板式热交换器综合性能优化设计方法研究

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1、板式热交换器综合性能的优化设计方法研究摘要：本文对板式热交换器的分析是通过热力学原理完成的，从而获到的换热系数和压降的关联式是与板式热交换器相关的；该板式热交换器的设计是由有压降的约束下针对流程组合的角度出发。又从板式热交换器经济情况出发，系统考虑板式热交换器的换热性能和阻力性能，完成了板式热交换器的总体花费优化设计。最后通过在此流速下板式热交换器的换热性能来分析与研究。关键词：板式热交换器；流程组合；优化；泵功；经济性能研究的内容重点集中在分析总结板式热交换器的流速、压降、传热系数间的关联式；和如何通

2、过变化热交换器的波纹类型，波纹的波纹角，波纹高度和波节距等因素提高板式热交换器的传热性能和压降性能。本文假设板式热交换器板片的换热和压降特性一定时，从板式热交换器的整体开始，先通过板式热交换器的流程的组合方面将板式热交换器进行优化；再是从板式热交换器运行后的总体经济效益上将板式热交换器进行优化。一、板式热交换器的热力学分析对板式热交换器进行建模分析的目的是为了能更好的了解板式热交换器的性能和对它优化设计。进行分析的方面有传热性能和压降性能。1、总传热系数的计算通过不同的已知条件，来从不同的角度对总传热系

3、数进行计算。1.1由热阻关系求解板式热交换器换热时主要有五项热阻：即板片热侧热阻，污垢层热阻，板片热阻，板片冷侧热阻，污垢层热阻。它们之和为总热阻，对总热阻求倒数得到的结果我们称之为总传热系数，故其计算式K为：（1.1）式中和对流导热系数为，为导热系数，为板片厚度。热交换器的板片表层涂有防腐蚀涂层是为了缓解腐蚀对板式热交换器性能造成的影响，从而存在涂层热阻、，总传热系数的计算式则为：（1.2）1.2当热负载、换热面积和对数传热温差已知的情况下，可以用传热方程求总的换热系数。传热的基本方程式为：（1.3）

4、由式（1-3）可求得总传热系数：（1.4）式中，和分别表示热负载、板片的有效换热面积和平均温差。2.板式热交换器换热量计算板式热交换器工作在不同的环境中，换热量Q的计算也不同，当参与换热的流体都是液体，且换热时，没有物态变化下换热量Q有公式1.5求得：（1.5）公式中、、、，分别表示质量流量，比热容、流体出入口温度。当流体在换热时有物态变化时，需要考虑流体在沸腾或凝结时热量的传递。3.对数平均温差的计算热交换器的传热原理是存在温差。由热力学第二定律可知对数平均温差是的传热的最初动力。一般情况下，实际平均

5、温差的计算通常是对逆流情况下对数平均温差进行修正的方式取得。板间流体流动方向为逆流时，板式热交换器的对数平均温差可由公式（1.6）得出（1.6）式中，为热流体进口温度，为冷流体出口温度，为热流体出口温度，为冷流体进口温度。式中，实际对数平均温差计算如式（1.7）所示（1.7）为修正因子。修正因子与板间流体的流动方向相关。流体在板式热交换器中换热时，参与换热的冷热流体流向相反时称为逆流，反之称之为顺流。相较之下，流程安排为逆流时，换热效果好。板式热交换器在串联，并联和混联下取值不同。当板式热交换器工作在串

6、联并联纯逆流的流程下，接近1。热交换器的流程安排为混联时，因为存在顺流的情形，所以比1小一般越接近1，则说明此热交换器的换热性能越好。如果参与换热的两种流体的温度变化较小时，即与之比小于2时，可采用算术平均温差代替对数平均温差，即：（1.8）计算板式热交换器的热负载时，涉及到流体的比热容。当流体的比热容不随温度变化而变化时，流体的温度变化与其交换的热量成正比的关系。当流体的比热容随温度的变化不大时，可取平均温度下的比热容作为整体的比热容。当流体的比热容受温度的影响很大，如果这种情况仍旧用对数平均温差计算

7、热负载的话，会产生较大的误差，此时应改用积分平均误差。4.对流传热系数的计算为了提高板式热交换器的换热性能，在换热片上压制不同波纹，这样流体流经在板时，流体的边界层受到干扰，且板片间的通道较小，总流量较小的情况下，容易产生湍流，传热得到了强化。对于粘度较小的流体，通常用下列的关联式计算流体对流传热系数。对流换热系数和压降都与雷诺数有关。雷诺数是判断流体流动状态的物理量，无因次。在板式热交换器中雷诺数计算如公式（1.9）所示：（1.9）式(3.9)中表示当量直径，表示流体流速，表示流体的运动粘度。努塞尔数

8、是反映对流传热强弱的物理量，无因次。如果流体的粘度变化较小时，努塞尔数计算如式（1.10）所示（1.10）式中为普朗特数。如果流体的粘度变化较大，此时利用式（1.10）计算努塞尔数就会有较大的误差，此时可采用Sieder-Tate的关联式来计算Nu：（1.11）式（3.10）及式（3.11）中c、m、n是与热交换器的工作状态相关的常数。根据经验，通常如果当前的流体是冷侧时，m取0.4；当前流体为热侧时，m取0.3。不同的板式热交换器中c、n