板式换热器允许压降内最优板片数的快速计算

板式换热器允许压降内最优板片数的快速计算

马学勇 马力群 王保卫 张涛 刘千诚

兰州兰石换热设备有限责任公司 730314

摘要：在工业生产过程和生活采暖中，板式换热器的高效率换热、占地小、价格较低等特点收到了广大生产企业的青睐。本文的特点是是在满足NB/T 47004.1-2017《板式热交换器》标准要求的前提下，介绍一种快速根据压降要求计算板片数的计算方法，从而达到快速确定板片数的目的。

根据板式换热器工程设计手册的设计计算中，主要对满足板式换热器需求压降的计算，其设计计算过程比较复杂，且计算量较大。本文通过对设计要求和计算过程的推导，得出一种快速便捷的计算方法。

1. 公式推演

（1）初选板式换热器的型号

首先确定角孔大小,根据公式D=18.8 (1)

其中v=5m/s

qv——体积流量较大一侧，m³/h；

D——角孔直径，mm；

根据选择角孔直径接近此数值的换热器型号（BR-X）

根据已选定的型号BR-X，可知其单板换热面积为a

（2）根据已有公式：(2)

A——换热器所需换热总面积，㎡；

Q——换热器总热负荷，KW；

K——换热器传热系数，W/m²•K；

ΔTm——对数平均温差，℃；

其中，K值为假定值，一般取值在3000~7000W/m²•K；

所需板片总数： ， (3)

其中 ； (4)

（3）计算流道数，Nc=Np-1；

确定流程组合，一般换热器使用工况全为简单流程，流道数为奇数时，取冷侧比热侧多一个流道，流程组合一般表示为： ， (5)

n_h、n_c分别表示热、冷侧流道数；

（4）计算两侧板间流速ωh，ωc

ωh= ，m/s，式中f表示单流道横截面积（㎡）；(6)

ωc= ，m/s； (7)

（5）计算两侧雷诺数Re_h ，Re_c：

Re_h= (8)

Re_c=(9)

Re_h、Re_c——热侧、冷侧雷诺数；

h、 c——热侧、冷侧流体密度，kg/m³；

_h、_c——热侧、冷侧流体粘度Pa·s；

（6）计算两侧欧拉数Eu_h、Eu_c：

Eu_h=C₁Re_h^m1 (10)

Eu_c=C₂Re_c^m2 (11)

C₁、C₂——欧拉方程常数项，此项为实验数据；

m₁、m₂——欧拉方程指数项，此项为实验数据；

（7）计算两侧压降ΔP_h、ΔP_C:

ΔP_h=Eu_hω_h²ρ_h (12)

ΔP_c=Eu_cω_c²ρ_c (13)

将公式（6）（8）（10）带入公式（12）中，

可得 (14)

公式演化可得：

(15)

其中；

ΔP——允许最大压降，KPa；

2. 设计计算

利用（15）式即可求出在最大允许压降下的板片数，下面举例说明。

总热负荷:Q=(140/3600)×(70-50)×982.8×4.1875=3201.13KW

海水体积流量为：

qv_c=Q/(ρ_c×Cp_c×Δt_c)=3201.13×3600/（1015.3×4.0657×25）=111.67m³/h

接管管径D=18.8 =18.8× ≈99.48

故选用P-150人字波纹板型，其主要几何参数如下：

单板换热面积：0.52㎡

单通道横截面积：0.0015㎡

当量直径：6 mm

板片厚度：0.001m

管口直径：150mm

对流传热关联式：Nu_f=0.25Re^0.65Pr_f^0.3

压降关联式：Eu=850Re^-0.22

根据软化水的最大允许压降求板片：

≈39.27≈40(向上取整)

验证流速：_h=140/（40×3600×0.0015）≈0.6481m/s

_c=111.66/（40×3600×0.0015）≈0.5169m/s

带入（8）—（14）式中可得：

Re_h=8157.34 Re_c=4026.15 Eu_h=117.19 Eu_c=136.88 Nu_h=135.92 Nu_c=107.24

可得热侧压降：ΔP_h=Eu_hω_h²ρ_h =48.38KPa＜50KPa；

冷侧压降: ΔP_c=Eu_cω_c²ρ_c =37.13KPa＜50KPa;

设计面积富余量为33.94%；（由于篇幅有限，计算做过读者可自行验证）

两侧压降均满足最大允许压降。计算结果与实际结果几乎一致。

3. 特殊结构计算方式和不适用性

结构计算方式：本计算方式可应用在特殊结构中，如串联、多流程等特殊的板式换热器中，在计算过程中，仅需将最大允许压降作出调整。例如：3台板式换热器进行串联设计，最大允许压降为60KPa，则带入计算公式中的ΔP=60KPa/3=20KPa，多流程同串联相同。

不适用性：本计算方法仅适用于板式换热器的单一版型，不可用于多种不同板型混合计算。

4. 结论

板式换热器的设计计算中，如何快速准确的确定出板片数是整个设计计算中最重要环节。本方法可以帮助设计人员在最段的时间内、重复计算次数最少的情况下，核算出最佳板片方案。本方法以运用在实际的工作中，且得到良好的设计反馈。