板式换热器的传热系数和阻力分析以及计算方法

　　什么是板式换热器

　　板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种高效换热器。各种板片之间形成薄矩形通道，通过板片进行热量交换。板式换热器是液—液、液—汽进行热交换的理想设备。它具有换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占地面积小、应用广泛、使用寿命长等特点。在相同压力损失情况下，其传热系数比管式换热器高3-5倍，占地面积为管式换热器的三分之一，热回收率可高达90%以上。

　　板式换热器的型式主要有框架式（可拆卸式）和钎焊式两大类，板片形式主要有人字形波纹板、水平平直波纹板和瘤形板片三种。

　　板式换热器的传热系数和阻力分析

　　换热器中常使用换热器的“传热而积”和“传热系数”述语，这是一种习惯的有特定含义的名称。因为换热器间壁两侧的表面积可能不同，所谓“换热器的传热面积”实际上指约定的某一侧的表而积，习惯上一般把换热系数较小的一侧的流体所接触的壁面表面积称为该换热器的传热面积，相对于该传热而积，单位时间、单位而积、在单位温差下所传递的热流量，称为该换热器的传热而积，因此传热系数也是相对于约定的某一侧的表而积而言的。在换热器结构和估算中使用“传热而积”和“传热系数”是方便的。而在换算器传热分析中，则用传热热阻1/（KA）。板式换热器的热阻计算式如下：

　　1/KA=1/AW （1/ 1+yF1+8/h+yF2+1/2）

　　式中，K——传热系数，W/ m2C

　　A——表面积，m2

　　AW——平壁面积，m2

　　8—板片厚度，m2 C/W

　　yF——污垢系数，m:C / W。

　　下标： 1一与流体1接触侧; 2一与流体2接触侧。

　　换热系数

　　1、对于紊流状态，不同形状板片的换热规律，一般可归纳为如下形式，

　　Nu=CRcPrm （u / Hw） P

　　式中，Nu 及Re 中的特征尺寸用当量直径d，d=4Wb /（2W+2b）

　　W——板 片宽 度，m;

　　b——板片间距，m

　　c、n、m、p值的大致范围如下：

　　c=0.15~0.40，n=0.65~0.85

　　m=0.30~0.45 （通常用1/ 3），p=0.05~0.20

　　临介雷诺数在10~400左右，取决于板片形状。

　　2、对于层流状态，板片的换热规律可归纳为：

　　Nu=C （RePrd/L）n（u/pw） p

　　式中，c。n、p 值的范围一般为c= 1.86~4.50，n=0.25~0.33，p=0.1~0.2

　　（通常为0.14）

　　L——板片长度，m。

　　由于板片形状复杂，必须根据试验测定所得的换热规律，作为该板片换热器传热计算的依据。

　　板式换热器的计算方法

　　板式换热器的计算是一个比较复杂的过程，目前比较流行的方法是对数平均温差法和NTU法。在计算机没有普及的时候，各个厂家大多采用计算参数近似估算和流速-总传热系数曲线估算方法。目前，越来越多的厂家采用计算机计算，这样，板式换热器的工艺计算变得快捷、方便、准确。以下简要说明无相变时板式换热器的一般计算方法，该方法是以传热和压降准则关联式为基础的设计计算方法。

　　以下五个参数在板式换热器的选型计算中是必须的：

　　总传热量（单位：kW）。 

　　一次侧、二次侧的进出口温度 

　　一次侧、二次侧的允许压力降

　　最高工作温度

　　最大工作压力如果已知传热介质的流量，比热容以及进出口的温度差，总传热量即可计算得出。

　　温度

　　T1 = 热侧进口温度

　　T2 = 热侧出口温度

　　t1 = 冷侧进口温度

　　t2= 冷侧出口温度

　　热负荷

　　热流量衡算式反映两流体在换热过程中温度变化的相互关系，在换热器保温良好，无热损失的情况下，对于稳态传热过程，其热流量衡算关系为：

　　（热流体放出的热流量）=（冷流体吸收的热流量）

　　在进行热衡算时，对有、无相变化的传热过程其表达式又有所区别。

　　（1）无相变化传热过程

　　式中

　　Q----冷流体吸收或热流体放出的热流量，W；

　　mh，mc-----热、冷流体的质量流量，kg/s；

　　Cph，Cpc------热、冷流体的比定压热容，kJ/（kg·K）；

　　T1，t1 ------热、冷流体的进口温度，K；

　　T2，t2------热、冷流体的出口温度，K。

　　（2）有相变化传热过程

　　两物流在换热过程中，其中一侧物流发生相变化，如蒸汽冷凝或液体沸腾，其热流量衡算式为：

　　一侧有相变化

　　两侧物流均发生相变化，如一侧冷凝另一侧沸腾的传热过程

　　式中

　　r，r1，r2--------物流相变热，J/kg；

　　D，D1，D2--------相变物流量，kg/s。

　　对于过冷或过热物流发生相变时的热流量衡算，则应按以上方法分段进行加和计算。

　　对数平均温差（LMTD）

　　对数平均温差是换热器传热的动力，对数平均温差的大小直接关系到换热器传热难易程度。在某些特殊情况下无法计算对数平均温差，此时用算术平均温差代替对数平均温差，介质在逆流情况和在并流情况下的对数平均温差的计算方式是不同的。在一些特殊情况下，用算术平均温差代替对数平均温差。

　　热长（F）

　　热长和一侧的温度差和对数平均温差相关联。F = dt/LMTD

　　以下四个介质的物理性质影响的传热密度、粘度、比热容、导热系数

　　总传热系数

　　总传热系数是用来衡量换热器传热阻力的一个参数。传热阻力主要是由传热板片材料和厚度、污垢和流体本身等因素构成。单位：W/m2 ℃or kcal/h，m2 ℃。

　　压力降

　　压力降直接影响到板式换热器的大小，如果有较大的允许压力降，则可能减少换热器的成本，但会损失泵的功率，增加运行费用。一般情况下，在水水换热情况下，允许压力降一般在20-100KPa是可以解接受的。

　　污垢系数

　　和管壳式换热器相比，板式换热器中水的流动是处于高湍流状态，同一种介质的相对于板式换热器的污垢系数要小的多。在无法确定水的污垢系数的情况下，在计算时可以保留10%的富裕量。

　　计算方法热负荷可以用下式表示：

　　Q = m · cp · dt

　　Q = k · A · LMTD

　　Q = 热负荷（kW）

　　m = 质量流速（kg/s）

　　cp = 比热（kJ/kg ℃）

　　dt = 介质的进出口温度差（℃）

　　k = 总传热系数（W/m2 ℃）

　　A = 传热面积（m2）

　　LMTD = 对数平均温差

　　总的传热系数用下式计算：

　　其中：

　　k=总传热系数（W/m2 ℃）

　　α1 = 一次测的换热系数（W/m2 ℃）

　　α2 = 一次测的换热系数（W/m2 ℃）

　　δ=传热板片的厚度（m）

　　λ=板片的导热系数（W/m ℃）

　　R1、R2分别是两侧的污垢系数（m2 ℃/W）

　　α1、α2可以用努赛尔准则式求得。

　　传热效率和传热单元数法

　　在传热计算中，传热速率方程和热流量衡算式将换热器和换热物流的各参数关联起来。当已知工艺物流的流量、进、出温度时，可根据前面介绍的方法，计算平均传热温差△tm及热流量Q，从而求得所需的传热面积A，此类问题即前面提及的设计型计算问题。

　　然而，当给定两物流的流量、进口温度以及传热面积、传热系数K时，却难以采取解析方法直接确定两流体的出口温度。往往需采用试差方法求解。此类问题即前面所提及的操作型计算问题。对此，若采用1955年由凯斯和伦敦导出的传热效率及传热单元数法，则能避免试差而方便地求得其解。