板式换热器的计算方法.docx
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板式换热器的计算方法
板式换热器的计算方法
板式换热器的计算是一个比较复杂的过程，目前比较流行的方法是对数平均温差法和NTU法。
在计算机没有普及的时候，各个厂家大多采用计算参数近似估算和流速-总传热系数曲线估算方法。
目前，越来越多的厂家采用计算机计算，这样，板式换热器的工艺计算变得快捷、方便、准确。
以下简要说明无相变时板式换热器的一般计算方法，该方法是以传热和压降准则关联式为基础的设计计算方法。
以下五个参数在板式换热器的选型计算中是必须的：
总传热量（单位:
kW）.
一次侧、二次侧的进出口温度
一次侧、二次侧的允许压力降
最高工作温度
最大工作压力
如果已知传热介质的流量，比热容以及进出口的温度差，总传热量即可计算得出。
温度
T1=热侧进口温度*A3F7y&G7S+Q
T2=热侧出口温度3s'_%s5s.T"D0q4b
t1=冷侧进口温度&L8~:
|;B:
t2M2w$z
t2=冷侧出口温度
热负荷
热流量衡算式反映两流体在换热过程中温度变化的相互关系，在换热器保温良好，无热损失的情况下，对于稳态传热过程，其热流量衡算关系为：
0B N/I"A+m0z'H9~
（热流体放出的热流量）=（冷流体吸收的热流量）
在进行热衡算时，对有、无相变化的传热过程其表达式又有所区别。
（1）无相变化传热过程
式中
Q----冷流体吸收或热流体放出的热流量，W；#Q/p3p:
I4~0N'I）W
mh,mc-----热、冷流体的质量流量，kg/s； +Z:
I9b-h9h"r3P）{/^
Cph,Cpc------热、冷流体的比定压热容，kJ/（kg·K）；6L8t6b3o&m/n
T1,t1------热、冷流体的进口温度，K；
T2,t2------热、冷流体的出口温度，K。
（2）有相变化传热过程
两物流在换热过程中，其中一侧物流发生相变化，如蒸汽冷凝或液体沸腾，其热流量衡算式为：
&w3v）j4I4R
一侧有相变化1Y#e$B6c&z%C3W-W*J
两侧物流均发生相变化，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。
对于过冷或过热物流发生相变时的热流量衡算，则应按以上方法分段进行加和计算。
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.在某些特殊情况下无法计算对数平均温差,此时用算术平均温差代替对数平均温差，介质在逆流情况和在并流情况下的对数平均温差的计算方式是不同的。
在一些特殊情况下，用算术平均温差代替对数平均温差。
热长（F）
热长和一侧的温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热：
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和厚度、污垢和流体本身等因素构成。
单位：
W/m2℃orkcal/h,m2℃.
压力降
压力降直接影响到板式换热器的大小，如果有较大的允许压力降，则可能减少换热器的成本，但会损失泵的功率，增加运行费用。
一般情况下，在水水换热情况下，允许压力降一般在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处于高湍流状态，同一种介质的相对于板式换热器的污垢系数要小的多。
在无法确定水的污垢系数的情况下，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）0s"f$\8]"l1J$F）{
m=质量流速（kg/s）
cp=比热（kJ/kg℃）
dt=介质的进出口温度差（℃）#A6n%p-@'y
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℃）:
r!
r.f+v#w;r;C
δ=传热板片的厚度（m）;f8X-L/]0h-~"s3^9e
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。
板式换热器选型计算
板式换热器是一种高效紧凑型热交换设备，它具有传热效率高、阻力损失小、结构紧凑、拆装方便、操作灵活等优点，目前广泛应用于冶金、机械、电力、石油、化工、制药、纺织、造纸、食品、城镇小区集中供热等各个行业和领域，因此掌握板式换热器的选型计算对每个工程设计人员都是非常重要的。
目前板式换热器的选型计算一般分为手工简易算法、手工标准算法及计算机算法三种，以下就三种算法的特点进行简要的说明。
一、手工简易算法
计算公式：
F=Wq/（K*△T）
式中F—换热面积m2
Wq—换热量 W
K—传热系数W/m2·℃
△T—平均对数温差℃
根据选定换热系统的有关参数，计算换热量、平均对数温差，设定传热系数，求出换热面积。
选定厂家及换热器型号，计算板间流速，通过厂家样本提供的传热特性曲线及流阻特性曲线，查出实际传热系数及压降。
若实际传热系数小于设定传热系数，则应降低设定传热系数，重新计算。
若实际传热系数大于设定传热系数，而实际压降大于设定压降，则应进一步降低设定传热系数，增大换热面积，重新计算。
经过反复校核，直到计算结果满足换热系统的要求，最终确定换热器型号及换热面积大小。
这种算法的优点是计算简单，步骤少，时间短；缺点是结果不准确，应用范围窄。
造成结果不准确的原因主要是样本所提供的传热特性曲线及流阻特性曲线是一定工况条件下的曲线，而设计工况可能与之不符。
此外样本所提供的传热特性曲线及流阻特性曲线仅为水―水换热系统，在使用中有很大的局限性。
以下给出佛山显像管厂总装厂房低温冷却水及40℃热水两套换热系统实例加以说明采用手工简易算法得出的计算结果与实测结果的差别：
BR35F=36m2北京市华都换热设备厂
低温冷却水系统
工艺水
冷冻水
流量
m3/h
进水温度
℃
出水温度
℃
压降
MPa
流量
m3/h
进水温度
℃
出水温度
℃
压降
MPa
计算结果
59
28
17
130
6
11
实测结果
63
22
17
21
7
22
BR05F=5m2北京市华都换热设备厂
40℃热水系统
工艺水
高温水
流量
m3/h
进水温度
℃
出水温度
℃
压降
MPa
流量
m3/h
进水温度
℃
出水温度
℃
压降
MPa
计算结果
6
10
40
9
90
70
实测结果
10
33
39
1
90
36
二、手工标准算法
计算方法与步骤
（一）工艺条件
热介质
进出口温度℃ Th1Th2
流量m3/hQh
压力损失（允许值）MPa△Ph
冷介质
进出口温度℃Tc1Tc2
流量m3/hQc
压力损失（允许值）MPa△Pc
（二）物性参数
物性温度 ℃Th=（Th1+Th2）/2Tc=（Tc1+Tc2）/2
介质重度Kg/m3γhγc
介质比热KJ/kg·℃CphCpc
导热系数W/m·℃λhλc
运动粘度m2/sνhνc
普朗特数PrhPrc
（三）平均对数温差（逆流）
△T=（（Th1-Tc2）-（Th2-Tc1））/ln（（Th1-Tc2）/（Th2-Tc1））
或△T=（（Th1-Tc2）+（Th2-Tc1））/2（分子等于零）
（四）计算换热量
Wq=Qh*γh*Cph*（Th1-Th2）=Qc*γc*Cpc*（Tc2-Tc1）W
（五）设备选型
根据样本提供的型号结合流量定型号，主要依据于角孔流速。
即：
Wl=4*Q/（3600*π*D2）≤～s
Wl—角孔流速m/s
Q—介质流量m3/h
D—角孔直径m
（六）定型设备参数（样本提供）
单板换热面积 sm2
单通道横截面积fm2
板片间距lm
平均当量直径dem（d≈2*l）
传热准则方程式Nu=a*Reb*Prm
压降准则方程式Eu=x*Rey
Nu—努塞尔数Eu—欧拉数
—板形有关参数、指数
Re—雷诺数
Pr—普朗特数
m—指数热介质m=冷介质m=
（七）拟定板间流速初值 Wh或Wc
Wc=Wh*Qc/Qh（纯逆流时）
W取～s
（八）计算雷诺数
Re=W*de/ν
W—计算流速m/s
de—当量直径m
ν—运动粘度m2/s
（九）计算努塞尔数
Nu=a*Reb*Prm
（十）计算放热系数
α=Nu*λ/de
α—放热系数W/m2·℃
λ—导热系数W/m·℃
分别得出αh、αc热冷介质放热系数
（十一）计算传热系数
K=1/（1/αh+1/αc+rp+rh+rc）W/m2·℃
rp—板片热阻·℃/W
rh—热介质污垢热阻～·℃/W
rc—冷介质污垢热阻～·℃/W
（十二）计算理论换热面积
Fm=Wq/（K*△T）
（十三）计算换热器单组程流道数
n=Q/（3600*f*W）（圆整为整数）
Q—流量m3/h
f—单通道横截面积m2
W—板间流速m/s
（十四）计算换热器程数
N=（Fm/s+1）/（2*n） N为≥1的整数
s—单板换热面积m2
（十五）计算实际换热面积
F=（2*N*n-1）*s（纯逆流）
（十六）计算欧拉数
Eu=x*Rey
（十七）计算压力损失
△P=Eu*γ*W2*N*10-6MPa
γ—介质重度Kg/m3
W—板间流速m/s
N—换热器程数
选定厂家，根据角孔流速确定换热器型号，从手册查出在设计工况下冷、热介质的各种物理参数，根据厂家样本提供的传热经验公式及流阻经验公式，初步设定流体的板间流速，求出雷诺数，经计算得出传热系数及压力损失，在实际换热面积不小于理论换热面积的前提下，若压力损失大于许用值，则应进一步降低初定的板间流速，重新计算。
经过反复校核，直到计算结果满足换热系统的要求，最终确定换热器型号及换热面积大小。
这种算法的优点是计算结果准确，应用范围广；缺点是计算复杂，步骤多，时间长。
三、计算机算法
利用计算机进行板式换热器选型计算，充分发挥了计算机运算速度快的特长，一个计算
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