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。
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:
()
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:
()
、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: ()
由式(1-3)可求得总传热系数: ()
式中,和分别表示热负载、板片的有效换热面积和平均温差。
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 求得:
()
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。
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()得出
()
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()所示
()
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,
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