新型板式換熱器的優(yōu)化選型

親斤型板式換熱器的優(yōu)化選

型摘要：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=At/Atm，即傳熱單元數(shù)NTU和溫差比(對(duì)數(shù)平均溫差一換熱的動(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A(yù)tm從公式Q=KAtmA,Atm=1/ASA(tl-t2)dA中可知，平均溫差A(yù)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=KAtdA,兩種流體產(chǎn)生的溫度變化分別為dth=-dQ/Ch,dtc=-dQ/Cc,dAt=d(th-tc)=dQ(1/Cc-1/Ch),則dA=[1/k(1/Cc-1/Ch)]·(dAt/At)，當(dāng)從A=0積分至A=A0時(shí)，A0=[1/k(1/Cc-1/Ch)]·In[(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)簡化后可知，Q=KA0{[(tho-tci)—(thi-tco)]/In[(tho-tci)/(thi-tco)]}，若^tl=thi-tco,At2=tho-tci,則Q=KA0[(At1-At2)/In(Atl/At2)]=KA0Atm,式中的Atm=(At1-At2)/ln(At1/At2)。順流Atm=[(thi-tci)-(tho-tco)]/ln[(thi-tci)/(tho-tci)]逆流Atm=[(thi-tco)-(tho-tci)]/b[(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A(yù)tl和At2之間的差不大時(shí)，可采用算術(shù)平均溫差(At1+At2)/2,—般Atl/At2小于1.5時(shí)，可采用，若At/At2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=At/Atm,式中At/Atm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DCAtm的變化引起幾度流體溫度變化的值，當(dāng)Atm大時(shí)，NTUp則??；當(dāng)Atm小時(shí)，它有變大的傾向。相反，在NTUp變大的過程中，Atm的溫度變化較大，NTUp較小時(shí)，其Atm的溫度變化較?。ㄒ姳?）。表1^tm,NTUp的關(guān)系A(chǔ)tm大△tm小NTUp小NTUp大NTUp大NTUp小△tm的溫度變化大Atm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⑵水一水換熱a.蒸汽133—133°Cc.一次水65—60°C水5—65°C（生活熱水）二次水45-40C（采暖）b.蒸汽133f133°Cd.一次水14-9C水55-65C（采暖） 二次水13-7C（制冷）e.—次水29-24C二次水26-21C（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AtmNTUpa133i133°C5i65°C94?86（65-5）/94?86=0?632b133f133°C55i65°C72?88（65—55）/72.88=0.13c65f60°C45-40°C20.00（45-40）/20=0.25d14f9°C13-7°C1.44 （13-7） /1.44=4.17e29f24°C26-21°C3.00（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度的單位傳熱體的組合，總傳熱長度是單位長度和流程數(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17m\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/mf#183;h·°C時(shí)，A=1.67×25000/500=83.5^,流程數(shù)n=83.5/17^5。當(dāng)K=2500kcal/^·h·C時(shí)，A=16.7mL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(s8),小^tm(s1?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，Atm是換熱的驅(qū)動(dòng)力，若Atm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/m·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Atm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，Atm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)：單位體積內(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?1200W/mf#183;K,板式冷凝器的傳熱系數(shù)約為1500?2000W/mf#183;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Atm約為2.5?3°C時(shí)，在1500?2000W/mf#183;K之間，且阻力小，滿足了熱泵機(jī)組的要求。⑵小NTU（s0.3?2）,大Atm（s40?90C）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Atm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）氣一水板殼式換熱器（省能器），排（煙）氣一空氣板殼式換熱器（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28m虬為了滿足工藝的要求板束工作壓力（反壓）PW4.5Mpa,板束工作壓力（正壓）同殼體工作壓力，不受限制；工作溫度tW550P。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100P,500。&對(duì)數(shù)平均溫差約38°C,總傳熱系數(shù)約為380kcal/mf#183;h·°C,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?5.0mm）,不適宜于氣一氣換熱和蒸氣冷凝；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8.0m,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/夕1+丫F1+0/入+yF2+1/K2)式中，K—傳熱系數(shù)，W/mf#183;°C;A一表面積，m2;aw一平壁面積，m；6—板片厚度，m;YF一污垢系數(shù)，m·C/Wo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(&micro;/&micro;w)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(&micro;/&micro;w)p式中，c、n、p值的范圍一般為c=1.86?4.50,n=0.25-0.33,p=0.10.2(通常為0.14)L一板片長度，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：△?=f·(L/d)(pu2/2)·n(Pa)式中，u—流道中速度，m/s;n—流程數(shù);f一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/^·°C水一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蒸氣一水制冷劑、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）水蒸氣一水3000?4000水蒸氣（或熱水）一油800?930冷水一油400?580油一油170?350煙氣一水（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=/1·/2/（/1+K2）,從該式可知，傳熱系數(shù)K與夕1、/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)夕值較低的話，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°C,130?80°C和110?80°C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/武·。。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?4500W/武·°C。北京市京海換熱設(shè)備制造有限責(zé)任公司