二級(jí)建造師輔導(dǎo)資料：新型板式換熱器的優(yōu)化選型

　　1 平均溫差△tm $lesson$

　　從公式Q=K△tmA，△tm=1/A∫A(t1-t2)dA中可知，平均溫差△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=K△tdA，兩種流體產(chǎn)生的溫度變化分別為dth=-dQ/Ch，dtc=-dQ/Cc，d△t=d(th-tc)=dQ(1/Cc-1/Ch),則dA=[1/k(1/Cc-1/Ch)]?(d△t/△t)，當(dāng)從A=0積分至A=A0時(shí)，A0=[1/k(1/Cc-1/Ch)]?┮[(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)]/┮[(tho-tci)/(thi-tco)]｝，若△t1=thi-tco，△t2=tho-tci，則Q=KA0[(△t1-△t2)/┮(△t1/△t2)]=KA0△tm，式中的△tm=(△t1-△t2)/┮(△t1/△t2)。

　　順流 △tm=[(thi-tci)-(tho-tco)] /┮[(thi-tci)/(tho-tci)]

　　逆流 △tm=[(thi-tco)-(tho-tci)] /┮[(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△t1和△t2之間的差不大時(shí)，可采用算術(shù)平均溫差(△t1+△t2)/2，一般△t1/△t2小于1.5時(shí)，可采用，若△t/△t2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=△t/△tm，式中△t/△tm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1℃△tm的變化引起幾度流體溫度變化的值，當(dāng)△tm大時(shí)，NTUp則小;當(dāng)△tm小時(shí)，它有變大的傾向。相反，在NTUp變大的過程中，△tm的溫度變化較大，NTUp較小時(shí)，其△tm的溫度變化較小(見表1)。

　　表1 △tm，NTUp的關(guān)系

　　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：

　?、?用蒸汽加熱水　　　　　　　　　　　　　　?、?水―水換熱

　　a. 蒸汽　133→133℃　　　　　　　　　　　　　c. 一次水　65→60℃

　　水　5→65℃(生活熱水)　　　　　　　　　　　 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△tmNTUp

　　a133→133℃

　　5→65℃94.86(65-5)/94.86=0.632

　　b133→133℃

　　55→65℃72.88(65-55)/72.88=0.13

　　c65→60℃

　　45←40℃20.00(45-40)/20=0.25

　　d14→9℃

　　13←7℃1.44(13-7)/1.44=4.17

　　e29→24℃

　　26←21℃3.00(26-21)/3=1.67

　　1.4 板式換熱器和NTUE

　　NTUE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17┫。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/┫?h?℃時(shí)，A=1.67×25000/500=83.5┫，流程數(shù)n=83.5/17≈5。當(dāng)K=2500kcal/┫?h?℃時(shí)，A=16.7┫，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(∽8)，小△tm(∽1～2)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，△tm是換熱的驅(qū)動(dòng)力，若△tm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，唯一的是增大傳熱系數(shù)K。

　?、?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/┫?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)域供冷中時(shí)，檢測(cè)的△tm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，△tm約為1.5。

　?、?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1000～1200 W/┫?K，板式冷凝器的傳熱系數(shù)約為1500～2000 W/┫?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，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△tm約為2.5～3℃時(shí)，在1500～2000 W/┫?K之間，且阻力小，滿足了熱泵機(jī)組的要求。

　?、?小NTU(∽0.3～2)，大△tm(∽40～90℃)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△tm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。

　?、?排(煙)氣―水板殼式換熱器(省能器)，排(煙)氣―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28┨。為了滿足工藝的要求板束工作壓力(反壓)P≤4.5Mpa，板束工作壓力(正壓)同殼體工作壓力，不受限制;工作溫度t≤550℃。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100℃，500℃，對(duì)數(shù)平均溫差約38℃，總傳熱系數(shù)約為380kcal/┫?h?℃，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小(板間距1.5～5.0┨)，不適宜于氣―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8.0┨，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。

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