CN102305560A - 一种板式换热器的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种板式换热器的设计方法，首先确定单个基本换热单元两侧边的长度，得到最优化的单个基本换热单元，再确定由多个基本换热单元并联构成一级换热单元满足设计要求的总流量，最后确定由多个一级换热单元串联满足设计要求的总温升、温降，得到最优化的换热器结构。本发明可得到最优化的板式换热器结构，提高了换热器的效率，且无需反复设计调整，节约了成本。

Description

一种板式换热器的设计方法
技术领域
本发明涉及一种板式换热器，具体设计一种板式换热器的设计方法。
背景技术
板式换热器是一种常见的换热器，已经在制冷空调、化工、动力等领域等到了广泛应用。与常规的管壳式换热器相比，在相同的流动阻力和泵功率消耗情况下，板式换热器的传热系数要高出很多，在适用的范围内有取代管壳式换热器的趋势。现有的板式换热器一般是由一组几何结构相同的平行薄板叠加而成，两组相邻平板之间用特殊设计的密封垫片隔开，形成一个个通道，冷热流体间隔的在每个通道中流通，完成冷热交换。
现有的板式换热器的设计方法十分成熟，有规范化的步骤可遵循，按照设计原理分为对数平均温差法和效能-传热单元数两种方法，一般是按照理论或实验确定的换热关系联式进行设计，根据两侧流体的表面换热系数确定换热面积，因为已有的换热关系联式是对确定几何尺寸和结构来获得的，所以得到的结构尺寸不一定是最优的，需要不断调整，才能获得最终设计结构。
也有人依据自然界现象提出了自然组织“构形理论”(Constructal law)，构形理论是一种最优设计方法，它从系统的基本单元结构开始优化，之后再将这些经过优化的最小单元结构通过优化逐级组合起来，一直到满足设计要求。在换热器应用方面，文献Dendritic constructal heat exchanger with small-scale crossflows and larger-scales counterflows(局部叉流整体逆流的枝状构形换热器)(International Journal of Heat and Mass Transfer，2002,45，P460-4620)提出了概念化的两股流换热器，设计的树枝形换热器具有多尺度内部流体通道结构，对换热器基本单元结构进行优化，同时通过调整基本单元之间的空隙和流体通道的几何尺寸，以降低换热器内流体的流动耗能。然而上述构形理论设计思想提出的仅仅是概念化设计，具体设计方法并没有给出，无法应用于实际工程，存在较大的局限性。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种板式换热器的设计方法，使用该方法，可得到最优化的换热器结构，提高了换热器的效率，且无需反复设计调整，节约了成本。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种板式换热器的设计方法： ⑴首先确定单个基本换热单元的两个侧边的长度L1及L2，其步骤为：①由定性温度可以得到物性参数普朗特数即Pr1；②选定雷诺数Re1和板间距D1，由雷诺数定义确定基本换热单元一侧流体板间的流速U1；③根据热进口段的属性选择热进口处的无量纲距离x1；④确定相应进口距离热进口段的平均努赛尔数Nu1；⑤热进口段满足                                                
Figure 2011102134030100002DEST_PATH_IMAGE001
，得到基本换热单元一侧流体板的长度L1；⑥重复上述步骤得到基本换热单元另一侧流体相应进口距离热进口段的平均努赛尔数Nu2和板的长度L2；
⑵基本换热单元每层流体流量为、
Figure 2011102134030100002DEST_PATH_IMAGE003
，满足设计需求的总流量M1、M2需由N个基本换热单元并联构成一级换热单元，确定方法为：
Figure 920401DEST_PATH_IMAGE004
或；
⑶确定一级换热单元的流体温度升高、下降值，即△t1单级、△t2单级，通过以下关系式求得：
Figure 330696DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 2011102134030100002DEST_PATH_IMAGE007
，
其中
Figure 400152DEST_PATH_IMAGE008
分别为流体的密度、比热、黏度及导热系数，△Tm为冷、热流体的对数平均温差； 
⑷设计工艺需求的总温升、总温降为△T1、△T2，满足△T1、△T2需由多个上述一级换热单元串联构成，级数=△T1/△t1单级=△T2/△t2单级。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1．本发明通过首先确定单个基本换热单元两侧边的长度，得到最优化的单个基本换热单元，再确定由多个基本换热单元并联构成一级换热单元满足设计要求的总流量，最后确定由多个一级换热单元串联满足设计要求的总温升、温降，从而得到最优化的换热器结构，提高了换热器的效率，且无需反复设计调整，节约了成本。
附图说明
图1为本发明实施例一中基本换热单元的结构示意图；
图2为本发明实施例一中一级换热单元的结构示意图；
图3为本发明实施例一中多个一级换热单元串联后结构示意图；
图4为本发明实施例一中各级温度确定示意图；
图5为本发明实施例一中各级换热器进出口的温度分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：参见图1至5所示，一种板式换热器的设计方法：
⑴首先确定单个基本换热单元的两个侧边的长度L1及L2，其步骤为：
①    由定性温度可以得到物性参数普朗特数即Pr1；
②选定雷诺数Re1和板间距D1，由雷诺数定义确定基本换热单元一侧流体板间的流速U1；
③根据热进口段的属性选择热进口处的无量纲距离x1；
④确定相应进口距离热进口段的平均努赛尔数Nu1；
⑤热进口段满足
Figure 814953DEST_PATH_IMAGE001
，得到基本换热单元一侧流体板的长度L1；
⑥重复上述步骤得到基本换热单元另一侧流体相应进口距离热进口段的平均努赛尔数Nu2和板的长度L2；
⑵基本换热单元每层流体流量为
Figure 632867DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 382386DEST_PATH_IMAGE003
，满足设计需求的总流量M1、M2需由N个基本换热单元并联构成一级换热单元，确定方法为：
Figure 865320DEST_PATH_IMAGE004
或
Figure 213256DEST_PATH_IMAGE005
；
⑶确定一级换热单元的流体温度升高、下降值，即△t1单级、△t2单级，通过以下关系式求得：
Figure 638290DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 438887DEST_PATH_IMAGE007
，
其中
Figure 725512DEST_PATH_IMAGE008
分别为流体的密度、比热、黏度及导热系数，△Tm为冷、热流体的对数平均温差； 
⑷设计工艺需求的总温升、总温降为△T1、△T2，满足△T1、△T2需由多个上述一级换热单元串联构成，级数=△T1/△t1单级=△T2/△t2单级。
流体均为气体，设计气气换热，工艺要求冷流体进口温度-15℃，工艺需要排出的冷热流体量均是60立方米/小时，根据气体定性温度确定物性参数，即：密度、比热、导热系数、黏度和普朗特数分别为
Figure 2011102134030100002DEST_PATH_IMAGE009
Figure 973959DEST_PATH_IMAGE010
Figure 2011102134030100002DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 694528DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 2011102134030100002DEST_PATH_IMAGE013
。
当冷热流体流量相同，板间距相同，即D1=D2,通过设计方法，初步选取的数据，如表1所示，表1中取不同板长的基本数据
进口段物量纲长度x 0.02 0.01 0.005
努赛尔数
Figure 356323DEST_PATH_IMAGE014
 8.7138 9.875 11.66
普朗特数 0.707 0.707 0.707
雷诺数
Figure 571272DEST_PATH_IMAGE016
 1800 1800 1800
并联个数
Figure 2011102134030100002DEST_PATH_IMAGE017
 7 13 27
板间距 0.004 0.004 0.004
板长度
Figure 2011102134030100002DEST_PATH_IMAGE019
 0.204 0.102 0.0509
流速
Figure 254112DEST_PATH_IMAGE020
 3.15 3.15 3.15
单元结构通流量 0.003079 0.001539 0.00077
设计要求的流量
Figure 340886DEST_PATH_IMAGE022
 0.021551 0.020011 0.020781
表中
Figure 2011102134030100002DEST_PATH_IMAGE023
是基本换热单元内的质量流量，是工艺要求的质量流量，在此对应的是空气体积流量60立方米/小时。选取不同的进口段x，对应不同的换热器尺寸。
以x取0.01为例，可得到
Figure 2011102134030100002DEST_PATH_IMAGE025
，为了求出空气的温度上升（下降）值，需要求出对数平均温差。
对数平均温差
Figure 333298DEST_PATH_IMAGE026
的确定，参照如图4所示：20℃热空气经过一级后温度变成20-△T，经过n级串联后，热空气最终出口温度是20-n△T,-15℃冷气经过n级后最终出口温度是-15+n△T，这时，与几乎相等。
当与
Figure 704161DEST_PATH_IMAGE030
相近时，由对数平均温差公式：
Figure 2011102134030100002DEST_PATH_IMAGE031
           当确定换热级数n时，也就是将图中的面积近似等分为n等分，每级换热器的进出口温差近似相等。
由以上公式得，得到=0.194，所以
Figure 276142DEST_PATH_IMAGE034
，得到
Figure 2011102134030100002DEST_PATH_IMAGE035
，冷空气的最终出口温度为5.4℃，热空气的出口温度为-0.44℃，根据板式换热器的级数n，可以确定每一级冷热空气的温降，并得到最终冷热空气的出口温度，反过来，根据冷空气的出口温度的要求，也可以确定级数n。

Claims (1)

1.一种板式换热器的设计方法，其特征在于：
⑴首先确定单个基本换热单元的两个侧边的长度L1及L2，其步骤为：
①    由定性温度可以得到物性参数普朗特数即Pr1；
②选定雷诺数Re1和板间距D1，由雷诺数定义确定基本换热单元一侧流体板间的流速U1；
③根据热进口段的属性选择热进口处的无量纲距离x1；
④确定相应进口距离热进口段的平均努赛尔数Nu1；
⑤热进口段满足                                                
Figure 2011102134030100001DEST_PATH_IMAGE001
，得到基本换热单元一侧流体板的长度L1；
⑥重复上述步骤得到基本换热单元另一侧流体相应进口距离热进口段的平均努赛尔数Nu2和板的长度L2；
⑵基本换热单元每层流体流量为
Figure 801474DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 2011102134030100001DEST_PATH_IMAGE003
，满足设计需求的总流量M1、M2需由N个基本换热单元并联构成一级换热单元，确定方法为：
Figure 981789DEST_PATH_IMAGE004
或
Figure 2011102134030100001DEST_PATH_IMAGE005
；
⑶确定一级换热单元的流体温度升高、下降值，即△t1单级、△t2单级，通过以下关系式求得：
Figure 172336DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 2011102134030100001DEST_PATH_IMAGE007
，
其中分别为流体的密度、比热、黏度及导热系数，△Tm为冷、热流体的对数平均温差；
⑷设计工艺需求的总温升、总温降为△T1、△T2，满足△T1、△T2需由多个上述一级换热单元串联构成，级数=△T1/△t1单级=△T2/△t2单级。
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