板式热交换器综合性能的优化设计方法研究

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11/h，污垢层热阻1sR，板片热阻/，板片冷侧热阻21/h，污垢层热阻2sR。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：1121211ssKRRhh（1.1）式中1h和2h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1coR、2coR，总传热系数的计算式则为：111221211scoscoKRRRRhh（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：LMTDQKAT（1.3）由式（1-3）可求得总传热系数：/LMTDKQAT（1.4）式中Q，A和mt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：11mpQqctt（1.5）公式中mq、pc、1t、1t，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mt是的传热的最初动力。一般情况下，实际平均温差mt的计算通常是对逆流情况下对数平均温差1mt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LMTDT可由公式（1.6）得出12121/LMTDttTntt（1.6）1hicottt2hocittt式中，hit为热流体进口温度，cot为冷流体出口温度，hot为热流体出口温度，cit为冷流体进口温度。式中，实际对数平均温差LMTDT计算如式（1.7）所示LMTDLMTDTT（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maxt与mint之比小于2时，可采用算术平均温差代替对数平均温差，即：12LMTDTtt（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eR计算如公式（1.9）所示：eeDuRv（1.9）式(3.9)中eD表示当量直径，u表示流体流速，v表示流体的运动粘度。努塞尔数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uN计算如式（1.10）所示Re1mnuNaP（1.10）式中1nP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：0.17Re1mnuwNaP（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取不同的值c在0.15至0.4之间取值，n在0.65至0.85中间取值。流体在板式热交换器换热时，其对流换热系数h与努塞尔数Nu的关系可以用式（1.12）所示：hNuDe（1.12）由式（1.9）,式（1.11）和式（1.12）可得流体对流传热系数如式（1.13）所示：0.171mnewDuchPDev（1.13）二.板式热交换器整体优化设计1.板式热交换器板片优化基本思路为了能够在整体上提高板式热交换器的综合性能，一方面提高单个板片的换热效率，对板式热交换器板片的波纹类型，板片的厚度材质等具体结构和板片波纹的波纹高度，波纹角，波纹节距等几何参数进行设计使板式热交换器的板片具有优良的换热能力和阻力性能。这是对板式热交换器进行优化的第一步也是基本的一步。如果不从板式热交换器的整体结构上对板片的布置进行优化的话，也不能达到热交换器在成本和运行费用等目标上的最优，为此需要对板式热交换器的整体性能进行优化，流程安排上使其在传热和压降之间权衡，得到最优的综合性能。在实际的生产应用当中，通过对板式热交换器的板片本身进行的优化设计有一些实际的意义，但是，即便是经过优化设计的板片使用在结构尚未优化的热交换器机组当中，其优势很难显示出来。2.板式热交换器设计计算换热流体在板式热交换器换热时，随着流速的增加，流动阻力也随之增加，但是此时热交换器的换热系数也增加。因为受板式热交换器的材质和结构的限制，致使在板式热交换器的运行时要考虑到压降的限制。为了能提高板式热交换器的换热性能，就需要充分地利用允许压降来设计板式热交换器。在有压降的约束下对板式热交换器进行设计时，一般会尽可能充分利用允许的压降，以便能得到较高的传热效率，从而减小换热面积。一般情况下板式热交换器的通道被两中流体平均分配。为此在流程相同的情况下，两侧的压降差距不大。在实际运行中，很少能能同时充分利用双边流道的最大允许压降。为了解决此问题，可以放宽条件，通过计算分析，挑选其中一侧流道，并充分利用此流道的压降，并标记为参考流道。如图2-1所示，假设流道1为参考流道，其传热系数1h得：31111bldPhfAA（2.1）流体2的传热系数如式（4.2）所示：1.222111.1bkuhhuk（2.2）流体2的最终传热系数得到如下：22hfA（2.3）那么传热面积A可由式（2.4）求得：121211ffLMTDcQARRTFhh（2.4）因为传热系数1h和2h都是换热面积A的函数，式（2.4）是一个与换热面积A的隐式方程，可以用迭代法求解。通过知道的热交换器面积A的值，所有的热交换器的其他参数就可以经过推导获得。根据以上公式，可以根据需要计算出，板式热交换器的总热面积，通道数目，流道安排，流速、换热系数。其中的一个流道的允许压降得到了充分的利用，另一个流道也压降也在设计的要求范围内。图2-1有压降约束的热交换器结构简图结束语板式热交换器如今在工业生产和生活中拥有越来越重要的地位，这取决于其出色的换热性能。它在工业节能减排中起到关键作用，因此从设计到运行的过程均需不断优化与设计，让它在满足工作需求的前提下，工作性能达到最优。由于设计时间，硬件条件的约束，本文中在设计还存在一些问题，它的可行性等，需经后人的进一步修正。参考文献[1]马学虎,林乐,兰忠等.低Re下板式热交换器性能的实验研究及热力学分析[J].热科学与技术,2013(11).[2]赵镇南.板式换热器人字波纹倾角对传热及阻力性能影响[J].热科学与技术,2010,(1).[3]徐志明,郭进生,郭军生.板式热交换器传热和阻力特性的实验研究[J].热科学与技术,2010(12).