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
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 ,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;
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:
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;
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;
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:
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。
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 | 8.7138 | 9.875 | 11.66 |
普朗特数 | 0.707 | 0.707 | 0.707 |
雷诺数 | 1800 | 1800 | 1800 |
并联个数 | 7 | 13 | 27 |
板间距 | 0.004 | 0.004 | 0.004 |
板长度 | 0.204 | 0.102 | 0.0509 |
流速 | 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 | 0.021551 | 0.020011 | 0.020781 |
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;
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;
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:
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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