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板式换热器选型计算


板式换热器选型计算 板式换热器是一种高效紧凑型热交换设备,它具有传热效率高、阻力损失小、结构紧凑、拆 装方便、操作灵活等优点,目前广泛应用于冶金、机械、电力、石油、化工、制药、纺织、 造纸、食品、城镇小区集中供热等各个行业和领域,因此掌握板式换热器的选型计算对每个 工程设计人员都是非常重要的。 目前板式换热器的选型计算一般分为手工简易算法、 手工标 准算法及计算机算法三种,以下就

三种算法的特点进行简要的说明。 一、 手工简易算法 计算公式: F=Wq/(K*△ T) 式中 F —换热面积 m2 Wq—换热量 K —传热系数 W/m2·℃ △ T—平均对数温差 ℃ 根据选定换热系统的有关参数,计算换热量、平均对数温差,设定传热系数,求出 换热面积。选定厂家及换热器型号,计算板间流速,通过厂家样本提供的传热特性曲线及流 阻特性曲线,查出实际传热系数及压降。若实际传热系数小于设定传热系数,则应降低设 定传热系数,重新计算。若实际传热系数大于设定传热系数,而实际压降大于设定压降, 则应进一步降低设定传热系数,增大换热面积,重新计算。经过反复校核,直到计算结果 满足换热系统的要求,最终确定换热器型号及换热面积大小。这种算法的优点是计算简单, 步骤少,时间短;缺点是结果不准确,应用范围窄。造成结果不准确的原因主要是样本所提 供的传热特性曲线及流阻特性曲线是一定工况条件下的曲线, 而设计工况可能与之不符。 此 外样本所提供的传热特性曲线及流阻特性曲线仅为水―水换热系统, 在使用中有很大的局限 性。 以下给出佛山显像管厂总装厂房低温冷却水及 40℃热水两套换热系统实例加以说明 采用手工简易算法得出的计算结果与实测结果的差别: W

BR35 F=36m2 北京市华都换热设备厂 工艺水 低温冷却水 系统 流量 m /h 59 63
3

冷冻水 压降 MPa 0.03 0.04 流量 m /h 130 21
3

进水温度 ℃ 28 22

出水温度 ℃ 17 17

进水温度 ℃ 6 7

出水温度 ℃ 11 22

压降 MPa 0.06

计算结果 实测结果
2

BR05 F=5m 北京市华都换热设备厂 工艺水 40℃热水系 统 流量 m /h 6 10
3

高温水 压降 MPa 0.0060 0.02 6 流量 m /h 9 1
3

进水温度 ℃ 10 33

出水温度 ℃ 40 39

进水温度 ℃ 90 90

出水温度 ℃ 70 36

压降 MPa 0.008

计算结果 实测结果

二、 手工标准算法 计算方法与步骤 (一)工艺条件 热介质 进出口温度℃ 流量 m3/h Th1 Qh Th2

压力损失(允许值) MPa △ Ph 冷介质 进出口温度℃ Tc1 流量 m3/h Qc Tc2

压力损失(允许值) MPa △ Pc (二)物性参数 物性温度 介质重度 Kg/m3 γ h γ c 介质比热 KJ/kg·℃ Cph Cpc 导热系数 W/m·℃ λ h λ c 运动粘度 m2/s ν h ν c ℃ Th=(Th1+Th2)/2 Tc=(Tc1+Tc2)/2

普朗特数 Prh Prc (三)平均对数温差(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)计算换热量 Wq=Qh*γ h*Cph*(Th1-Th2)=Qc*γ c*Cpc*(Tc2-Tc1) W (五)设备选型 根据样本提供的型号结合流量定型号,主要依据于角孔流速。即: Wl=4*Q/(3600*π *D2) ≤ 3.5~ 4.5m/s Wl—角孔流速 m/s Q —介质流量 m3/h D —角孔直径 m (六)定型设备参数 单板换热面积 单通道横截面积 f m2 板片间距 l m 平均当量直径 de m (d≈ 2*l) 传热准则方程式 Nu=a*Reb *Pr m 压降准则方程式 Eu=x*Rey Nu—努塞尔数 Eu—欧拉数 a.b.x.y—板形有关参数、指数 Re—雷诺数 Pr—普朗特数 m —指数 热介质 m=0.3 冷介质 m=0.4 (七)拟定板间流速初值 Wh 或 Wc (样本提供) s m2

Wc=Wh*Qc/Qh (纯逆流时) W 取 0.1~ 0.4m/s (八)计算雷诺数 Re=W*de/ν W —计算流速 m/s

de—当量直径 m ν —运动粘度 m2/s (九)计算努塞尔数 Nu=a*Reb *Pr m (十)计算放热系数 α =Nu*λ /de α —放热系数 W/m2·℃ λ —导热系数 W/m·℃ 分别得出 α h、 α c 热冷介质放热系数 (十一)计算传热系数 K=1/(1/α h+1/ α c+rp+rh+rc) W/m2·℃ rp—板片热阻 0.0000459m2·℃ /W rh—热介质污垢热阻 0.0000172~ 0.0000258m2·℃ /W rc—冷介质污垢热阻 0.0000258~ 0.0000602m2·℃ /W (十二)计算理论换热面积 Fm=Wq/(K*△ T) (十三)计算换热器单组程流道数 n=Q/(3600*f*W) (圆整为整数) Q—流量 m3/h f—单通道横截面积 m2 W—板间流速 m/s (十四)计算换热器程数 N=(Fm/s+1)/(2*n) s—单板换热面积 m2 (十五)计算实际换热面积 F=(2*N*n-1)*s (纯逆流) (十六)计算欧拉数 Eu=x*Rey (十七)计算压力损失 △ P=Eu*γ *W 2 *N*10-6 MPa N 为≥ 1 的整数

γ —介质重度 Kg/m3 W—板间流速 m/s N—换热器程数 选定厂家,根据角孔流速确定换热器型号,从手册查出在设计工况下冷、热介质的各种物理 参数,根据厂家样本提供的传热经验公式及流阻经验公式,初步设定流体的板间流速,求出 雷诺数,经计算得出传热系数及压力损失,在实际换热面积不小于理论换热面积的前提下, 若压力损失大于许用值,则应进一步降低初定的板间流速,重新计算。经过反复校核,直到 计算结果满足换热系统的要求, 最终确定换热器型号及换热面积大小。 这种算法的优点是计 算结果准确,应用范围广;缺点是计算复杂,步骤多,时间长。 三、 计算机算法 利用计算机进行板式换热器选型计算,充分发挥了计算机运算速度快的特长,一 个计算在微机上几秒钟内就能完成,且结果的准确性是手算难以达到的。板换厂家选型 计算软件中存贮了计算所需的不同水温时水的各种物理参数及板式换热器定型设备的 所有参数,设计人员在计算机上进行计算时只需输入工艺条件(如水量、水温、压降等) 就能马上得出计算结果,这为设计人员提供了极大的方便。计算人员还可以输入不同的 工艺条件(如水量、水温相同,压降不同等)或更换换热器型号以得出不同的计算结果, 通过对结果的比较、优化,最终选定既经济合理又性能可靠的板式换热器。 设计人员在要求板换厂家提供板式换热器选型计算书时,除了向板换厂家提供换 热系统的换热量(或液体流量)、冷热介质的进出水温、压力损失外,还应该提供污垢 系数(亦称污垢热阻)。压力损失、污垢系数的设定值对选型是非常重要的。压力损失 设定值过大,换热面积减小,虽然节省了设备一次性投资,但使换热系统的能量消耗增 加、维护清洗费用增加、设备运行时间缩短;压力损失设定值过小,换热面积增大,造 成设备一次性投资增加。要达到既节省了一次性投资,又使能量消耗、维护清洗费用达 到一个合理值,最佳的压力损失为 0.03MPa。污垢系数因换热介质不同而不同,设计人 员不应为了安全而盲目将污垢系数取大,污垢系数最大不超过 0.000103m2·℃ /W。以 下给出常用介质板式换热器的污垢系数: 液体的种类 软水或蒸馏水 污垢系数( m2·℃ /W) 0.0000086

低硬度的工业用水 高硬度的工业用水 处理过的冷却塔循环水 润滑油 植物油 有机溶剂

0.0000172 0.000043 0.000034 0.0000172— 0.000043 0.0000172— 0.000052 0.0000086— 0.000026

以下分别给出瑞典舒瑞普公司及北京华海换热器厂对某一换热系统的计算结果, 并对结果进行分析和比较: 计算条件 工艺水 Q=25m3/h Th1=25℃ Th2=20℃ 压力损失 0.05MPa 冷冻水 Tc1=5℃ Tc2=10℃ 污垢系数 0.1 m2·℃ /kW 瑞典舒瑞普公司计算结果 工艺水流量( m3/h) 工艺水进口温度(℃) 工艺水出口温度(℃) 工艺水平均温度(℃) 工艺水容重( Kg/m3) 工艺水比热( KJ/Kg ·℃) 工艺水导热系数( W/m·℃) 工艺水运动粘度( 10-6·m2 /s) 工艺水压力损失( MPa) 工艺水角孔直径( mm) 工艺水角孔流速( m/s) 工艺水板间流速( m/s) 工艺水雷诺数 平均对数温差(℃) 换热量( kW) 换热面积( m2) 25.0 25.0 20.0 22.5 996.7 4.189 0.608 1.027 0.05 70 1.80 1.00 6190 15 145.4 2.52 冷冻水流量( m3/h) 冷冻水进口温度(℃) 冷冻水出口温度(℃) 冷冻水平均温度(℃) 冷冻水容重( Kg/m3) 冷冻水比热( KJ/Kg·℃) 冷冻水导热系数( W/m·℃) 冷冻水运动粘度( 10-6·m2 /s) 冷冻水压力损失( MPa) 冷冻水角孔直径( mm) 冷冻水角孔流速( m/s) 冷冻水板间流速( m/s) 冷冻水雷诺数 污垢系数( m2·℃ /kW) 传热系数( W/m2·℃) 换热器程数 24.9 5.0 10.0 7.5 1001.0 4.207 0.585 1.285 0.05 70 1.80 1.00 4150 0.125 3847 1

换热器型号 板片材料 垫片材料

GX-12 AISI 316 NBR(S)

板片总数 板片厚度( mm) 最高工作压力( MPa)

23 0.5 1.6

北京华海换热器厂计算结果 工艺水流量( m3/h) 工艺水进口温度(℃) 工艺水出口温度(℃) 工艺水平均温度(℃) 工艺水容重( Kg/m3) 工艺水比热( KJ/Kg ·℃) 工艺水导热系数( W/m·℃) 工艺水运动粘度( 10-6·m2 /s) 工艺水压力损失( MPa) 工艺水角孔直径( mm) 工艺水角孔流速( m/s) 工艺水板间流速( m/s) 工艺水雷诺数 平均对数温差(℃) 换热量( kW) 换热面积( m2) 换热器型号 板片材料 垫片材料 25.0 25.0 20.0 22.5 997.1 4.1784 0.608 0.89 0.05 70 1.80 0.42 3278 8.80 144.7 7.6 BR20 SUS 304 EPNM 冷冻水流量( m3/h) 冷冻水进口温度(℃) 冷冻水出口温度(℃) 冷冻水平均温度(℃) 冷冻水容重( Kg/m3) 冷冻水比热( KJ/Kg·℃) 冷冻水导热系数( W/m·℃) 冷冻水运动粘度( 10-6·m2 /s) 冷冻水压力损失( MPa) 冷冻水角孔直径( mm) 冷冻水角孔流速( m/s) 冷冻水板间流速( m/s) 冷冻水雷诺数 污垢热阻( m2·℃ /kW) 传热系数( W/m2·℃) 换热器程数 板片总数 板片厚度( mm) 最高工作压力( MPa) 8.08 5.0 20.4 12.7 999.7 4.1948 0.575 1.31 0.02 70 0.58 0.13 828 0.1 2251 1 35 0.7 1.6

从计算结果可以看出, 舒瑞普公司在计算中采用温度设定值不变, 通过调整污垢系数, 改变传热系数来满足传热方程 F=Wq/(K*△ T)。 北京华海换热器厂在计算中采用污垢系数设 定值不变,通过调整冷冻水出口温度,改变平均对数温差及传热系数来满足传热方程

F=Wq/(K*△ T)。换热面积的确定在多数情况下取决于设计工况的压力损失设定值。北 京华海换热器厂通过增加板片数量使流道数增加、降低板间流速来满足设计工况对压力损 失的要求。舒瑞普公司不仅可以通过增加板片数量来降低压力损失,而且在板片数量不变 的前提下通过改变板片的组合也能在一定范围内降低压力损失,这主要依赖于舒瑞普公司 先进的板片设计, 它使得舒瑞普公司所选用的板式换热器跟设计工况比较接近, 而且换热面 积取值较小。 北京华海换热器厂选型计算结果的主要特点是与实际工况比较接近, 它会在自 控要求很高的换热系统中,为正确选择自控阀提供较为准确的数据。 板式换热器不同于其它设备的最显箸特点是它的非标准化,每个设备厂的模具都 是自行开发的,各有各的特点。因此同一换热系统的板式换热器面积大小会因设备厂家 的不同而发生变化,这一点设计人员因在设计说明中加以提醒,否则业主在板式换热器 面积不变的前提下更换设备厂家,将会产生异想不到的后果。 (1)求热负荷 Q

Q=G.ρ.CP.Δt

(2)求冷热流体进出口温度

t2=t1+ Q /G .ρ .CP

(3)冷热流体流量

G= Q / ρ .CP .(t2-t1

(4)求平均温度差 Δtm

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

(5)选择板型

若所有的板型选择完,则进行结果分析。

(6)由K值范围,计算板片数范围Nmin,Nmax

Nmin = Q / Kmax .Δtm .F P .β

Nmax = Q / Kmin .Δtm .F P .β

(7)取板片数 N(Nmin≤N≤Nmax )

若 N 已达Nmax,做(5)。

(8)取 N 的流程组合形式,若组合形式取完则做(7)。

(9)求 Re,Nu

Re = W .de / ν

Nu =a1.Rea2.Pra3

(10)求 a,K 传热面积F

a = Nu .λ / de

K= 1 / 1/ah+1/ ac+γc+γc+δ/λ0

F= Q /K .Δtm .β

(11)由传热面积F求所需板片数NN

NN= F/ Fp+ 2

(12)若 N<NN,做(8)。

(13)求压降 Δp

Eu = a4.Rea5

Δp = Eu .ρ.W 2 .ф

(14) 若 Δp>Δ 允,做(8);

若 Δp≤Δ 允,记录结果 ,做(8)。

注: 1.(1)、(2)、(3)根据已知条件的情况进行计算。

2.当 T1-t2=T2-t1 时采用 Δtm = (T1-t2)+(T2-t1)/2

3.修正系数 β 一般 0.7~0.9。

4. 压降修正系数 ф , 单流程 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 为常系数。
选型计算各公式符号的意义及单位


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