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板式换热器的优化选型
平均温差△tm
从公式Q=K△tmA,△tm=1/A∫A(t1-t2)dA中可知,平均温差△tm是传热的驱动力,对于各种流动形式,如能求出平均温差,即板面两侧流体间温差对面积的平均值,就能计算出换热器的传热量。平均温差是一个较为直观的概念,也是评价板式换热器性能的一项重要指标。
对数平均温差的计算
当换热器传热量为dQ,温度上升为dt时,则C=dQ/dt,将C定义为热容量,它表示单位时间通过单位面积交换的热量,即dQ=K(th-tc)dA=K△tdA,两种流体产生的温度变化分别为dth=-dQ/Ch,dtc=-dQ/Cc,d△t=d(th
-tc)=dQ(1/Cc-1/Ch),则dA=[1/k(1/Cc-1/Ch)]·(d△t/△t),当从A=0积分至A=A0时,A0=[1/k(1/Cc-1/Ch)]·㏑[(tho-tci)/
(thi-tco)],由于两种流体间交换的热量相等,即Q=Ch(thi-tho)=Cc
(tco-tci),经简化后可知,Q=KA0{[(tho-tci)-(thi-tco)]/㏑[(tho
-tci)/(thi-tco)]},若△t1=thi-tco,△t2=tho-tci,则Q=KA0[(△t1
-△t2)/㏑(△t1/△t2)]=KA0△tm,式中的△tm=(△t1-△t2)/㏑
(△t1/△t2)。
顺流△tm=[(thi-tci)-(tho-tco)]/㏑[(thi-tci)/(tho
-tci)]
逆流△tm=[(thi-tco)-(tho-tci)]/㏑[(thi-tco)/(tho
-tci)]
对于各种流动型式,在相同的进口、出口温度条件下,逆流的平均温差最大。当板式换热器入口和出口两流体的温差△t1和△t2之间的差不大时,可采
用算术平均温差(△t1+△t2)/2,一般△t1/△t2小于1.5时,可采用,若
△t/△t2为3时,则误差约为10%。
传热单元数法
在传热单元数法中引入一个无量纲参数NTU,称为传热单元数,它表示板式换热器的总热导(即换热器传热热阻的倒数)与流体热容量的比值NTU=KA/MC,
它表示相对于流体热容流量,该换热器传热能力的大小,即换热器的无量纲“传热能力”。对于板式换热器来说,KA/MC=△t/△tm,式中△t/△tm称为温差比,上式中的右边的工艺过程用NTUp表示,左边的换热设备的条件用NTUE表示。NTUp是流体温度的变化与平均温差的比值,表示的是用1℃△tm的变化引起几度流体温度变化的值,当△tm大时,NTUp则小;当△tm小时,它有变大的倾向。相反,在NTUp变大的过程中,△tm的温度变化较大,NTUp较小时,其△tm的温度变化较小(见表1)。
板式换热器的优化设计计算,就是在已知温差比NTUE的条件下,合理地确定其型号、流程和传热面积,使NTUp等于NTUE。
换热过程和NTU
与供热空调相关的换热过程如下如示:
⑴用蒸汽加热水
⑵
水—水换热
a.蒸汽 133→133℃
c.
一次水 65→60℃
水 5→65℃(生活热水)
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℃(制冷机的冷却)以上5例工艺过程的NTUp(见表2)
板式换热器和NTUE
NTUE表示板式换热器的能力,换热器的面积是具有一定传热长度的单位传热体的组合,总传热长度是单位长度和流程数的乘积。当NTUE是总数时,若每1流程数为NTUe时,则NTUE=n·NTUe(其中n是流程数)。
当NTUe=NTUE=NTUp时,换热器为单程。若NTUe﹤NTUp时,则换热器应为多流程,故设计时应先预定n。由于每种板片单程的NTUe值基本上是定值,如适合表2中e的流量为25m3/h的单程板式换热器的NTUe为17㎡。从NTUe=A·K/MC可知,当NTUe为定值时,A·K成反比,仍以e为例,当K=500kcal/㎡·h·℃时,A=1.67×25000/500=83.5㎡,流程数n=83.5/17≈5。当K=2500kcal/㎡·h·℃时,A=16.7㎡,流程数n=1。每一流程的NTUe如下所示:K=500,NTUe=NTUE/n=0.33,K=2500时,NTUe=1.67。由此可知,根据NTUe即可求出换热器的流程数,传热系数和传热面积。从以上分析可知,若板式换热器设计不合理,可能使换热面
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