新型板式換熱器的優(yōu)化選型

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摘要：板式換熱器的優(yōu)化選型是根據(jù)換熱器的用途和工藝過程中的參數(shù)和NTU＝KA／MC＝△t／△tm，即傳熱單元數(shù)NTU和溫差比（對(duì)數(shù)平均溫差—換熱的動(dòng)力）選擇板片形狀、板式換熱器的類型和結(jié)構(gòu)。 關(guān)鍵詞：平均溫差 NTU 板式蒸發(fā)器 冷凝器 1 平均溫差△tm從公式Q＝K△tmA，△tm＝1／A∫A（t1－t2）dA中可知，平均溫差△tm是傳熱的驅(qū)動(dòng)力，對(duì)于各種流動(dòng)形式，如能求出平均溫差，即板面兩側(cè)流體間溫差對(duì)面積的平均值，就能 計(jì)算 出換熱器的傳熱量。平均溫差是一個(gè)較為直觀的概念，也是評(píng)價(jià)板式換熱器性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。1.1 對(duì)數(shù)平均溫差的計(jì)算當(dāng)換熱器傳熱量為dQ，溫度上升為dt時(shí)，則C＝dQ／dt，將C定義為熱容量，它表示單位時(shí)間通過單位面積交換的熱量，即dQ＝K（th－tc）dA＝K△tdA，兩種流體產(chǎn)生的溫度變化分別為dth＝－dQ／Ch，dtc＝－dQ／Cc，d△t＝d（th－tc）＝dQ（1／Cc－1／Ch）,則dA＝[1／k（1／Cc－1／Ch）]·（d△t／△t），當(dāng)從A＝0積分至A＝A0時(shí)，A0＝[1／k（1／Cc－1／Ch）]·㏑[（tho－tci）／（thi－tco）]，由于兩種流體間交換的熱量相等，即Q＝Ch（thi－tho）＝Cc（tco－tci），經(jīng)簡(jiǎn)化后可知，Q＝KA0｛[（tho－tci）－（thi－tco）]／㏑[（tho－tci）／（thi－tco）]｝，若△t1＝thi－tco，△t2＝tho－tci，則Q＝KA0[（△t1－△t2）／㏑（△t1／△t2）]＝KA0△tm，式中的△tm＝（△t1－△t2）／㏑（△t1／△t2）。順流 △tm＝[（thi－tci）－（tho－tco）] ／㏑[（thi－tci）／（tho－tci）]逆流 △tm＝[（thi－tco）－（tho－tci）] ／㏑[（thi－tco）／（tho－tci）]對(duì)于各種流動(dòng)型式，在相同的進(jìn)口、出口溫度條件下，逆流的平均溫差最大。當(dāng)板式換熱器入口和出口兩流體的溫差△t1和△t2之間的差不大時(shí)，可采用算術(shù)平均溫差（△t1＋△t2）／2，一般△t1／△t2小于1.5時(shí)，可采用，若△t／△t2為3時(shí)，則誤差約為10%。1.2 傳熱單元數(shù)法在傳熱單元數(shù)法中引入一個(gè)無量綱參數(shù)NTU，稱為傳熱單元數(shù)，它表示板式換熱器的總熱導(dǎo)（即換熱器傳熱熱阻的倒數(shù)）與流體熱容量的比值NTU＝KA／MC，它表示相對(duì)于流體熱容流量，該換熱器傳熱能力的大小，即換熱器的無量綱“傳熱能力”。對(duì)于板式換熱器來說，KA／MC＝△t／△tm，式中△t／△tm稱為溫差比，上式中的右邊的工藝過程用NTUp表示，左邊的換熱設(shè)備的條件用NTUE表示。NTUp是流體溫度的變化與平均溫差的比值，表示的是用1℃△tm的變化引起幾度流體溫度變化的值，當(dāng)△tm大時(shí)，NTUp則?。划?dāng)△tm小時(shí)，它有變大的傾向。相反，在NTUp變大的過程中，△tm的溫度變化較大，NTUp較小時(shí)，其△tm的溫度變化較?。ㄒ姳?）。表1 △tm，NTUp的關(guān)系 △tm大△tm小NTUp小NTUp大NTUp大NTUp小△tm的溫度變化大△tm的溫度變化小板式換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算，就是在已知溫差比NTUE的條件下，合理地確定其型號(hào)、流程和傳熱面積，使NTUp等于NTUE。1.3 換熱過程和NTU與供熱空調(diào)相關(guān)的換熱過程如下如示：⑴ 用蒸汽加熱水?、?水—水換熱a. 蒸汽　133→133℃　c. 一次水　65→60℃水　5→65℃（生活熱水）　 二次水　45←40℃（采暖）b. 蒸汽　133→133℃　d. 一次水　14→9℃水　55→65℃（采暖）　二次水　13←7℃（制冷）e. 一次水　29→24℃　二次水　26←21℃（制冷機(jī)的冷卻）以上5例工藝過程的NTUp（見表2）表2 供熱空調(diào)工藝過程的NTUp 過程△tmNTUpa133→133℃5→65℃94.86（65－5）／94.86＝0.632b133→133℃55→65℃72.88（65－55）／72.88＝0.13c65→60℃45←40℃20.00（45－40）／20＝0.25d14→9℃13←7℃1.44（13－7）／1.44＝4.17e29→24℃26←21℃3.00（26－21）／3＝1.671.4 板式換熱器和NTUENTUE表示板式換熱器的能力，換熱器的面積是具有一定傳熱長(zhǎng)度的單位傳熱體的組合，總傳熱長(zhǎng)度是單位長(zhǎng)度和流程數(shù)的乘積。當(dāng)NTUE是總數(shù)時(shí)，若每1流程數(shù)為NTUe時(shí)，則NTUE＝n·NTUe（其中n是流程數(shù)）。當(dāng)NTUe＝NTUE＝NTUp時(shí)，換熱器為單程。若NTUe﹤NTUp時(shí)，則換熱器應(yīng)為多流程，故設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)先預(yù)定n。由于每種板片單程的NTUe值基本上是定值，如適合表2中e的流量為25m3／h的單程板式換熱器的NTUe為17㎡。從NTUe＝A·K／MC可知，當(dāng)NTUe為定值時(shí)，A·K成反比，仍以e為例，當(dāng)K＝500kcal／㎡·h·℃時(shí)，A＝1.67×25000／500＝83.5㎡，流程數(shù)n＝83.5／17≈5。當(dāng)K＝2500kcal／㎡·h·℃時(shí)，A＝16.7㎡，流程數(shù)n＝1。每一流程的NTUe如下所示：K＝500，NTUe＝NTUE／n＝0.33，K＝2500時(shí)，NTUe＝1.67。由此可知，根據(jù)NTUe即可求出換熱器的流程數(shù)，傳熱系數(shù)和傳熱面積。從以上 分析 可知，若板式換熱器設(shè)計(jì)不合理，可能使換熱面積過大，也可能使板間流速太高，阻力過大。1.5 板式換熱器制造技術(shù)的進(jìn)步，板片種類的增加，提高了板式換熱器對(duì)各種工藝過程的適應(yīng)性。⑴ 大NTU（∽8），小△tm（∽1～2）的板式換熱器滿足了區(qū)域供冷和熱泵機(jī)組蒸發(fā)器、冷凝器的要求。從以上分析可知，△tm是換熱的驅(qū)動(dòng)力，若△tm小，即意味著驅(qū)動(dòng)力小，要實(shí)現(xiàn)兩種流體之間的換熱，必須增大傳熱系數(shù)，增大傳熱面積，為了使傳熱面積不至過大，唯一的 方法 是增大傳熱系數(shù)K。① 淺密波紋板片是北京市京海換熱設(shè)備制造有限責(zé)任公司開發(fā)的新型板片，它的傳熱系數(shù)約為7000W／㎡·K，是水平平直波紋板的2倍，是人字形波紋板的1.5倍，在區(qū)域供冷中 應(yīng)用 時(shí)，檢測(cè)的△tm約為1.2。在作為冰蓄冷的乙二醇和冷凍水的換熱器使用中，△tm約為1.5。② 板式蒸發(fā)器、板式冷凝器也是北京市京海換熱設(shè)備制造有限責(zé)任公司開發(fā)的適應(yīng)于熱泵機(jī)組的新型換熱器。與管殼式蒸發(fā)器、冷凝器相比，它具有如下優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)板式蒸發(fā)器、板式冷凝器的傳熱面積約是管殼式換熱器的3倍；板式蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)約為1000～1200 W／㎡·K，板式冷凝器的傳熱系數(shù)約為1500～2000 W／㎡·K均為管殼式換熱器的2～3倍；在板式蒸發(fā)器上采用了使制冷劑液體分布均勻的分配器裝置，當(dāng)蒸發(fā)器板片數(shù)較多時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)制冷劑液體分配不均的 問題 ，不能充分利用所有蒸發(fā)傳熱面積，使蒸發(fā)溫度低于設(shè)計(jì)計(jì)算溫度。采用分配器后即能克服上述問題。有關(guān)單位檢測(cè)數(shù)據(jù)說明，板式蒸發(fā)器、板式冷凝器的傳熱系數(shù)在△tm約為2.5～3℃時(shí)，在1500～2000 W／㎡·K之間，且阻力小，滿足了熱泵機(jī)組的要求。⑵ 小NTU（∽0.3～2），大△tm（∽40～90℃）的板式換熱器滿足了熱回收工藝和工藝加熱、冷卻的要求。當(dāng)工藝過程在大△tm的條件下進(jìn)行換熱時(shí)，說明驅(qū)動(dòng)力大，所需的傳熱面積較小，對(duì)傳熱系數(shù)要求也不高，但，這種工藝過程或者工作壓力高，或者工作溫度高，或者工藝加熱、冷卻過程的液體中含有纖維或直徑較大的顆粒，對(duì)板式換熱器的承壓、耐溫能力提出了要求，對(duì)換熱器的板間距提出了要求。① 排（煙）氣—水板殼式換熱器（省能器），排（煙）氣—空氣板殼式換熱器（空氣預(yù)熱器）是北京市京海換熱設(shè)備制造有限責(zé)任公司和蘭石化共同開發(fā)出來的新型板式換熱器，全焊接板式換熱器中介質(zhì)的換熱是通過板管束來實(shí)現(xiàn)的，組成板管束的板片由專用模具壓制成型，全焊接式板束裝在壓力殼內(nèi)。波紋板片具有靜攪拌作用，能在很低的雷諾數(shù)下形成湍流，且污垢系數(shù)低，傳熱系數(shù)是管殼式換熱器的2～3倍。為了適應(yīng)換熱量大，流體壓降小的要求，板間距大，當(dāng)量直徑約為28㎜。為了滿足工藝的要求板束工作壓力（反壓）P≤4.5Mpa，板束工作壓力（正壓）同殼體工作壓力，不受限制；工作溫度t≤550℃。烏魯木齊石化分公司40萬噸／年連續(xù)重整采用了進(jìn)料（冷介質(zhì)）和出料（熱介質(zhì)）的板殼式換熱器，進(jìn)料流量50t／h，進(jìn)、出口溫渡88℃，470℃。出料流量50t／h，進(jìn)、出口溫度100℃，500℃，對(duì)數(shù)平均溫差約38℃，總傳熱系數(shù)約為380kcal／㎡·h·℃，熱負(fù)荷達(dá)23×106kcal／h，進(jìn)料壓降20Kpa，出料壓降50Kpa。② 多效蒸發(fā)板式加熱器（換熱器），這種換熱器既是工藝加熱裝置，又是重要的熱回收裝置。以前由于板式換熱器的流道?。ò彘g距1.5～5.0㎜），不適宜于氣—氣換熱和蒸氣冷凝；且易堵塞，故不宜用于含懸浮物的流體。為了盡量地發(fā)揮板式換熱器的長(zhǎng)處，克服存在問題，適應(yīng)工藝的要求，北京市京海換熱設(shè)備制造有限責(zé)任公司開發(fā)出了新型的多效蒸發(fā)板式換熱器，這種板式換熱器屬寬流道型，其板間距為8.0㎜，適合于蒸氣冷凝，適合于含懸浮物的流體，且不易堵塞，最大處理量達(dá)1200m3／h。2 傳熱系數(shù)和阻力2.1 板式換熱器的傳熱系數(shù)和阻力換熱器中常使用換熱器的“傳熱面積”和“傳熱系數(shù)”述語，這是一種習(xí)慣的有特定含義的名稱。因?yàn)閾Q熱器間壁兩側(cè)的表面積可能不同，所謂“換熱器的傳熱面積”實(shí)際上是指約定的某一側(cè)的表面積，習(xí)慣上一般把換熱系數(shù)較小的一側(cè)的流體所接觸的壁面表面積稱為該換熱器的傳熱面積，相對(duì)于該傳熱面積，單位時(shí)間、單位面積、在單位溫差下所傳遞的熱流量，稱為該換熱器的傳熱面積，因此傳熱系數(shù)也是相對(duì)于約定的某一側(cè)的表面積而言的。在換熱器結(jié)構(gòu)和估算中使用“傳熱面積”和“傳熱系數(shù)”是方便的。而在換算器傳熱 分析 中，則用傳熱熱阻1／（KA）。板式換熱器的熱阻 計(jì)算 式如下：1／KA＝1／AW（1／〆1＋γF1＋δ／λ＋γF2＋1／〆2）式中，K—傳熱系數(shù)，W／㎡·℃； 

  　A—表面積，㎡；   　AW—平壁面積，㎡；    　δ—板片厚度，m；   　γF—污垢系數(shù)，㎡·℃／W。   　下標(biāo)：1—與流體1接觸側(cè)；2—與流體2接觸側(cè)。2.1.1 換熱系數(shù)① 對(duì)于紊流狀態(tài)，不同形狀板片的換熱 規(guī)律 ，一般可歸納為如下形式，Nu＝CRenPrm（µ／µw）p式中，Nu及Re中的特征尺寸用當(dāng)量直徑d，d＝4Wb／（2W＋2b）   　W—板片寬度，m；   　b—板片間距，m。c、n、m、p值的大致范圍如下：c＝0.15～0.40，n＝0.65～0.85m＝0.30～0.45（通常用1／3），p＝0.05～0.20臨介雷諾數(shù)在10～400左右，取決于板片形狀。② 對(duì)于層流狀態(tài)，板片的換熱規(guī)律可歸納為：Nu＝C（RePrd／L）n（µ／µw）p式中，c、n、p值的范圍一般為c＝1.86～4.50，n＝0.25～0.33，p＝0.1～0.2（通常為0.14）   　L—板片長(zhǎng)度，m。由于板片形狀復(fù)雜，必須根據(jù)試驗(yàn)測(cè)定所得的換熱規(guī)律，作為該板片換熱器傳熱計(jì)算的依據(jù)。2.1.2 阻力板式換熱器總的流體阻力可用下式表示：△p＝f·（L／d）（ρυ2／2）·n （Pa）式中，υ—流道中速度，m／s；   　n—流程數(shù)；   　f—板片通道摩擦阻力系數(shù)。對(duì)于不同形狀的板片，其通道的摩擦阻力系數(shù)相差很大，必須以試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為阻力計(jì)算的依據(jù)。2.2 在常用間壁式換熱器中板式換熱器的傳熱系數(shù)較大2.2.1 板式換熱器的傳熱系數(shù)（見表3），從表3可知，板式換熱器的傳熱系數(shù)約為管殼式的2～3倍。表3 板式換熱器的傳熱系數(shù) 工作介質(zhì)傳熱系數(shù) W／㎡·℃水—水水平平直波紋板人字形波紋板淺密波紋板3500～4000（約為管殼式的2～3倍）4500～52006000～7000蒸氣—水制冷劑、冷凝器制冷劑、蒸發(fā)器1500～2000（約為管殼式的2～3倍）1000～1500（約為管殼式的2～3倍）水蒸氣—水3000～4000水蒸氣（或熱水）—油800～930冷水—油400～580油—油170～350煙氣—水（板殼式）300～4002.3 非對(duì)稱流道提高了板式換熱器的傳熱系數(shù)，降低了阻力。當(dāng)忽略板片的導(dǎo)熱熱阻后，板式換熱器的傳熱系數(shù)K＝〆1·〆2／（〆1＋〆2），從該式可知，傳熱系數(shù)K與〆1、〆2有關(guān)，且小于二者中較小的一個(gè)。為了提高傳熱系數(shù)，必須同時(shí)提高冷、熱流體與板面之間的對(duì)流換熱系數(shù)，如果其中一側(cè)〆值較低的話，板式換熱就不能很好地發(fā)揮它的效益。在城市集中供熱系統(tǒng)中，根據(jù)熱力網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范，國內(nèi)所采用的一次熱媒的溫度一般為150～80℃，130～80℃和110～80℃三種，二次熱媒的溫度一般為95～70℃。在這樣的設(shè)計(jì)參數(shù)下，板式換熱器一次熱媒流道內(nèi)的流量一般為二次熱媒流通內(nèi)流量的一半左右，對(duì)于對(duì)稱性流道來說，一次熱媒的流速僅為二次熱媒流速的50%左右，則一次熱媒流道內(nèi)流體與板面間的對(duì)流換熱系數(shù)約為二次熱媒流通內(nèi)的70%，傳熱系數(shù)約為2500～3700W／㎡·℃。若將一次熱媒流道內(nèi)的對(duì)流換熱系數(shù)提高到原來的1.5倍，則總傳熱系數(shù)將增加到3000～4500 W／㎡·℃。北京市京海換熱設(shè)備制造有限責(zé)任公司開發(fā)的非對(duì)稱流道板式換熱器是采用同一板片組成不同幾何尺寸和形狀的流道（非對(duì)稱流道）解決了兩側(cè)水流量不等的 問題 。圖2表示兩側(cè)流道流通截面積不等的波紋板片示意圖。這種新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與對(duì)稱結(jié)構(gòu)相比具有相同的耐壓性能和使用壽命。表4表示在熱力網(wǎng)規(guī)范規(guī)定的一次側(cè)、二次側(cè)溫度條件下，板式換熱器兩側(cè)各項(xiàng)參數(shù)比之間的關(guān)系。從該表可知，當(dāng)A1／A＝1（對(duì)稱型）時(shí)，兩側(cè)流速比為1:2.4，換熱系數(shù)比為1:1.8，壓力降比為1:5.3，流動(dòng)功率比為1:1.3。若將板式換熱器改為非對(duì)稱型，當(dāng)A1／A2的流道流通面積比為1:2.4時(shí)，則兩側(cè)換熱系數(shù)近似相等，流通功率損失僅差13%，說明這種流通面積比具有較好的傳熱系數(shù)。表4 板式換熱器兩側(cè)各項(xiàng)參數(shù)比之間的關(guān)系 A1／A2υ1／υ2〆1／〆2△P1／△P2N1／N210.410.550.190.0780.4110.992.81.130.580.700.7910.410.430.950.972.51注：摘自孫德興《供熱用板式換熱器兩側(cè)流道截面積的最佳比例分析》北京市京海換熱設(shè)備制造有限責(zé)任公司生產(chǎn)的FBR非對(duì)稱流道板式換熱器一側(cè)流道截面積為另一側(cè)的2倍，適用兩流體流量比為1.5～3.0；設(shè)計(jì)承壓能力為2.5Mpa；由于提高了傳熱系數(shù)，故節(jié)約傳熱面積約為30%；在相同熱負(fù)荷的條件下，壓力降可減少50%。參考  文獻(xiàn) （1）邱樹林，錢濱江.換熱器原理、結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì).上海 交通 大學(xué)出版社   （2）孫德興.供熱用板式換熱器兩側(cè)流通截面積的最佳比例分析   （3）鄒平華等.板式換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算 方法 的探討