)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(jié)果 ，做（８）。

注: 1．（1）、（2）、（3）根據(jù)已知條件的情況進(jìn)行計(jì)算。

2．當(dāng)T1-t2=T2-t1時(shí)采用Δtm = (T１-t2)+(T2-t1)/2

3．修正系數(shù)β一般0.7～0.9。

4．壓降修正系數(shù)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(shù)。

選型計(jì)算各公式符號(hào)的意義及單位

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