【正文】 換熱器的優(yōu)化選型 W. Lub 和 . Tassoub 英國 米德爾塞克斯 ， 布魯內(nèi)爾大學(xué) 機械設(shè)計工程部 【 摘要 】 板式換熱器的優(yōu)化選型是根據(jù)換熱器的用途和工藝過程中的參數(shù)和NTU＝ KA／ MC＝ △ t／ △ tm，即傳熱單元數(shù) NTU 和溫差比（對數(shù)平均溫差 — 換熱的動力）選擇板片形狀、板式換熱器的類型和結(jié)構(gòu)。 【 關(guān)鍵詞 】 平均溫差 NTU 板式蒸發(fā)器 冷凝器 1 平均溫差 △ tm 從公式 Q＝ K△ tmA， △ tm＝ 1／ A∫ A（ t1－ t2） dA 中可知，平均溫差 △ tm 是傳熱的驅(qū)動力，對于各種流動形式，如能求出平均溫差， 即板面兩側(cè)流體間溫差對面積的平均值，就能出換熱器的傳熱量。平均溫差是一個較為直觀的概念，也是評價板式換熱器性能的一項重要指標。 對數(shù)平均溫差的計算 當(dāng)換熱器傳熱量為 dQ，溫度上升為 dt 時，則 C＝ dQ／ dt，將 C 定義為熱容量，它表示單位時間通過單位面積交換的熱量，即 dQ＝ K（ th－ tc） dA＝ K△ tdA，兩種流體產(chǎn)生的溫度變化分別為 dth＝－ dQ／ Ch， dtc＝－ dQ／ Cc， d△ t＝ d（ th－ tc）＝ dQ（ 1／ Cc－ 1／ Ch） ,則 dA＝ [1／ k（ 1／ Cc－ 1／ Ch） ]（ d△ t／ △ t），當(dāng)從 A＝0 積分至 A＝ A0時， A0＝ [1／ k（ 1／ Cc－ 1／ Ch） ]㏑ [（ tho－ tci）／（ thi－ tco） ]，由于兩種流體間交換的熱量相等，即 Q＝ Ch（ thi－ tho）＝ Cc（ tco－ tci），經(jīng)簡化后可知， Q＝ KA0｛ [（ tho－ tci）－（ thi－ tco） ]／㏑ [（ tho－ tci）／（ thi－ tco） ]｝，若 △t1＝ thi－ tco， △ t2＝ tho－ tci，則 Q＝ KA0[（ △ t1－ △ t2）／㏑（ △ t1／ △ t2） ]＝ KA0△tm，式中的 △ tm＝（ △ t1－ △ t2）／㏑（ △ t1／ △ t2）。 順流 △ tm＝ [（ thi－ tci）－（ tho－ tco） ] ／㏑ [（ thi－ tci）／（ tho－ tci） ] 逆流 △ tm＝ [（ thi－ tco）－（ tho－ tci） ] ／㏑ [（ thi－ tco）／（ tho－ tci） ] 對于各種流動型式，在相同的進口、出口溫度條件下，逆流的平均溫差最大。 當(dāng)板式換熱器入口和出口兩流體的溫差 △ t1 和 △ t2 之間的差不大時，可采用算術(shù)平均溫差（ △ t1＋ △ t2）／ 2，一般 △ t1／ △ t2小于 時，可采用，若 △ t／△ t2為 3 時，則誤差約為 10%。 傳熱單元數(shù)法 在傳熱單元數(shù)法中引入一個無 量綱參數(shù) NTU，稱為傳熱單元數(shù)，它表示板式換熱器的總熱導(dǎo)（即換熱器傳熱熱阻的倒數(shù)）與流體熱容量的比值 NTU＝ KA／ MC，它表示相對于流體熱容流量，該換熱器傳熱能力的大小，即換熱器的無量綱“傳熱能力”。對于板式換熱器來說， KA／ MC＝ △ t／ △ tm，式中 △ t／ △ tm 稱為溫差比，上式中的右邊的工藝過程用 NTUp 表示，左邊的換熱設(shè)備的條件用 NTUE表示。 NTUp 是流體溫度的變化與平均溫差的比值，表示的是用 1℃△ tm 的變化引起幾度流體溫度變化的值，當(dāng) △ tm 大時， NTUp 則小；當(dāng) △ tm 小時，它有變大的傾向。相反，在 NTUp變大的過程中， △ tm 的溫度變化較大， NTUp 較小時，其 △ tm 的溫度變化較小（見表 1）。 表 1 △ tm， NTUp 的關(guān)系 △ tm 大 △ tm 小 NTUp 小 NTUp 大 NTUp 大 NTUp 小 △ tm 的溫度變化大 △ tm 的溫度變化小 板式換熱器的優(yōu)化設(shè)計計算，就是在已知溫差比 NTUE的條件下，合理地確定其型號、流程和傳熱面積，使 NTUp 等于 NTUE。 換熱過程和 NTU 與供熱空調(diào)相關(guān)的換熱過程如下如示： ⑴ 用蒸汽加熱水 ⑵ 水 — 水換熱 a. 蒸汽 133→ 133℃ c. 一次水 65→ 60℃ 水 5→ 65℃ （生活熱水） 二次水 45← 40℃ （采暖） b. 蒸汽 133→ 133℃ d. 一次水 14→ 9℃ 水 55→ 65℃ （采暖） 二次水 13← 7℃ （制冷） e. 一次水 29→ 24℃ 二次水 26← 21℃ （制冷機的冷卻） 以上 5 例工藝過程的 NTUp（見表 2） 表 2 供熱空調(diào)工藝過程的 NTUp 過程 △ tm NTUp a 133→ 133℃ 5→ 65℃ （ 65－ 5）／ ＝ b 133→ 133℃ 55→ 65℃ （ 65－ 55）／ ＝ c 65→ 60℃ 45← 40℃ （ 45－ 40）／ 20＝ d 14→ 9℃ 13← 7℃ （ 13－ 7）／ ＝ e 29→ 24℃ 26← 21℃ （ 26－ 21）／ 3＝ 板式換熱器和 NTUE NTUE表示板式換熱器的能力，換熱器的面積是具有一 定傳熱長度的單位傳熱體的組合，總傳熱長度是單位長度和流程數(shù)的乘積。當(dāng) NTUE是總數(shù)時，若每 1 流程數(shù)為 NTUe時，則 NTUE＝ n NTUe（其中 n 是流程數(shù)）。 當(dāng) NTUe＝ NTUE＝ NTUp 時，換熱器為單程。若 NTUe﹤ NTUp 時，則換熱器應(yīng)為多流程，故設(shè)計時應(yīng)先預(yù)定 n。由于每種板片單程的 NTUe值基本上是定值，如適合表 2中 e 的流量為 25m3／ h 的單程板式換熱器的 NTUe為 17 ㎡。從 NTUe＝ A K／ MC 可知，當(dāng) NTUe為定值時， A K 成反比，仍以 e 為例，當(dāng) K＝ 500kcal／㎡ h ℃ 時， A＝ 25000／ 500＝ ㎡，流程數(shù) n＝ ／ 17≈ 5。當(dāng) K＝ 2500kcal／㎡ h ℃時， A＝ ㎡，流程數(shù) n＝ 1。每一流程的 NTUe如下所示： K＝ 500， NTUe＝ NTUE／ n＝ ， K＝ 2500 時， NTUe＝ 。由此可知，根據(jù) NTUe即可求出換熱器的流程數(shù)，傳熱系數(shù)和傳熱面積。從以上可知，若板式換熱器設(shè)計不合理，可能使換熱面積過大，也可能使板間流速太高，阻力過大。 板式換熱器制造技術(shù)的進步，板片種類的增加，提高了板式換熱器對各種工藝過程的適應(yīng)性。 ⑴ 大 NTU（ ∽ 8） ，小 △ tm（ ∽ 1～ 2）的板式換熱器滿足了區(qū)域供冷和熱泵機組蒸發(fā)器、冷凝器的要求。從以上分析可知， △ tm 是換熱的驅(qū)動力，若 △ tm 小，即意味著驅(qū)動力小，要實現(xiàn)兩種流體之間的換熱，必須增大傳熱系數(shù)，增大傳熱面積，為了使傳熱面積不至過大，唯一的是增大傳熱系數(shù) K。 ①