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板翅式换热器的传热计算点击：2106 日期：[ 2014-04-26 21:14:34 ] |
| 板翅式换热器的传热计算 钱寅国,文顺清 (杭州杭氧股份有限公司设计院,浙江省杭州市东新路388号 310004) 摘要:介绍了板翅式换热器的结构形式,通过传热方程式推导出了翅片效率、表面效率以及流动阻力的计算公式,为板翅式换热器的计算提供依据。 关键词:板翅式换热器;传热计算;翅片效率 中图分类号:TB657·5 文献标识码:B 前 言 换热器是过程机械的典型产品,是工艺过程的关键设备,在化工生产中占有重要的地位。目前板翅式换热器作为一种高效、紧凑、轻巧的换热设备,已在石油化工、航空航天、电子、原子能、武器工业、冶金、动力工程和机械等领域得到广泛应用,并在利用热能、回收余热、节约原料、降低成本以及一些特殊用途上取得了显著的经济效益。其主要特点是:传热效率高、紧凑、轻巧、适应性强、制造工艺要求严格、制造研究开发费用高、结构复杂、工作压力和温度有一定的限制、易堵塞和被腐蚀、工质要求比较洁净、加工工艺复杂等特点。 近年来,板翅式换热器的设计理论、试验研究、制造工艺、开拓应用的研究方兴未艾,特别是一些新技术的渗透,使其应用范围更加广泛,进入了一个新的发展时期。 1·结 构 板翅式换热器的结构形式很多,但其结构单元体基本相同,都是由翅片、隔板、封条和导流片组成,它是在金属平板上放一翅片(即所谓二次传热面),然后再在其上放一金属平板,两边以边缘封条密封而组成一个基本单元,上、下的两块金属板称为隔板。换热器的芯体是由许多这样的基本单元组成。翅片是板翅式换热器最基本的元件,传热过程主要是通过翅片来完成,一部分直接由隔板来完成,翅片与隔板的连接均为完善的钎焊,因此大部分热量经翅片、通过隔板传给冷流体。由于翅片不像隔板直接把热量传给冷流体,翅片有“二次表面”之称。 到目前为止己出现以下几种翅片形式:平直翅片、多孔翅片、锯齿翅片、波纹翅片、钉状翅片、百叶窗式翅片、片条翅片。其中常用的有平直翅片、锯齿翅片、多孔翅片及波纹翅片。 2·传热设计计算 2·1 传热计算的基本方程 换热器的计算一般可以分为两种,一种是设计一个新的换热器,以确定换热器所需换热面积的设计计算;另一种是对已有的或已选定的换热器,在非设计工况下核算其能否胜任规定的换热任务的校核计算。前者的计算目的在于决定换热器的传热面积,但是同样大小的传热面积可以采用不同的构造尺寸;另外,结构尺寸也同时影响传热计算的过程,因此实际上这种计算也必定与结构计算交叉进行。校核性传热计算则是针对已选定的换热器,确定流体的出口温度并确定该换热器在非设计工况下的性能变化,判断其能否在非设计工况下完成任务。进行换热器的传热计算,最主要的是确定热负荷和流体的进/出口温度、传热面积、传热系数,同时确定这些量之间的关系。无论是设计计算还是校核计算,都需要采用两个相同的基本关系式,即传热方程和热平衡方程式[1],并且这两个方程式常常需要联立求解。 2·1·1 传热方程式 传热方程式的一般形式为： 式中:Q为热负荷, W;K为换热器任一微元传热面的传热系数, W/ (m2·K); dF为微元传热面积, m2;Δt为在微元面积传热面处的传热温差,℃。 公式(1)中的K和Δt都是F的函数,而且每种换热器的函数关系各有异同。 2·1·2 热平衡方程式 如果不考虑散热至周围环境的热量损失,则冷流体所吸收的热量应该等于热流体放出的热量。此时的热平衡方程式可以写为: 2·2 几何尺寸计算 板翅式换热器芯体基本单元的结构尺寸如图1所示。 图1中:h为翅片高度;δ为翅片厚度; s为翅片间距, s=x+δ; x为翅片内距, x=s-δ;Le为有效单元长度;B为有效单元宽度; y为翅片内高, y=h-δ。 (1)当量直径de: 式中: U为周边宽度, m。 (2)通道横截面积A: 对于每层单元,通道的横截面积 (3)传热面积F: n层通道的一次传热面积 2·3 传热设计计算 2·3·1 翅片效率和表面效率 2·3·1·1 翅片效率 板翅式换热器属于间壁式换热器,从传热机理来说,其主要特点是具有扩展的二次传热面,所以传热过程不仅在一次传热面而且同时在二次传热面进行[2]。取一个翅片间距的微小单元进行分析,其放大图如图2 (a)所示。通过一次传热面的热量以Q1表示,通过二次传热面的热量以Q2表示,隔板表面的温度为tw,流体温度为T,翅片高度为h,通过一次传热面的热量Q1可以用公式(3)表示: Q1=αF1(tw-T) (3) 式中:F1为一次传热面积, m2;α为壁面与流体间的传热系数, W/ (m2·K);tw为隔板表面温度, K;T为流体温度, K。 二次传热面的传热过程是沿着翅片的高度方向进行的,这时一方面通过热传导不断导入热量,另一个方面通过翅片表面和流体的对流传热把热量传给冷流体。由于沿气流方向的翅片长度大大超过翅片厚度,所以翅片的导热可以作为一维导热处理[3]。翅片表面温度分布曲线如图2 (b)所示,两端温度最高等于隔板表面温度tw,而随着翅片与流体的对流传热,温度不断降低,在翅片中部趋于流体温度T。假定翅片表面的平均温度为tm,则通过二次传热面的热量Q2以公式(4)表示: Q2=αF2(tm-T) (4) 由上述可知,翅片表面的平均温度tm低于翅片根部,也就是低于隔板表面温度tw。在传热计算上为了方便处理,可以把二次传热面的传热量作如下换算: Q2=αF2ηf(tw-T) (5) 式中:ηf为二次传热面的翅片效率。即把二次传热面的传热温差看作与一次传热面的传热温差相等,都等于tw-T,但是对于二次传热面相应地打一折扣,即乘上二次传热面的翅片效率ηf。其物理意义是二次表面的平均温度低于一次传热面温度,因此传热温差小于一次传热面的传热温差,当按照统一的温差(tw-T)计算时,二次传热面要乘上翅片效率ηf,所以翅片效率可以表示为: 翅片的定性尺寸是指二次表面热传导的最大距离[4]。通道中的传热具有对称性时,不同通道布置形式的定性尺寸的确定如图3所示。 2·3·1·2 表面效率 如上所述,板翅式换热器的传热过程是在一次传热面和二次传热面同时进行,所以其总的传热量等于一次传热面和二次传热面的传热量之和[5]。对于二股流换热器,当一个热通道和一个冷通道间隔排列时,可以表达为: Q=Q1+Q2 Q=αF1(tw-T)+αF2ηf(tw-T) (14) 一次传热面和二次传热面的换热系数可视为相等,而在引进二次传热面翅片效率的概念以后,两者的传热温差也就统一起来,所以对于板翅式换热器的总传热方程式,可以设想这样一个传热面F0=F1+F2和综合的表面效率η0,从而可以表达成如下形式: 2·3·2 流动阻力计算 板翅式换热器的流动阻力是指入口管的静压与出口管静压的差。通常出、入口管道的摩擦阻力及进、出口处转向阻力比芯体部分的阻力小,因此在计算时可以忽略。总的流动阻力为芯体进口处阻力ΔP1、芯体部分阻力ΔP2和芯体出口处阻力ΔP3的代数和[6,7],即: ΔP=ΔP1+ΔP2+ΔP3(19) 2·3·2·1 芯体进口处和出口处阻力ΔP1和ΔP3 在芯体进口和出口处,流体要发生收缩和扩大,进口(急剧收缩部)阻力ΔP1为: 2·3·2·2 流体在芯体内的流动阻力ΔP2 流体在芯体中的流动阻力主要是由换热面的形状阻力和摩擦阻力组成,但并不分开,可看作是作用于总摩擦面积上的等效剪切力。因此板翅式换热器的芯体可以简单地当作具有当量直径de的等效圆管来考虑,芯体内的流动阻力可以表示为: 2·3·2·3 换热器总的流动阻力ΔP 将公式(20)、(21)、(22)代入公式(19)可得换热器总的流动阻力ΔP: 3·总 结 文章主要介绍了板翅式换热器的传热计算,比较详细地推导了翅片效率、表面效率以及流动阻力的计算过程,为板翅式换热器的设计提供依据。 参考文献:略 |
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