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板式换热器选型计算

作者：
单位：日期：2006年7月15日
板式换热器选型计算
摘要：本文透过几个实例详细的解释了板式换热器的选型的计算方法和过程。
关键词：板式换热器 选型 计算
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。除了设计压力和设计温度以及一次侧、二次侧的允许压力降外，以下七个参数在板式换热器的选型计算中必须提供任意五个参数：总传热量、一次侧、二次侧的进出口温度和一次侧、二次侧的流量。
1、选型的基本公式和依据
1.1选型公式
a、热负荷计算公式：Q=cmΔt
其中：Q=热负荷（KW）、c—介质比热（KJ/ Kg.℃）、m—介质质量流量（Kg/h）、Δt—介质进出口温差（℃）（注：m、Δt、c为同侧参数）
※水的比热为4.2KJ/ Kg.℃
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；
　　　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。
　　（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：
　　　一侧有相变化

　　　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。
b、换热面积计算公式：A=Q/K.Δtm
其中：A—换热面积（m2）、K—传热系数（KW/ m2.℃）
Δtm—对数平均温差　
总传热系数K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 ℃ 或 kcal/h,m2 ℃.
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 ℃)
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。
K值表：
介质
水—水
蒸汽-水
蒸汽--油
冷水—油
油—油
空气—油
K
2500～4500
1300~2000
700～900
500～700
175～350
25～58
注：Ｋ值按经验取值（流速越大，Ｋ值越大。水侧板间流速一般在0.2～0.8m/s时可按上表取值，汽侧板间流速一般在15m/s以内时可按上表取值）
对数平均温差Δtm：
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。
逆流时
并流时

c、板间流速计算公式：

其中V—板间流速（m/s）、q----体积流量（注意单位转换，m3/h – m3/s）、AS—单通道截面积（具体见下表）、n—流道数
1.2某厂板式换热器整机技术参数表（测试结果为依据）：
型
号
设
备
参
数

BR0.05
BR0.1
BR0.25
BR0.3
BR0.35
BR0.5
BR0.7
BR1.0
BR1.35
最高使用压力Mpa
2.5
使用温度范围℃
-19~200
装机最大换热面积
5
15
30
65
80
120
220
350
500
最大流量m3/h
10
25
40
120
150
250
430
650
1730
标准接口法兰DN
25
40
65
80
100
125
150
250
350
单板换热面积m2
0.051
0.109
0.238
0.308
0.375
0.55
0.71
1.00
1.35
平均流道截面积m2
0.000494
0.000656
0.00098
0.00118
0.00119
0.001691
0.002035
0.0286
0.004
设备参考质量Kg
87
290
485
870
980
1800
2800
3700
7200
型号说明：BR0.3X1.6/150-9-E表示波形为人字形、单板公称换热面积0.3m2 、设计压力1.6Mpa、垫片材质EPDM、总换热面积为9 m2 板式换热器。
2、具体实例
2.1选型实例一（生活热水用：水-水）
2.1.1使用参数
一次水进水温度：90℃ 一次水流量：50m3/h
一次水出水温度：70℃
二次水进水温度：10℃ 二次水流量：20m3/h
二次水出水温度：60℃
2.1.2热负荷
Q=cmΔt
=1×50×4200×（90-70）
=4,200,000KJ
2.1.3初选换热面积
平均温差
Δtm=（70-10）-（90-60）/ ln(70-10)/(90-60)
=43.3℃
传热系数取K=3000W/h·℃
面积A=Q/K.Δtm
=4,200,000/3000×43.3
=7.7m2
取设计余量17%（如介质比较洁净不易结垢，设计余量可偏小些。余量一般在10%—30%之间）
则A=9.0m2
根据流量及换热面积初选用BR0.3X1.6/150-9-E人字型波纹板型。
2.1.4流速校核：
需用单板面积为0.27m2的板片约33片。
初选流道布置方案：1×16/1×16
有效换热面积AC=0.27×32=8.64m2
根据“板式换热器整机技术参数表”选BR03型
其主要几何参数：
单板换热面积：0.27m2
单通道截面积：0.0012 m2
角孔直径：DN80
一次水侧流速V1=q1/As.n1
=50/3600×0.0012×16=0.72m/s
二次水侧流速V2=q2/As.n2
=20/3600×0.0012×16=0.29m/s
流速范围在0.2～0.8 m/s之间，符合设计要求。
所以，选型BR0.3X1.6/150-9-E；流程组合为1×16/1×16。
2.2选型实例二（散热器采暖用：汽-水）
2.2.1使用参数
热源采用0.4 Mpa饱和蒸汽（饱和温度150℃），采暖面积为2万平方米。散热器要求供水温度80℃，回水温度60℃。
2.2.2热工计算
每平方米按80大卡计算则总热负荷为160万大卡。
热水流量为：
m=Q/cΔt
=1600000/1×（80-60）
=80,000 Kg/h=80 m3/h
2.2.3初选换热面积
平均温差
Δtm=（150-60）-（150-80）/ ln(150-60)/(150-80)
=79.6℃
传热系数取K=1500Kcal/h·℃
面积A=Q/K.Δtm
=1,600,000/1500×79.6
=13.4m2
取设计余量30%（为了使蒸汽冷凝水温度更低，余量一般取大些，余量范围一般在10%—30%之间）
则A=17.4m2
根据流量及换热面积初选用BR0.3X1.6/150-18-E人字型波纹板型。
2.2.4流速校核：
需用单板面积为0.27m2的板片约67片。
初选流道布置方案：1×33/1×33
有效换热面积AC=0.27×66=17.82m2
根据“板式换热器整机技术参数表”选BR03型
其主要几何参数：
单板换热面积：0.27m2
单通道截面积As：0.0012 m2
角孔直径：DN80
蒸汽侧流速V1=q1/As.n1
=2667/3600×2.548×0.0012×33=7.34m/s
（蒸汽热值按60万大卡每吨计算，0.4 Mpa饱和蒸汽密度查表为2.548 Kg/m3。）
热水侧流速V2=q2/As.n2
=80/3600×0.0012×33=0.56m/s
水侧流速范围在0.2～0.8 m/s之间，汽侧流速在15 m/s以内，符合设计要求。
所以，确定选型BR0.3X1.6/150-18-E；流程组合为1×33/1×33。
2.3选型实例三（冷却润滑油用：油-水）
2.3.1使用参数
润滑油进口温度：60℃ 流量：50m3/h
润滑油出口温度：40℃
冷却水进口温度：32℃
冷却水出口温度：37℃
2.3.2热负荷
Q=cmΔt
=2.043×50×864×（60-40）
=1765152KJ/h=422184 Kcal/h
（查表：4.181为KJ与Kcal的换算率，润滑油在60℃时比热为2.043 KJ/(Kg.K)，密度为864Kg/ m3）
冷却水流量m= Q/CΔt=422184/1×(37-32)=84437 Kg/h=84.5 m3/h
2.3.3选换热面积
平均温差
Δtm=（60-37）-（40-32）/ ln(60-37)/(40-32)
=14.2℃
传热系数取K=600Kcal/h·℃
面积A=Q/K.Δtm
=422,285/600×14.2
=49.6m2
取设计余量17%（如介质比较洁净不易结垢，设计余量可偏小些。余量一般在10%—30%之间）
则A=58.0m2
根据流量及换热面积初选用BR0.5X1.6/150-58-E人字型波纹板型。
2.3.4流速校核：
需用单板面积为0.52m2的板片约111片。
初选流道布置方案：1×55/1×55
有效换热面积AC=0.52×110=57.2m2
根据“板式换热器整机技术参数表”选BR05型
其主要几何参数：
单板换热面积：0.52m2
单通道截面积As：0.00162 m2
角孔直径：DN125
润滑油侧流速V1=q1/As.n1
=50/3600×0.00162×55=0.16m/s
冷却水侧流速V2=q2/As.n2
=84.5/3600×0.00162×55=0.26m/s
由于润滑油侧及冷却水流速较低（0.16m/s ＜0.2m/s），流程组合重新排为：
1×27+1×28 / 1×27+1×28
则润滑油侧重新计算流速为0.3 m/s，冷却水侧重新计算流速为0.52 m/s。
流速范围在0.2～0.8 m/s之间，符合设计要求。
所以，选型BR0.5X1.6/150-58-E；流程组合为1×27+1×28 / 1×27+1×28。
2.4选型实例四（冷却麦芽汁用：麦芽汁-水）
2.4.1使用参数
麦芽汁进口温度：98℃ 流量：32 t/h
麦芽汁出口温度：8.0℃
冷冻水进口温度：2.0℃
冷冻水出口温度：80℃
2.4.2热负荷
Q=cmΔt
=4.01 4.18×32×1000×（98-8）
=2,762,870Kcal/h
（查表：4.18为水的比热容，麦芽汁在50℃时比热为4.01 KJ/(Kg.K)）
冷却水流量m= Q/CΔt=2762870/1×(80-2)=35421 Kg/h=35.5 m3/h
2.4.3初选换热面积
平均温差
Δtm=（98-80）-（8-2）/ ln(98-80)/(8-2)
=10.9℃
传热系数取K=3000Kcal/h·K
面积A=Q/K.Δtm
=2762870/3000×10.9
=84.5m2
取设计余量17%（如介质比较洁净不易结垢，设计余量可偏小些。余量一般在10%—30%之间）
则A=98.8m2
根据流量及换热面积初选用BR0.5X1.6/150-100-E人字型波纹板型。
2.4.4流速校核：
需用单板面积为0.52m2的板片约193片。
初选流道布置方案：4×24/4×24
有效换热面积AC=0.52×192=99.8m2
根据“板式换热器整机技术参数表”选BR05型
其主要几何参数：
单板换热面积：0.52m2
单通道截面积As：0.00162 m2
角孔直径：DN125
麦芽汁侧流速V1=q1/As.n1
=32/3600×0.00162×24=0.23m/s
冷冻水侧流速V2=q2/As.n2
=35.5/3600×0.00162×24=0.25m/s
流速范围在0.2～0.8 m/s之间，符合设计要求。
所以，选型BR0.5X1.6/150-100-E；流程组合为4×24 / 4×24。
小结：通过对板式换热器计算过程的描述，我们可以清楚的发现，板式换热器的计算方法与管式换热器基本相同，只是它的计算需要结合每个公司的产品，计算结果更加具体，选择也比较有局限性。采用计算机计算能够更加准确的描绘出换热器的换热计算结果（后附大连九圆热交换设备制造有限公司计算软件计算的选型结果3张）。