板式换热器计算设计(一)基本概念及对应公式

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2023-08-30 / 1 评论 / 168 阅读 / 正在检测是否收录...

概述

 换热器从概念上来讲。就是让冷热介质进行热交换,已达到加热或制冷的目的。
 从交换介质来划分,就有了:气-气,气-液,液-液等多种形式;
 从换热器结构来划分,常见就有了:

名称翅片式管翘式板式钎焊式
外形翅片式换热器外形管翘式换热器外形板式式换热器外形钎焊式换热器外形
备注多用于气体-气体,气体-液体的换热容器中浸没了盘管结构,用于液体-液体换热隔板分割冷热介质,含有密封条板式扩展出的一种,板-板之间采用钎焊的方式,无密封条

 以前,对于换热器,我总是买来用就是了,近期有个项目,需要设计它,可是我不会啊。
怎么办?
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正文

本文主要以液体-液体的换热方式来描述,原理上并不难,两种液体间隔金属板进行热交换,高温介质热量流向低温介质,忽略环境散热,热量应守恒。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)

换热过程

基本概念:

 理论基础要打好,才能真正理解后面公式所表达的意义:
相变:介质是否发生了从一种相(态)忽然变成另一种相,最常见的是冰变成水和水变成蒸气。
比热容(Cp):即单位质量物体改变单位温度时吸收或放出的热量。即令1kg的物质的温度上升1开尔文所需的热量。单位:kJ/(kg·K)
热导率(λ):又称“ 导热系数 ” 在物体内部垂直于导热方向取两个相距1米,面积为1平方米的平行平面,若两个平面的温度相差1K,则在1秒内从一个平面传导至另一个平面的热量就规定为该物质的热导率,。单位:W/m.℃、W/m.K
注意:单位换算中:W/m.℃ = W/m.K
换热系数(α):这个就稍微有点复杂,总得来说就是流体与固体表面之间的换热能力,比如说,物体表面与附近介质温差1℃,单位时间(1s)单位面积上通过对流与附近介质交换的热量。单位为W/(m^2·℃)或J/(m^2·s·℃)。换热系数的数值与换热过程中流体的物理性质、换热表面的形状、部位以及流体的流速等都有密切关系。理论推导可参考:努赛尔准则式
总传热系数(k):上面的换热系数(α)表达的是介质和金属板面的的换热能力,那作为换热器,有多个换热板,结合换热板面的厚度,是否存在污垢,多重因素综合起来的总换热系数。

理论公式:

板式换热器
在 进行热衡算时,无相变化的传热过程其表达式又有所区别。(本文主要描述板式换热器无相变介质的热传递)

无相变传热过程

式中 Q--冷流体吸收或热流体放出的热流量,W;
mh,mc-----热、冷流体的质量流量,kg/s;
Cph,Cpc------热、冷流体的比定压热容,kJ/(kg·K);
T1,t1 ------热、冷流体的进口温度,K;
T2,t2------热、冷流体的出口温度,K。
从上式中,我们就可以得到热负荷 Q, 那热负荷又存在以下公式:
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
关于LMTD的计算:
逆流时:

平均温差(逆流时)

并流时:

平均温差(并流时)

总的传热系数用下式计算:

总传热系数

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。

结尾:

 比较匆忙,空了再写吧,不过上面的公式已经够用了,可以看出,根据上面的公式:
已知:
(1)热介质入口温度;
(2)热介质出口温度;(一般为期望值)
(3)热介质流量;
(4)冷介质入口温度;
(5)冷介质出口温度;(一般未知)
(6)冷介质流量;
 只需要知道上面任意5个参数,根据热负荷守恒,就可以推导出剩余的1个,但我们在设计换热器或选择换热器的时候,热交换面积是一个非常重要的参数,要想推导热交换面积,就没那么简单了,困难就出在总传热系数K值不好确定,要想通过公式推导,确实复杂,至少不适合新手或外行,总传热系数的计算要涉及到详细的板式换热器结构设计。
 也就是说,先有结构设计,才能计算换热面积,网上很多教程为了便捷,直接给的是经验值系数,但范围宽的离谱,比如:

流体对流换热系数(k)
大约 1000 W/(m2 °C)
热水1000 – 6000 W/(m2 °C)
蒸汽6000 – 15000 W/(m2 °C)

 我认为这样的经验系数是没法用的,影响结果极大,已经没啥意义了,那就没办法了吗?
 当然有,我们可以借助换热器专业厂家的产品计算软件或excel来计算,只要我们需求的产品和板式换热器结构类似,就可以套用他们的结构设计来计算换热面积,而且不用繁琐的公式计算,我后面推荐和分享几个小软件或程序,快速计算换热面积。

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评论 (1)

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