板式換熱器的初步設計目錄TOC\o"1-3"\h\u23968第1章緒論 2261601.1課題背景 2140351.2板式換熱器概述 345781.2.1基本結(jié)構(gòu) 3138181.2.2板式換熱器的應用 354631.2.3板式換熱器工作原理 446121.2.4板式換熱器的流程組合 447681.2.5板式換熱器的性能特點 561681.3國內(nèi)外對板式換熱器的研究 5287301.3.1國外的研究 5294161.3.2國內(nèi)對板式換熱器的研究 6152501.4板式換熱器設計過程中需注意的問題及優(yōu)化的意義 7229491.4.1設計過程中需注意的問題 763111.4.2優(yōu)化的意義 9193581.5設計內(nèi)容及方法介紹 9285911.5.1設計內(nèi)容 9260641.5.2方法介紹 920709第2章板式換熱器熱力計算原理 1325392.1板式換熱器的傳熱特性及實驗關聯(lián)式 1320402.2板式換熱器的阻力特性及實驗關聯(lián)式 1527202.3設計計算公式 16255172.3.1傳熱基本方程式 16284612.3.2換熱熱流量計算式 1770762.3.3總傳熱系數(shù)計算式 17124232.3.4傳熱面積計算式 18198302.3.5傳熱平均溫差Δtm計算式 1893612.4設計計算步驟 194987第3章軟件功能介紹 19123473.1HTRI主頁面 1928063.2HTRI可設計的換熱器類型 20244543.3HTRI主功能介紹 2032003.3.1Input界面 21150413.3.2Reports界面 24125173.3.3Graphs界面 24108663.3.4Drawings界面 25199223.3.5Frames-in-series界面 2619943.3.6Design界面 2612548第4章板式換熱器的設計 2796354.1板式換熱器的設計過程 27219724.1.1參數(shù)的確定 27159394.1.2初步設計的結(jié)果 32287664.1.3流道內(nèi)參數(shù)變化 34216404.2改變參數(shù)對板式換熱器性能的影響 36170364.2.1改變?nèi)俗中谓菍Q熱性能的影響 36192404.2.2改變板間距對換熱性能的影響 3848134.3本章小結(jié) 3919233第5章總結(jié)與展望 3964735.1總結(jié) 4068095.2展望 408129參考文獻 40第1章緒論課題背景近年來,我國的綜合國力不斷提高,在國際上起著重要的作用,隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展,對能源的需求也不斷增加,在能源利用的過程中避免不了能源的浪費。特別是在工業(yè)領域,我國的大部分能耗都用于工業(yè)領域,大約占總能耗的70%,同時工業(yè)余熱回收效率也僅為30%[1-2]。工廠有許多能量都成為廢熱排出去了,這造成了大量的能源浪費,也對環(huán)境造成了不同程度的破壞。節(jié)能和控制污染物排放不僅對我國的經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整和變化起著重要作用,還對我國自然環(huán)境保護起到積極作用,有利于改善國民的生活環(huán)境,因此,必須減少能源的浪費,提高工業(yè)余熱回收效率。板式換熱器有許多優(yōu)點,如總傳熱系數(shù)高、換熱好、占地面積小、結(jié)構(gòu)緊湊、易檢修和拆卸等,被廣泛運用于許多領域。當然,在廢水余熱回收領域,板式換熱器也大放異彩,為提高能量利用率做出了巨大貢獻。板式換熱器概述基本結(jié)構(gòu)由大量金屬板按一定順序重疊在一起的換熱器即為板式換熱器,板面上有大量的波紋,一般為平直線的或人字形的,二者性能不同。隨著板式換熱器的發(fā)展,出現(xiàn)了許多新的波紋形狀。圖1-1為板式換熱器的結(jié)構(gòu)圖。板片的厚度有相應的要求,一般由工作壓力決定,不同的壓力對應不同的厚度,目前較為常見的板片厚度一般在0.6mm到0.8mm的范圍內(nèi)。板片在工作時需承受流體壓力,過薄的板片長期處于高壓下會發(fā)生形變導致破壞,使用周期較短,造成不必要的資源浪費,因此不允許板片過薄。波紋板片在設計制造時,留有安裝非金屬材質(zhì)密封墊片的空間,對流體進行密封處理,防止流體發(fā)生泄漏和竄液。不同的換熱要求和阻力要求,板片的面積和數(shù)量以及流程組合也不一定相同,因此在設計時要綜合考慮許多要求,確定合適的流程進行設計并按照設計好的順序進行安裝。固定壓緊板、活動壓緊板、導桿、螺柱、螺母及前支桿可統(tǒng)稱為板式換熱器的框架；所有板片和密封墊片統(tǒng)稱為板束。圖1-1板式換熱器結(jié)構(gòu)圖板式換熱器的應用近年來,板式換熱器的在我國快速發(fā)展。板片上的波紋對流體產(chǎn)生了劇烈的擾動,強化了流體通過板進行換熱的能力,因此傳熱系數(shù)大,對于液-液式板式換熱器,其傳熱系數(shù)可達2500-6000W/m2·K。通過查閱相關資料,發(fā)現(xiàn)板式換熱器的傳熱系數(shù)是管殼式換熱器的3-4倍。參與換熱的兩種流體之間有著不同的流程組合,因此整體性能也不相同,當兩者呈逆流流動時,換熱效果最好。板式換熱器因其優(yōu)點眾多被廣泛應用于工業(yè)領域,如化工、醫(yī)療、食品、造船及冶金等,隨著近些年板式換熱器的不斷發(fā)展,出現(xiàn)了許多新型的板幾何,其應用領域正在進一步擴大。板式換熱器工作原理由大量波紋金屬板疊裝而成的板式換熱器的板片上開有四個孔,即角孔,流體通過角孔后進入導流區(qū)域,通過導流槽進入板片通道內(nèi)換熱。在流體導流的過程中,密封墊片起著重要作用,正如其名稱所示,密封墊片還起著對流體密封的作用,防止流體發(fā)生泄漏。流體經(jīng)過充分換熱后匯集到出口角孔,然后進入下一個流程進行換熱,如此反復直至最后。如圖1-2所示。圖1-2板式換熱器流體流動示意圖板式換熱器的流程組合板式換熱器的同一流程的流體是并聯(lián)流動的,即同一流體介質(zhì)進入的第一個通道開始到第一個流體流動方向發(fā)生變化的通道結(jié)束。每一個流道的流量由于阻力的影響可能并不相同。板片按不同的順序進行排列組合獲得不同的流體流動形式即為板式換熱器的流程組合,換熱器的流程組合需要根據(jù)不同的工作需求來進行設計,從而獲得符合要求最為經(jīng)濟的方案。不同流程組合換熱效果不一樣,當冷熱流體之間呈逆流布置時,換熱效果最好。流程組合形式要根據(jù)工藝要求來確定,因為不同場合要求的換熱量和壓降并不相同。不同場合,板式換熱器的安裝方式也不相同,“U”字形單流程的板式換熱器的流體進出口均布置在壓緊板上,容易拆卸和檢修,該流動方式經(jīng)常用于板片需要經(jīng)常拆卸和清洗的場合。板式換熱器的性能特點由于板式換熱器的板片上有大量的波紋形狀,對流道內(nèi)的流體產(chǎn)生強烈的擾動,流體的邊界層不斷破壞和形成,導致邊界層不會發(fā)展的很厚,因此在低雷諾數(shù)下也能形成湍流流動,不同的板片形式,臨界雷諾數(shù)也不盡相同,一般在100-400范圍內(nèi),具體數(shù)值取決于幾何結(jié)構(gòu)。有許多資料顯示,對于單位傳熱面積的換熱量,在壓力損失相同的情況下,板式換熱器比管殼式換熱器高5-6倍；因為板片很薄,緊湊性比管殼式換熱器高出2倍,可達300m2/m3以上。在同一熱負荷下板式換熱器的體積為管殼式換熱器的1/5-1/10。根據(jù)不同的換熱需求和阻力特性,可以靈活地選擇不同且滿足相應的工藝要求的流程組合。國內(nèi)外對板式換熱器的研究國外的研究早在1878年,板式換熱器就已經(jīng)問世了,距今已有143年的歷史了,是由當時的德國人發(fā)明的,并申請了板式換熱器的專利[3]。早期的板式換熱器主要是用于食品行業(yè),在同類行業(yè)也有應用,當時主要作為液-液換熱器來使用[4]。受限于當時不夠先進的制造工藝,板式換熱器的工作壓力較低,且處理量十分有限。早期的板式換熱器板片和當前的板片有較大的區(qū)別,當時的板片主要是溝道板,隨著許多學者對板式換熱器的深入研究,板式換熱器的板片形式發(fā)生了跨越性發(fā)展,即進入了現(xiàn)代金屬薄板的時代,學者和研究人員的努力功不可沒,為板式換熱器的發(fā)展奠定了基礎。前人采用了各種可視化技術(shù)和電化學傳質(zhì)技術(shù)等多種研究方法對板式換熱器的熱工特性和流動特性進行研究和分析,比如Focke[5]對板式換熱器的人字形波紋板的夾角P進行研究,其采用的是有限擴散電流技術(shù)(Diffiision-LimitedCurrentTechnology,DLCT),分析了夾角P對流體流型的影響；Lozano[6]分別采用了兩種不同的方法對板式換熱器進行研究,其研究的是在不考慮板式換熱器內(nèi)部流體之間換熱的情況下流道內(nèi)流體的分布,對于流道內(nèi)流體的流型的研究,其采用的是平面激光誘導熒光(PLIF)的研究方法來顯示流型,對于速度分布的測量,其采用的是粒子成像測速(PIV)的測速方法,最終得出了板式換熱器流道內(nèi)的流體流動是不均勻的,且一般偏向板片的測方流動的結(jié)論。隨著科學技術(shù)的發(fā)展,計算流體力學CFD[7](ComputationalFluidDynamics)逐漸興起,其基本原理則是數(shù)值求解控制流體流動的微分方程,得出流體流動的流場在連續(xù)區(qū)域上的離散分布,從而近似模擬流體流動情況。由于CFD的有著比板式換熱器實物模擬更為方便的諸多優(yōu)點,CFD被廣泛運用于板式換熱器內(nèi)部流體流動模型的研究。隨著板式換熱器的不斷發(fā)展,市面上也出現(xiàn)了多種用于對板式換熱器進行設計和模擬的軟件,如HTRI和Aspen,本文所采用的軟件為HTRI。國外很早就開始對熱傳遞進行研究,并且取得了大量的研究成果,有許多國外的大型公司專門從事熱傳遞領域高新技術(shù)的研究與應用開發(fā),如于1962年建立的美國傳熱研究公司(HeatTransferResearchInc.),即HTRI,該公司積累了豐富的經(jīng)驗,在換熱器設計軟件的開發(fā)上做了大量工作,并且在傳熱機理、兩相流、振動、污垢、模擬和測試技術(shù)方面作出了巨大貢獻。該公司近年在換熱器設計的計算機軟件開發(fā)上有了突破性進展,其開發(fā)出的軟件提高了換熱器工藝設計領域的經(jīng)濟性,節(jié)省了大量的人力物力。國內(nèi)目前有20多家公司為HTRI會員。1.3.2國內(nèi)對板式換熱器的研究于上世紀中葉,我國就開始對板式換熱器進行研究。蘭州石油機械研究所[3]是我國早期研究板式換熱器的機構(gòu)。該公司是我國在板式換熱器的研究中起步較早的公司,長期從事對板式換熱器的研究和制造。該公司于1967年對板式換熱器的人字形波紋板進行研究,基于板片的不同波紋對板式換熱器的換熱特性及流動特性影響的研究成果,肯定了人字形波紋板片的優(yōu)點。隨著板式換熱器的研究熱潮的來襲,我國也開始對板式換熱器進行實驗研究,結(jié)合國外的研究成果以及國內(nèi)的研究成果,蘭州石油機械研究所在克服了大部分困難后于1974制造了我國的第一臺人字形板式換熱器。由此,我國對板式換熱器的研究飛速發(fā)展,在整個過程中蘭州石油機械研究的貢獻不能不能忽略。我國的許多高校也對板式換熱器有較長時間的研究,清華大學是我國一所著名的高等院校,該校對板式換熱器的研究起步較早,早在八十年代初期就對板式換熱器的整體性能和優(yōu)化設計等方面進行了比較深入地理論研究。該校不僅僅局限于理論研究,還對板式換熱器的性能評價指標進行了系統(tǒng)研究,同時還利用計算機對板式換熱器進行輔助設計[8-9]。板式換熱器設計過程中需注意的問題及優(yōu)化的意義板式換熱器在設計過程中需要注意許多問題,如密封墊片材料的選擇、板間流速、板片選擇等。一般對設計好的板式換熱器還需進行優(yōu)化設計過程中需注意的問題密封墊片密封墊片在板式換熱器內(nèi)流體的密封和導流方面扮演著重要的角色,是板式換熱器的重要組成部件之一。密封墊片材質(zhì)的選擇十分重要,關系到板式換熱器能否長期安全穩(wěn)定地運行,不同材質(zhì)的最高工作溫度不相同,需要根據(jù)工作要求來進行選擇。常用密封墊片的材質(zhì)及允許使用的最高溫度列于表1-1中。表1-1密封墊片的材質(zhì)及允許工作溫度材質(zhì)最高工作溫度/℃材質(zhì)最高工作溫度/℃天然橡膠80樹脂-硬丁基橡膠150氯丁橡膠85硅橡膠160丁苯橡膠110聚三氟乙烯190-200丁腈橡膠150壓制石棉纖維200-260中級腈橡膠135密封墊片大都由橡膠等非金屬材料組成,不能工作于過高的溫度,為了不發(fā)生重大事故,板式換熱器工作溫度不允許超過最高工作溫度。最大使用壓力不僅取決于密封墊片的材質(zhì),還取決于其斷面形狀,因此世界各國對密封墊片化學成分的研究都非常重視。目前,密封墊片使用的斷面形狀有半圓形、矩形及五面體等。密封墊片嵌入板片上密封槽及角孔的四周。由于工作時的高溫,并且金屬板與密封墊片的材質(zhì)不同,兩者在高溫時的膨脹程度不一致,以及由于介質(zhì)內(nèi)壓的作用,導致板片與密封圈之間產(chǎn)生過大的間隙,從而使得介質(zhì)發(fā)生泄漏。為了避免這種情況的出現(xiàn),近年研究出了組合結(jié)構(gòu)的密封墊片,即用硬、軟兩種不同材質(zhì)組合成一體,硬質(zhì)材料能承受較高的壓力,軟質(zhì)材料彈性較好,壓緊后易充滿溝槽,組合成一體后能具有即承壓又耐腐蝕的性能。板間流速由于波紋板的影響,加之板間距較小,流體在低雷諾數(shù)下就能進行湍流流動,因此流體的板間流速分布是不均勻的,由于流動邊界層的影響,主流線上的速度是最高,比平均流速高出3到4倍。當流體處于充分的湍流狀態(tài)時,換熱最為強烈,因此為使流體的流動為充分的湍流,宜取板間的平均流速為0.3-0.8m/s。為了節(jié)省材質(zhì),出于經(jīng)濟性考量,在保持阻力損失處于許應范圍內(nèi)以及滿足相應工藝要求的情況下,盡量提高總傳熱系數(shù),從而減小換熱面積。板片的選擇流程組合不僅會影響換熱效果,也會影響換熱器的阻力特性,所以為了減少阻力損失,需要減少流程數(shù),因此選擇合適的單板面積顯得尤為重要。角孔直徑的大小不相同對單板的換熱面積有一定影響,對處理量也有影響,為使流體通過角孔流道時不產(chǎn)生過多的壓力損失,流體在角孔中的流速一般為4-6m/s。表1-2列出了單板換熱面積和處理量的關系,表中流體通過角孔以6m/s計算的。表1-2單板面積和處理量的關系項目12345678單板面積/m20.10.20.30.50.81.01.62角孔直徑/mm40-5065-9080-100125-150175-200200-250300-350約400單臺最大處理量/(m3/h)27-4271-137108-170265-380520-680680-10601530-2080約2700優(yōu)化的意義板式換熱器的優(yōu)化指的是在滿足一定條件的前提下,使板式換熱器的一個或幾個性能指標達到最佳,如壓降在許應范圍的前提下,優(yōu)化板式換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù),提高板式換熱器的換熱性能,這樣可以很好地節(jié)省材料。設計內(nèi)容及方法介紹設計內(nèi)容本文主要任務是設計一臺用于回收化工廠廢水余熱,來加熱居民生活用水的板式換熱器。以下為已知參數(shù)：廢水的流量為G1=25t/h,廢水入口溫度為80℃；生活用水的流量為G2=25t/h,生活用水人口溫度為20℃,經(jīng)換熱后達44℃。設計出板式換熱器的換熱面積,選擇合適的流程組合,并計算出板式換熱器的壓降,保證其小于許應壓降,以便選擇泵的型號及規(guī)格。方法介紹換熱器的計算較為復雜,尤其是對換熱系數(shù)的計算,涉及到許多經(jīng)驗關聯(lián)式的應用,以及各類參數(shù)的選取,目前廣泛應用的方法是對數(shù)平均溫差法和效能-傳熱單元數(shù)法。對數(shù)平均溫差法如果要獲得換熱器的傳熱熱流量,首先需要計算平均溫差,即壁面兩側(cè)流體間溫差對面積的平均值,對于各類形式的流動,均可由此法求得傳熱熱流量。冷、熱流體在流動換熱時,冷熱流體溫度在隨時變化,在同一流動長度的冷熱流體之間的溫差也是不相同的,因此在計算流體的平均溫差時需格外注意。對于兩流體成順流或逆流的間壁式換熱器,熱、冷流體的溫度沿傳熱面變化的趨勢可用圖1-3來表示[10]。W1>W(a)順流W1>W(b)逆流圖1-3順流和逆流中的溫度分布在已學習的傳熱學上,已經(jīng)對逆流流動和順流流動的對數(shù)平均溫差進行過推導,其推導所得結(jié)果如下：順流：?tm=逆流：?tm=式中：?tm—對數(shù)平均溫差,t1'—熱流體進口溫度,t1''—熱流體出口溫度,t2'—冷流體進口溫度,t2''—冷流體出口溫度,由于上兩式中都存在對數(shù)項,故也稱為對數(shù)平均溫差。逆流型的以式(2)表示的對數(shù)平均溫差在溫差分析中常用作基準溫差,故用特定符號?t式(1)和式(2)也可統(tǒng)一為：?tm=式中：?tmax—兩側(cè)溫差中較大者,?tmin—兩側(cè)溫差中較小者,根據(jù)所學知識,逆流的對數(shù)平均溫差是最大的,所以在初始條件相同的情況下,即流體進出口溫度相同,其他流動形式的對數(shù)平均溫差均小于逆流的,因此其他流動形式的平均溫差可用逆流的平均溫差?tlm乘以一個修正系數(shù)?tm=ψ?tlm 此時,傳熱熱流量可以按下式計算：Φ=KAψ?tlm 式中：Φ—傳熱熱流量,W。K—總傳熱系數(shù),W/m2·K。A—傳熱面積,m2。ψ—溫差修正系數(shù)。?tlm—逆流平均溫差,溫差修正系數(shù)是溫度與溫度之間的比值,即按某種流動形式工作時的平均溫差?tm在和逆流進出口溫度相同時與按逆流工作時的對數(shù)平均溫差效能-傳熱單元數(shù)法換熱器的效能ε定義為：ε=t'?t''maxt1'式中：t'—流體進口溫度,℃t''—流體出口溫度,℃式中的分母為在換熱器中冷熱流體進口溫度的差值,而分子則為冷、熱流體在換熱器中的實際溫度差值中的大者。從式子可以看出,效能ε的物理意義為換熱器的實際換熱量和理想換熱量之比。已知ε后,換熱器交換的熱流量即可根據(jù)兩種流體的進口溫度確定：Φ=qmcmin式中：qm—流體質(zhì)量流量,kg/s。c—流體比定壓熱容,J/(kg·K)。傳熱單元數(shù)NTU定義為：NTU=KAqmcmin NTU是換熱設計中的一個無量綱參數(shù),表征換熱器換熱能力的大小,換熱性能越好相對應的NTU也越大。順流的ε可以表示為：ε=1?exp?NTU1?qmcmin逆流的ε可以表示為：ε=1?exp?NTU1?qmc當冷、熱流體之一發(fā)生相變時,流體的比熱容劇烈增加,即qmcmaxε=1?exp?NTU 當冷、熱流體的qmc值相等時,式順流：ε=1?exp?2NTU2 逆流：ε=NTU1+NTU 第2章板式換熱器熱力計算原理板式換熱器設計的主要參考參數(shù)為壓降和總傳熱系數(shù),壓降對應著換熱器的流動阻力的大小,總傳熱系數(shù)對應著換熱器的換熱能力的強弱,因此需要對這兩個參數(shù)以及工藝要求進行綜合考慮,以確定最為經(jīng)濟的設計方案。換熱系數(shù)的計算有兩種方法,對數(shù)平均溫差法和效能-傳熱單元數(shù)法。對于壓降的計算,不同的板片有些參數(shù)會不相同,這些參數(shù)一般會由制造商提供。2.1板式換熱器的傳熱特性及實驗關聯(lián)式影響板式換熱器換熱性能和阻力特性的因素有很多,如板片形狀、流程組合、流體物性和流體特性等。由于板式換熱器的熱力計算較為復雜,特別是對于總傳熱系數(shù)的計算,涉及到一些經(jīng)驗關聯(lián)式,而這些關聯(lián)式的某些系數(shù)一般由實驗測得,若流體發(fā)生相變,計算則變得更為復雜,目前,對于相變換熱的關聯(lián)式多數(shù)制造商都不能提供；而對于無相變傳熱,相較于相變換熱較為簡單,多數(shù)制造商都通過實驗獲得了相應產(chǎn)品的關聯(lián)式。板式換熱器傳熱計算的基本公式的形式與管內(nèi)或槽道內(nèi)的對流換熱計算公式相同：湍流換熱時為Nuf=CRefnPrfm式中：NufC—系數(shù)。Ref—流體雷諾數(shù)。Prf—流體普朗特數(shù)。μf—以流體溫度計算時的流體動力粘度,Pa·sμw—以壁面溫度計算時的流體動力粘度,Pa·s當流體被加熱時,m=0.4；被冷卻時m=0.3。其中的C、nMarriottJ對式(14)中的系數(shù)和各指數(shù)給出了這樣的范圍：C=0.15?0.4,n=0.65?0.85,m=0.3?0.45非牛頓流體的層流換熱不同于湍流換熱,可用Sieder-Tate形式的方程式,即：Nuf=CRefPrfd式中：de—當量直徑,m。其中C=1.86?4.50,n=0.25?0.33；x=0.1?0.2,馬斯洛夫提出了幾種平行波紋板的實驗公式hdeλ=MPr0.43Prm式中：h—對流傳熱系數(shù),W/m2·K。Prm—以流體溫度計算時的普朗特數(shù)。Prw—以壁面溫度計算時的普朗特數(shù)。式中的M為雷諾數(shù)的函數(shù),列于表2-1中。表2-1傳熱系數(shù)關聯(lián)式板型波紋間距l(xiāng)/mm板間距s/mm最小板間距s’/mm波紋傾角θ/(°)傳熱系數(shù)關聯(lián)式平行光滑板M=0.021Re0.8三角形波紋板20.01.85-30M=0.216Re0.8三角形波紋板22.53.502.8035M=0.125Re0.7三角形波紋板20.02.85-40M=0.215Re0.635三角形波紋板22.55.904.8035M=0.356Re0.6三角形波紋板30.05.504.9030M=0.1815Re0.65圓滑過渡的三角形波紋板38.05.90--M=0.309Re0.6帶褶皺的波紋板48.53.502.00-M=0.122Re0.7三角形波紋板20.02.25-30M=0.1635Re0.63三角形波紋板20.01.15-30M=0.173Re0.64三角形波紋板20.01.40-40M=0.194Re0.64對板內(nèi)流體雷諾數(shù)進行計算時,采用的定性尺度為當量直徑dede=4AU=4bs2b=2s 式中：U—濕周,m。b—板有效寬度,m。s—板間距,m。由于板間距遠小于板有效寬度,即s?b2.2板式換熱器的阻力特性及實驗關聯(lián)式一般是以歐拉數(shù)Eu,即總壓力與慣性力的比值,與雷諾數(shù)Re來對板式換熱器的阻力特性進行描述,阻力特性的計算涉及了許多經(jīng)驗系數(shù),不同板片系數(shù)也不相同,國內(nèi)的板式換熱器制造廠家會將準則關系式給出,如下式：Eu=aRed 或.?p=aRedρu2=Euρ式中：a—系數(shù)。d—指數(shù),隨板片不同而不同。ρ—流體密度,kg/m3。u—流體流速,m/s。?p—流體壓降,Pa對于不同的板片,式中的系數(shù)a也不相同,制造完成的板片其系數(shù)a是通過實驗求得的,由其制造商給定具體數(shù)值。由于式(19)是在1-1程換熱中求得的,只計算了一個流程的壓降,因此需要乘以流程數(shù)m來獲得總壓降,即：?p=maRedρu2=mEuρSmith和Troupe給出了如下工業(yè)用金屬板式換熱器壓降計算經(jīng)驗式：對于串聯(lián)流動有?p=1.87n+7.56(ρu2對于并聯(lián)流動有?p=38.96n+7.56(ρu2介質(zhì)流過板式換熱器的角孔及導流槽時所產(chǎn)生的壓力損失是很高的,一般要求它低于換熱器總的壓力損失的50%,若高于此值,板型結(jié)構(gòu)的設計需重新考慮。在計算板式換熱器壓降的雷諾數(shù)時,當量直徑de的計算公式與計算流道內(nèi)流體的雷諾數(shù)并不相同,計算壓降時板間距s不能忽略,因此計算壓降時的當量直徑dde=4AU=4bs2b+s2.3設計計算公式2.3.1傳熱基本方程式傳熱基本方程式為：Φ=KA?tm 式中：Φ—傳熱熱流量,W。K—總傳熱系數(shù),W/m2·K。A—傳熱面積,m2。?tm—對數(shù)平均溫差,我們應該格外重視公式中的面積A,該面積為有效傳熱面積,即板片的傳熱面積應不包括板片的導流、角孔和周邊等處,它一般有兩種表示方法,即板片的投影面積和板片的展開面積。因為板片被制作成波紋形狀,因此其投影面積和展開面積并不相同,在使用他人數(shù)據(jù)或計算傳熱系數(shù)時,應該注意其是以哪一種面積為基準。2.3.2換熱熱流量計算式換熱熱流量的計算式為：Φ=qmcpt'?t或Φ=qmh'?h'' 式中：h'和h''—流體進、出口比焓,2.3.3總傳熱系數(shù)計算式總傳熱系數(shù)計算式為：K=1h1+rd1+式中：h1和h2—分別為板片兩側(cè)對流換熱系數(shù),W/m2·K。rd1和rd2—分別為板片兩側(cè)污垢熱阻,m2·Kδp—板片厚度,mλp—板片導熱系數(shù),W/m·K表2-2列出了各類流體的污垢熱阻。表2-2板式換熱器的污垢熱阻流體名稱污垢熱阻/m2·K/W流體名稱污垢熱阻/m2·K/W軟水或蒸餾水0.000009機器夾套水0.000052城市用軟水0.000017潤滑油水0.000009-0.000043城市用硬水(加熱時)0.000043植物油0.000007-0.000052處理過的冷卻水0.000034有機溶劑0.000009-0.000026沿海海水或港灣水0.000043水蒸氣0.000009大洋的海水0.000026工藝流體、一般流體0.000009-0.000052河水、運河水0.0000432.3.4傳熱面積計算式傳熱面積計算式為：A=NeAp=Nt?2式中：A—換熱器換熱面積,m2。Ap—單板換熱面積,m2。Ne—有效傳熱板板片數(shù)。Nt—總板片數(shù)。總的板片數(shù)應該比參加傳熱的板片數(shù)多,即使兩端的板片不參加換熱,也應該將其加上,故所需的總板片數(shù)應為：Nt=Ne+2 從流程數(shù)m與通道數(shù)n的組合來考慮,總板片數(shù)NtNt=m1n1+m若式(30)計算所得板片數(shù)等于或略大于式(29)計算所得板片數(shù),則起初所選定的流程數(shù)和通道數(shù)能夠滿足傳熱的要求,若小于,則說明所設計的流程數(shù)和通道數(shù)不能滿足傳熱要求,需要重新設計。2.3.5傳熱平均溫差Δtm計算式傳熱平均溫差ΔtΔtm=ψΔtlm Δtlm=Δtmax?Δt2.4設計計算步驟板式換熱器的設計計算步驟如下：根據(jù)熱平衡關系式和已知流體的某些參數(shù),求出未知的溫度或流量,求出換熱量；結(jié)合工藝要求,參考相應資料和數(shù)據(jù),確定合適的板片的型號；設計好板式換熱器的流程,并根據(jù)式(30),利用流程組合求出所需的板片數(shù)；根據(jù)式(31)和式(32)求傳熱對數(shù)平均溫差；選取合適的關聯(lián)式,確定好關聯(lián)式的參數(shù)以及系數(shù),求得流體的對流換熱系數(shù)；根據(jù)所選流體,查閱相關資料,確定污垢熱阻,并求出總傳熱系數(shù)；求出傳熱面積,并由計算出來的傳熱面積根據(jù)式(28)求所需總板片數(shù)與式(30)計算出的總板片數(shù)進行對比,看是否滿足要求,不滿足則需重新選擇流程數(shù)和通道數(shù)。校核流體的阻力,流體阻力應在許應范圍內(nèi),若不滿足,則需重新選擇板形或者重新計算。第3章軟件功能介紹HTRI的功能較為全面,可對市面上大部分換熱器進行模擬和設計,并且操作較為簡便,非常容易上手,里面的物性庫也較為全面,因此該軟件可勝任大部分換熱器的設計工作。3.1HTRI主頁面圖3-1為HTRI的主頁面：圖3-1HTRI軟件主頁面3.2HTRI可設計的換熱器類型HTRI軟件可對許多換熱器進行計算,包括空冷器(AirCooler)、省煤器(Economizer)、板式換熱器(PlateandFrameExchanger)、管殼式換熱器(ShellandTubeExchanger)、螺旋板式換熱器(SpiralPlateExchanger)、套管式換熱器(HairpinExchanger)、翅片管式換熱器(JacketedPipeExchanger)。圖3-2為軟件可設計的各類換熱器。圖3-2軟件可設計的換熱器類型3.3HTRI主功能介紹以板式換熱器為例,新建一個板式換熱器之后,系統(tǒng)就會進入相應界面,如圖3-3所示：圖3-3換熱器模擬主頁面圖3-3為主功能界面,主要功能包括Input、Reports、Graphs、Drawings、Frames-in-series、Design、Session。3.3.1Input界面圖3-3為Input界面,在此頁面輸入模擬需要的各類參數(shù)。其有四種計算模式,即校核計算、換熱器模擬、經(jīng)典設計和網(wǎng)格設計,校核計算模式是已知換熱器的幾何面積和某些參數(shù),求取另外一些參數(shù)以及傳熱量,換熱器模擬模式是知道換熱器的幾何尺寸,對換熱器進行模擬,看是否滿足熱負荷,經(jīng)典設計模式是知道換熱器的傳熱量和一些工藝參數(shù),求取換熱器的面積和幾何尺寸,網(wǎng)格設計模式可以設定角孔流速。Geometry界面為板幾何頁面,可以自定義板的材料、面積和幾何參數(shù)等,還可以自行設計板的冷熱流體的流型和流程組合,如圖3-4所示。板的各類參數(shù)可以選定某個公司生產(chǎn)的板參數(shù),也可以自行定義,如可以在Chevronangle自定義人字形角的角度,在Channelspacing自定義板間距以及在Portdiamet自定義孔徑。PackArrangement是用來設計板式換熱器的流程組合的功能,通過確定流程組合,可以確定所需的總板片數(shù)。冷熱流體的流型有“U”字形和“Z”子形,冷熱流體間可逆流布置也可順流布置,可根據(jù)需要選擇不同的冷熱流體流型組合、順逆流流動方式以及進口方向。如有需要,可以采用不同板形之間相互組合來設計板式換熱器,對于不同類型的板式換熱器板片,可以在PlateTypes對不同板的各類參數(shù)進行自定義設計,來獲得不同的換熱效果以及壓降。在Hot/ColdFluidProperties界面(如圖3-5所示)可以對冷熱流體的性質(zhì)進行自定義,在HTRI系統(tǒng)內(nèi)有配套的流體物性庫,因此只需要將所需流體插入即可,系統(tǒng)會自行查找對應的流體物性并用于計算,用戶也可以自行輸入流體的物性參數(shù)。圖3-4板幾何(a)熱流體(b)冷流體圖3-5冷熱流體參數(shù)輸入頁面3.3.2Reports界面Reports(如圖3-6所示)主要是在模擬完成后產(chǎn)生的結(jié)果界面,在此界面,用戶可以看到各類結(jié)果參數(shù)。圖3-6Reports界面3.3.3Graphs界面Graphs(如圖3-7所示)的功能是模擬完成后繪制各類參數(shù)變化曲線,如冷熱流體壓降變化曲線、冷熱流體流速變化和冷熱流體雷諾數(shù)變化等曲線。圖3-7Graphs界面3.3.4Drawings界面Drawings(如圖3-8所示)的功能是繪制換熱器的圖片,同時也可以顯示冷熱流體的進出口。圖3-8Drawings界面3.3.5Frames-in-series界面Frames-in-series(如圖3-9所示)的功能是當模擬進行時,顯示一個中間條件。圖3-9Frames-in-series界面3.3.6Design界面Design(如圖3-10所示)的功能是采用Design模擬時顯示最終的運行結(jié)果。圖3-10Frames-in-series界面第4章板式換熱器的設計本文主要任務是設計一臺用于回收化工廠廢水余熱,來加熱居民生活用水的板式換熱器。以下為已知參數(shù)：廢水的流量為G1=25t/h,廢水入口溫度為80℃；生活用水的流量為G2=25t/h,生活用水人口溫度為20℃,經(jīng)換熱后達44℃。在初步確定好板式換熱器的幾何參數(shù)后,改變?nèi)俗中谓堑拇笮『桶彘g距來研究這兩個參數(shù)對板式換熱器性能的影響,來確定最佳的參數(shù)。4.1板式換熱器的設計過程首先利用HTRI對板式換熱器進行初步設計,確定板式換熱器的幾何模型,之后再調(diào)整人字形角、板幾間距和不同板片的組合模式等參數(shù),綜合換熱性能參數(shù)以及壓降等評價指標,獲得最終的板式換熱器換熱器模型。4.1.1參數(shù)的確定綜合已定參數(shù)可得該板式換熱器內(nèi)的熱交換為單相液體之間的熱交換。國內(nèi)化工廠的循環(huán)水水壓一般為0.2-0.5MPa,城市的生活用水水壓一般為0.7MPa,即初步確定所設計的板式換熱器廢水入口壓力為0.5MPa,生活用水入口壓力為0.8MPa。在水-水換熱的情況下[11],允許壓降一般在20-100KPa的范圍內(nèi)。人字形波紋板的承壓能力很好,能夠在較高的壓力下工作,其最高工作壓力一般在0.4-2MPa左右,初步選定Alfalaval公司的M10-B型號的人字形板片,該板片的基本參數(shù)如下：單板換熱面積為0.24m2,板片的長度為879mm,寬度為375mm,板片上下中心距為719mm,左右中心距為223mm,角孔直徑為100.076mm,人字形角為30°,板間距為2.55mm,板片厚度為0.6mm。生活用水一般是經(jīng)過處理過后達到使用標準的硬水,故其污垢熱阻為0.000043m2·K/W,化工廠廢水的污垢熱阻為0.000052m2·K/W。將以上參數(shù)輸入軟件,如圖4-1所示。(a)流體基本參數(shù)輸入(b)板片型號以及參數(shù)的選擇(c)污垢熱阻的輸入圖4-1各類參數(shù)的輸入由于用于化工廠的板式換熱器需要進行經(jīng)常性地檢修與清洗,故選擇易拆卸的“U”字形布置,逆流的對數(shù)平均溫差最大,換熱效果最好,因此冷熱流體之間為逆流布置,冷熱流體的進出口布置在同一側(cè),且均為單流程,冷熱流體的流道均為70個,因此總板片數(shù)為141,如圖4-2所示。(a)流動形式(b)冷熱流體進出口(藍色為冷流體,紅色為熱流體)圖4-2冷熱流體的布置HTRI內(nèi)部有比較完整的物性庫,只需選擇好流體后勾選系統(tǒng)自行計算即可,這時只要添加對應流體就行,之后系統(tǒng)會自動計算流體的物性參數(shù),若不想采用HTRI內(nèi)部的物性庫,用戶也可以自行輸入流體的物性參數(shù)進行計算,只需勾選用戶自定義即可,采用HTRI內(nèi)部物性庫的步驟如圖4-3所示。(a)(b)(c)圖4-3采用HTRI物性庫的步驟4.1.2初步設計的結(jié)果參數(shù)確定無誤后即可進行運行,運行后系統(tǒng)會自行設計滿足要求的板式換熱器,圖4-4為初步設計的板式換熱器結(jié)構(gòu)圖,圖4-5為設計運行后冷熱流體進出口溫度變化,表4-1為板式換熱器設計結(jié)果,包含了換熱器設計運行完成后的各種參數(shù)。圖4-4板式換熱器設計結(jié)構(gòu)圖圖4-5冷熱流體進出口溫度表4-1板式換熱器設計結(jié)果項目熱流體冷流體流體名稱水水流量(m3/h)2535進口溫度/出口溫度(℃)80.00/46.4620.00/44.00平均溫度/壁面溫度(℃)63.23/49.1232.00/42.97進口壓力/平均壓力(kPa)500.00/499.40800.01/798.81總壓降/允許壓降(kPa)1.21/20.002.40/20.00標準通道流速(m/s)0.120.16分布不均系數(shù)0.770.73換熱器性能熱流體傳熱系數(shù)(W/m2·K)3423.73實際傳熱系數(shù)(W/m2·K)1435.21冷流體傳熱系數(shù)(W/m2·K)3678.43換熱面積(m2)33.34對數(shù)平均溫差(℃)30.8設計裕量(%)51.454.1.3流道內(nèi)參數(shù)變化如圖4-6所示,從流體入口的第一個通道到最后一個通道,冷熱流體的板間流速、雷諾數(shù)和壓降逐漸降低,由于冷流體的流量大于熱流體的流量,所以冷流體的板間流速以及壓降要大于熱流體的,而冷熱流體物性參數(shù)的差異造成了熱流體的雷諾數(shù)大于冷流體的雷諾數(shù)。壓力差是流體流動的推動力,所以隨著通道內(nèi)壓力差的降低,冷熱流體的流速以及雷諾數(shù)也隨著不斷降低,由于第一個通道的壓力差最大,所以通道內(nèi)的流速比其余通道內(nèi)的流速大,雷諾數(shù)也是第一個通道內(nèi)的最大。(a)流速的變化(b)雷諾數(shù)的變化(c)壓降的變化圖4-6流道內(nèi)參數(shù)的變化趨勢4.2改變參數(shù)對板式換熱器性能的影響4.2.1改變?nèi)俗中谓菍Q熱性能的影響人字形角作為板式換熱器的重要參數(shù)之一,對板式換熱器的整體性能有著重要的影響,在不改變板式換熱器幾何參數(shù)的情況下改變?nèi)俗中谓堑拇笮硌芯咳俗中谓菍Π迨綋Q熱器換熱性能的影響。如圖4-7(a)所示隨著人字形角的增加實際換熱系數(shù)不斷增加隨后趨于穩(wěn)定,因為增大人字形角度會加強對流體的擾動,不斷破壞形成的邊界層,從而強化換熱,當人字形角大于60°時,強化換熱的效果并不明顯,冷熱流體間的換熱趨于一個穩(wěn)定值,因此過大的人字形角并不能很好地強化換熱。如圖4-7(b)所示,冷熱流體的總壓降隨著人字形角的增大而不斷增大,在人字形角小于65°時,隨著人字形角的增大,冷熱流體的壓降增加地較為緩慢,但在人字形角大于65°時,壓降的趨勢陡然上升,呈指數(shù)型增長,這是因為流體在過大的人字形角的流道中流道時,流體的流道阻力特別大,導致了過大的壓降。由此可得,過大的人字形角不僅不能有效地強化換熱,而且還造成過大的壓降,同時還對制造工藝有很高的要求,因此人字形角不宜過大,綜合換熱與壓降,當人字形角為60°時,換熱性能較好,壓降也在允許范圍內(nèi),此時最為經(jīng)濟。(a)(b)圖4-7換熱系數(shù)與壓降隨人字形角的變化趨勢4.2.2改變板間距對換熱性能的影響在人字形角為60°與板式換熱器的幾何參數(shù)不變的情況下,改變板間距的大小,獲得了如圖4-8所示的換熱系數(shù)和冷熱流體總壓降與板間距的關系,圖4-8(a)中為換熱系數(shù)與板間距的關系,隨著板間距的增大,總換熱系數(shù)不斷減小,這是因為板間距增大會使流體的流通面積增大,在通過的流量不變的情況下,流體的流速會隨之減小,削弱了換熱,總換熱系數(shù)也隨之減小。圖4-8(b)為冷熱流體總壓降與板間距之間的關系,冷熱流體總壓降隨板間距的增大而減小,這也是因為由于流道流通面積的增大導致流速減小,流動損失也隨之減小,導致壓降減小。(a)(b)圖4-8換熱系數(shù)與壓降隨板間距的變化趨勢板式換熱器的流道較窄,容易發(fā)生堵塞,且有密封墊片厚度的影響,板式換熱器的板間距一般在2.5mm以上。板式換熱器的總換熱系數(shù)和壓降在板間距變化的情況下為單調(diào)函數(shù),因此需要綜合不同的工藝要求以及需方的工作要求,如在需要較強的換熱而