螺旋板式换热器的计算方式

2014-05-26

螺旋板式换热器的计算是一个比较复杂的过程，目前非常流行的方式是对数平均温差法跟NTU法。在计算机没有普及的之后，各个厂家大多采用计算参数近似推算和速度-总传热系数曲线计算方式。目前，越来越多的厂商采用计算机计算，这样，板式换热器的工艺计算更加便捷、方便、准确。以下详细表明无相变时板式换热器的通常计算方式，该办法是以传热和压降准则关联式为基础的设计计算方式。

以下五个参数在板式换热器的选型计算中是需要的：

如果已知传热介质的流量，比热容以及进出口的湿度差，总传热量就能计算得出。

温度

T1 = 热侧温度

T2 = 热侧出口温度

t1 = 冷侧温度

t2= 冷侧出口温度

热负荷

热流量衡算式反映两流体在传热过程中浓度差异的互相关系，在换热器保温良好，无热损失的状况下，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、无相差异的传热过程其表达式既有所区别。

（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、冷流体的品质流量，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差异，如蒸气冷凝或液态沸腾，其热流量衡算式为：

一侧有相变化

两侧物流均出现相差异 ，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。

对于过冷或过低物流发生相变时的热流量衡算，则要按以上步骤分段进行加和计算。

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.在这些特殊状况下能够推导对数平均温差,此时用算术平均温度代替对数平均温差，介质在逆流情况跟在并流情况下的对数平均温差的计算方法是不同的。 在一些特殊状况下，用算术平均温差代替对数平均温差。

逆流时：

并流时：

热长(F)

热长跟一侧的浓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质

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跟重量、污垢和流体本身等原因组成。单位：W/m2 ℃ or kcal/h,m2 ℃.

压力降

压力降直接制约到板式换热器的大小，如果有较大的允许压力降，则或许避免换热器的费用，但会代价泵的容量，增加运行成本。一般状况下，在水水换热情况下，允许压力降通常在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进入高湍流状态，同一种介质的相对于板式换热器的结垢系数应小的多。在能够确定水的污垢系数的状况下，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，传热速度函数跟热流量衡算式将换热器和热源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，可按照上面介绍的方式，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，此类难题即上面提到的设计型计算问题。

然而，当给定两物流的流量、温度或者传热面积、传热系数K时，却无法采用解析方式直接确认两流体的出口温度。往往需采取试差方法求解。此类难题即上面所提到的操作型计算难题。对此，若采取1955年由凯斯和英国导出的传热效率及传热单元数法，则可导致试差而便于地求得其解。

传热单元数

假设冷、热两流体在一传热面为无穷大的间壁换热器内进行逆流换热，其结果必定会有一端达到平衡，或是热流体出口温度降到凉流体的入口温度；或是冷流体的出口温度升至热流体的入口温度，如图中(b)及(c)所示。然而究竟那一侧流体可获得最大的温度变化（T1-t1），这将取决于两流体热容量流率(mCp)的相对大小。由热流量衡算式得：

可见，只有热容量流率相对小的流体才有也许获得较大的温度差异，将该流体的热容量流率以(mCp)min表示，而相对大的热容量流率表示为(mCp)max。

(a)传热实际情况

(b)冷流体Cpcmc相对小的理论极限状况

(c)热流体Cpcmc相对小的理论极限状况

将换热器实际热流量Q与其无限大传热面积时的最大可能传热量Qmax之比，称为换热器的传热效率ε。

逆流

当较小时

当较小时

并流

其温度差异最大的仍然是热容量流率较小的流体，最大可能的传热温差仍为T1-t1。故具备同样的传热效率定义式。

在换热器中，取微元传热面积，由热流量衡算和传质速率方程可得：

对于热流体：

为传热单元数

取为常数，则有

对于冷流体：

多个换热器串联

传热单元数物理意义：

全部温差变化相当于多少平均，NTU数值上表示 单位传热推动力引起的湿度差异；表明了换热器传热能力的强弱。

传热效率与传热单元数的关系

换热器中传热效率与传热单元数的关系能按照热流量衡算及传热速度函数导出。

热容量流率比

整理

不同流型螺旋板冷凝器进出口，不同结构，则关系不同。

在传热单元数相同时，逆流时换热器的传热效率总是大于并流时。

已知R和NTU，可求得，进而求和，可避免试差计算

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