螺旋板式換熱器的計(jì)算方法

2014-05-26

螺旋板式換熱器的計(jì)算是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，目前比較流行的方法是對(duì)數(shù)平均溫差法和NTU法。在計(jì)算機(jī)沒有普及的時(shí)候，各個(gè)廠家大多采用計(jì)算參數(shù)近似估算和流速-總傳熱系數(shù)曲線估算方法。目前，越來越多的廠家采用計(jì)算機(jī)計(jì)算，這樣，板式換熱器的工藝計(jì)算變得快捷、方便、準(zhǔn)確。以下簡要說明無相變時(shí)板式換熱器的一般計(jì)算方法，該方法是以傳熱和壓降準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

以下五個(gè)參數(shù)在板式換熱器的選型計(jì)算中是必須的：

• 總傳熱量(單位:kW). 
   
• 一次側(cè)、二次側(cè)的進(jìn)出口溫度
   
• 一次側(cè)、二次側(cè)的允許壓力降 
   
• 最高工作溫度
   
• 最大工作壓力

如果已知傳熱介質(zhì)的流量，比熱容以及進(jìn)出口的溫度差，總傳熱量即可計(jì)算得出。

溫度

T1 = 熱側(cè)進(jìn)口溫度 
T2 = 熱側(cè)出口溫度 
t1 = 冷側(cè)進(jìn)口溫度 
t2= 冷側(cè)出口溫度 
 

熱負(fù)荷

　　熱流量衡算式反映兩流體在換熱過程中溫度變化的相互關(guān)系，在換熱器保溫良好，無熱損失的情況下，對(duì)于穩(wěn)態(tài)傳熱過程，其熱流量衡算關(guān)系為：

　（熱流體放出的熱流量）=（冷流體吸收的熱流量）

　　在進(jìn)行熱衡算時(shí)，對(duì)有、無相變化的傳熱過程其表達(dá)式又有所區(qū)別。

　　（1） 無相變化傳熱過程

　　　　式中
　　　Q----冷流體吸收或熱流體放出的熱流量，W；
　　　mh,mc-----熱、冷流體的質(zhì)量流量，kg/s； 　
　　　Cph,Cpc------熱、冷流體的比定壓熱容，kJ/(kg·K)；
　　　T1,t1 ------熱、冷流體的進(jìn)口溫度，K；
　　　T2,t2------熱、冷流體的出口溫度，K。

　?。?）有相變化傳熱過程

　　兩物流在換熱過程中，其中一側(cè)物流發(fā)生相變化，如蒸汽冷凝或液體沸騰，其熱流量衡算式為：

　　　一側(cè)有相變化
　　　　　　　　　　

　　　兩側(cè)物流均發(fā)生相變化 ，如一側(cè)冷凝另一側(cè)沸騰的傳熱過程 

　　　　　　　　　　

　　式中
　　　　r,r1,r2--------物流相變熱，J/kg；
　　　　D,D1,D2--------相變物流量，kg/s。

　　對(duì)于過冷或過熱物流發(fā)生相變時(shí)的熱流量衡算，則應(yīng)按以上方法分段進(jìn)行加和計(jì)算。

對(duì)數(shù)平均溫差(LMTD)

　　對(duì)數(shù)平均溫差是換熱器傳熱的動(dòng)力，對(duì)數(shù)平均溫差的大小直接關(guān)系到換熱器傳熱難易程度.在某些特殊情況下無法計(jì)算對(duì)數(shù)平均溫差,此時(shí)用算術(shù)平均溫差代替對(duì)數(shù)平均溫差，介質(zhì)在逆流情況和在并流情況下的對(duì)數(shù)平均溫差的計(jì)算方式是不同的。 在一些特殊情況下，用算術(shù)平均溫差代替對(duì)數(shù)平均溫差。

逆流時(shí)：	并流時(shí)：

熱長(F)

熱長和一側(cè)的溫度差和對(duì)數(shù)平均溫差相關(guān)聯(lián)。 F = dt/LMTD

以下四個(gè)介質(zhì)的物理性質(zhì)影響的傳熱

密度、粘度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)

總傳熱系數(shù)

總傳熱系數(shù)是用來衡量換熱器傳熱阻力的一個(gè)參數(shù)。傳熱阻力主要是由傳熱板片材料和厚度、污垢和流體本身等因素構(gòu)成。單位：W/m2 ℃ or kcal/h,m2 ℃.

壓力降

壓力降直接影響到板式換熱器的大小，如果有較大的允許壓力降，則可能減少換熱器的成本，但會(huì)損失泵的功率，增加運(yùn)行費(fèi)用。一般情況下，在水水換熱情況下，允許壓力降一般在20-100KPa是可以解接受的。

污垢系數(shù)

和管殼式換熱器相比，板式換熱器中水的流動(dòng)是處于高湍流狀態(tài)，同一種介質(zhì)的相對(duì)于板式換熱器的污垢系數(shù)要小的多。在無法確定水的污垢系數(shù)的情況下，在計(jì)算時(shí)可以保留10%的富裕量。

計(jì)算方法

熱負(fù)荷可以用下式表示：

Q = m · cp · dt

Q = k · A · LMTD

Q = 熱負(fù)荷 (kW)
m = 質(zhì)量流速 (kg/s) 
cp = 比熱 (kJ/kg ℃) 
dt = 介質(zhì)的進(jìn)出口溫度差 (℃) 
k = 總傳熱系數(shù) (W/m2 ℃) 
A = 傳熱面積 (m2) 
LMTD = 對(duì)數(shù)平均溫差 

總的傳熱系數(shù)用下式計(jì)算： 
 
其中：
k=總傳熱系數(shù)(W/m2 ℃)
α1 = 一次測的換熱系數(shù)(W/m2 ℃) 
α2 = 一次測的換熱系數(shù)(W/m2 ℃)
δ=傳熱板片的厚度(m)
λ=板片的導(dǎo)熱系數(shù) (W/m ℃) 
R1、R2分別是兩側(cè)的污垢系數(shù) (m2 ℃/W)

α1、α2可以用努賽爾準(zhǔn)則式求得。

傳熱效率和傳熱單元數(shù)法

在傳熱計(jì)算中，傳熱速率方程和熱流量衡算式將換熱器和換熱物流的各參數(shù)關(guān)聯(lián)起來。當(dāng)已知工藝物流的流量、進(jìn)、出溫度時(shí)，可根據(jù)前面介紹的方法，計(jì)算平均傳熱溫差△tm及熱流量Q,從而求得所需的傳熱面積A，此類問題即前面提及的設(shè)計(jì)型計(jì)算問題。
　　然而，當(dāng)給定兩物流的流量、進(jìn)口溫度以及傳熱面積、傳熱系數(shù)K時(shí)，卻難以采取解析方法直接確定兩流體的出口溫度。往往需采用試差方法求解。此類問題即前面所提及的操作型計(jì)算問題。對(duì)此，若采用1955年由凱斯和倫敦導(dǎo)出的傳熱效率及傳熱單元數(shù)法，則能避免試差而方便地求得其解。
 

傳熱效率		傳熱單元數(shù)
假設(shè)冷、熱兩流體在一傳熱面為無窮大的間壁換熱器內(nèi)進(jìn)行逆流換熱，其結(jié)果必然會(huì)有一端達(dá)到平衡，或是熱流體出口溫度降到冷流體的入口溫度；或是冷流體的出口溫度升到熱流體的入口溫度，如圖中(b)及(c)所示。然而究竟哪一側(cè)流體能獲得最大的溫度變化（T1-t1），這將取決于兩流體熱容量流率(mCp)的相對(duì)大小。由熱流量衡算式得：  　　　 　　可見，只有熱容量流率相對(duì)小的流體才有可能獲得較大的溫度變化，將該流體的熱容量流率以(mCp)min表示，而相對(duì)大的熱容量流率表示為(mCp)max。 (a)傳熱實(shí)際情況 (b)冷流體Cpcmc相對(duì)小的理論極限情況 (c)熱流體Cpcmc相對(duì)小的理論極限情況 　　將換熱器實(shí)際熱流量Q與其無限大傳熱面積時(shí)的最大可能傳熱量Qmax之比，稱為換熱器的傳熱效率ε。  逆流 　　　　當(dāng)較小時(shí) 　　　　　　　 　　　　當(dāng)較小時(shí) 　　　　　　　 并流 　　　　其溫度變化最大的依然是熱容量流率較小的流體，最大可能的傳熱溫差仍為T1-t1。故具有相同的傳熱效率定義式。		在換熱器中，取微元傳熱面積，由熱流量衡算和傳熱速率方程可得： 　　 對(duì)于熱流體： 　　 　　　為傳熱單元數(shù) 　　取為常數(shù)，則有 　　　 對(duì)于冷流體： 　　　 多個(gè)換熱器串聯(lián)  　　　 傳熱單元數(shù)物理意義： 　　全部溫差變化相當(dāng)于多少平均，NTU數(shù)值上表示 單位傳熱推動(dòng)力引起的溫度變化；表明了換熱器傳熱能力的強(qiáng)弱。
		傳熱效率與傳熱單元數(shù)的關(guān)系
		換熱器中傳熱效率與傳熱單元數(shù)的關(guān)系可根據(jù)熱流量衡算及傳熱速率方程導(dǎo)出。 　　熱容量流率比 　　整理 　　　　不同流型，不同結(jié)構(gòu)，則關(guān)系不同。 在傳熱單元數(shù)相同時(shí)，逆流時(shí)換熱器的傳熱效率總是大于并流時(shí)。 已知R和NTU，可求得，進(jìn)而求和，可避免試差計(jì)算

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