宁夏理工学院毕业设计（论文）
第二章 板式换热器热力计算
2.1 传热过程
板式换热器中冷、热流体之间的换热一般都是通过流体的对流换热（或相变换热）、垢层及板片的导热来完成的，由于参与传热的流体通常都是液体而不是气体，故不存在辐射换热。
（1）对流换热
对流和导热都是传热的基本方式。对于工程上的传热过程，流体总是和固体壁面直接相接触的。因此，热量的传递一方面是依靠流体质点的不断运动的混合，即所谓的对流作用；另一方面依靠由于流体和壁面以及流体各处存在温差面造成的导热作用。这种对流和导热同时存在的过程，称为对流换热。
由于引起流体流动的原因不同而使对流换热的情况有很大的差异，所以将对流换热分为两大类。一类是自然对流（或称自由流动）换热，即因流体各部分温度不同引起的密度差异所产生的流动换热，如：空气沿散热器表面的自然对流换热；另一类是强制对流（或称为强迫流动）换热，即流体在泵或风机等外力作用下流动时的换热，如：热水在泵的驱动下，在管内流动时的换热。一般情况下，强制流动时，流体的流速高于自由流动时，所以强制流动的对流换热系数高。如：空气的自由流动换热系数约为5~25W/（m2.℃），而它的强制流动传热系数为10~100W（m2.℃）。
影响对流换热的因素很多，如流体的物性（比热容、导热系数、密度、粘度等），换热器表面形状、大小，流体的流动方式，都会影响对流换热，而且情况很复杂。在传热计算上为了方便，建立了以下的对流换热量的计算公式（牛顿冷却公式）：
Q=α（tw-tf）A或q=α（tw-tf） （式2.1） 有该公式可见，影响对流换热的因素都被归结到对流换热系数中，对流换热系数数值上的大小反映了对流换热的强弱。
（2）相变换热
在对流换热中发生着蒸汽的凝结或液体的沸腾（或蒸发）的换热过程，统称为相变换热。由于在这类换热过程中，同时发生着物态的变化，情况要比单相流体中的对流换热复杂得多，所以，相变换热问题成为一个独立的研究领域，而一般的对流换热问题也就仅指单相流体而言。
凝结换热：
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蒸汽和低于相应压力下饱和温度的壁面相接触，在壁面上就会发生凝结。蒸汽释放出汽化潜热而凝结成液体，这种放热现象称为凝结换热。
按照蒸汽在壁面上的凝结形式不同，可分为两种凝结。一种为膜状凝结，即凝结液能很好地润湿壁面，凝结液以颗粒状液珠的形式附着在壁面上，如水蒸汽在有油的壁面上凝结情况。膜状凝结时所释放出来的潜热必须通过凝结膜才能供给较低温度的壁面，显然，这层液膜成为一项热阻。而珠状凝结时，换热是在蒸汽与液珠表面和蒸汽与裸露的冷壁间进行的，所以膜状凝结传热系数要比珠状凝结传热系数低，如：水蒸汽在大气压下，膜状凝结传热系数约为6000~104/(m2.℃)，而珠状凝结时则为4*(104~106)W/(m2.℃)。但是在工业过程中，一般都是膜状凝结，除非对壁面进行预处理或在蒸汽中加入促进剂。
对于单一介质，在层流膜状凝结情况下，不考虑液膜内流体的对流，则液膜层中的温度η和速度ω分布如图2.1所示：
图2.1 层流凝结液膜中的速度和温度分布
蒸汽流速对凝结换热的影响很大，当蒸汽以一定的速度运动时，蒸汽和液膜间会产生一定的力的作用。若蒸汽和液膜的流动方向相同，这种力的作用将使凝结液膜减薄，并促使液膜产生一定的波动，故使凝结传热增强。当蒸汽和液膜流向相反时，力的作用会阻碍液膜流动，使液膜增厚，导致传热恶化。但是，当这种力的作用超过重力时，液膜会被蒸汽带动面脱离壁面，反而使传热系数急剧增大。在板式换热器中，由于流道狭窄，蒸汽的流动方向宜于自上而下，并且应单程布置，以便减小压峰和有利于凝液的排除。由于冷却介质与蒸汽在板式换热器的通道中是平行地流动，两者相对的流动方向不同影响到凝结过程的不同。逆流时因通道的下部温差大，所以蒸汽凝结大部分发生在通道下部，而顺流时则相反。见图2.2所示：
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图2.2 顺、逆流时流体沿程的温度变化
所以，逆流时蒸汽的压降要比顺流时大，相应的饱和温度下降较多，从而影响到冷凝换热效果。因此，在满足热负荷的条件下，应该首先考虑选择使用顺流布置。
蒸汽的压力对凝结换热也有一定的影响，天津大学的研究表明，在同养殖量的流速下，压力的提高使密度增大。从而使凝结换热得到改善，并降低压降。
蒸汽中不凝性气体的存在，即使含量很小，传热系数也将大大降低。例如：水蒸汽中不凝性气体容积的含量仅为0.5%时，传热系数就下降50%。在板式换热器的运行系统中，应考虑到不凝性气体的排除。
沸腾换热：
液体在受热情况下产生的沸腾或蒸发吸热过程，称为沸腾换热，这是一种流体由液相转变为气相的换热过程。
液体在受热表面上的沸腾可分为大空间沸腾（池沸腾）和有限空间沸腾（强迫对流沸腾）。不论哪种沸腾，又都有过冷沸腾和饱和沸腾之分。过冷沸腾是在液体主流温度低于相应压力下的饱和温度而加热壁面温度已超过饱和温度的条件下所发生的沸腾现象。饱和沸腾则是液体的主流温度超过了饱和温度，从加热壁面产生的气泡不再被液体重新凝结的沸腾。
饱和沸腾时，壁温与液体饱和温度之差（q=tw-ts）称为沸腾温差，设沸腾传热系数为αb，则有：
q=α b(tw-ts) （式2.2） 在板式换热器内所发生的飞腾过程属于有限空间沸腾，流体是在外力驱动下的流动过程中因受热而发生的沸腾，故也称为强迫对流沸腾，它的沸腾点与流体在垂直管内流动时的沸腾状况基本相同，见图2.3。开始时是过冷沸腾，随着温度的提高，产生愈来愈多的气泡，于是相继产生泡状、块状、气塞状、环状以至雾状的流动沸腾。在蒸汽中的液滴蒸
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发完后，流体的加热就属于单相流的强制换热了，蒸汽得到过热。
图2.3 垂直管内沸腾时流型图
（3）导热
在板式换热器中，板片及垢层的传热均属于导热。由于板片及垢层的厚度和板面尺寸相比很小，所以导热过程可认为是沿厚度方向的一维导热，其计算公式为：
（式2.3）
（式2.4）
（式2.5）
式中 、、—分别为板材、一侧垢层及另一侧垢层的热导率(W/m.℃)；
、、—分别为板材、一侧垢层及另一侧垢层的厚度(m)。
如果板片表面有非金属涂层，则还应考虑通过涂层的导热，其计算式为：
（式2.6）
式中
—涂层热导率(W/m.℃)； —涂层表面温度(℃)；
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—涂层与板壁面接触处温度(℃)； —涂层厚度(m)。
2.2 热力计算
热力计算的目的在于使所设计的换热器在服从传热方程式的基础撒谎能够满足热负荷所应具有的换热面积、传热系数、总传热系数、平均温差等综合方面的计算。 2.2.1 确定总传热系数的途径
在设计计算板式换热器时，总传热系数的确定可通过两条途径： （1）选用经验公式
有设计者根据经验或从有关参考书籍、有关性能测定的实验报告中，选用与工艺条件相仿、设备类型类似的换热器的总传热系数值作为设计依据。
表2-1列出了一般情况下板式换热器的总传热系数值。
表2-1 板式换热器的经验总传热系数K值
物料 K(W/m.℃) 2水—水 2800~4650 水蒸气—油 870~930 冷水—油 400~580 油—油 175~350 气—水 28~58 （2）计算确定
在设计计算中，常常需要知道比较准确的总传热系数值，这可以通过总传热系数的计算确定。但由于计算传热系数的公式有一定误差及污垢热阻也不容易准确估计等原因，计算得到的总传热系数值与实际情况也会有出入。
2.2.2 总传热系数的计算
（1）由热阻关系求解
在板式换热器中，热量从高温物体传向低温物体的过程中，通常存在着五项热阻：板片热侧流体传热热阻1/α1，污垢层热阻Rs1，板片热阻δ/λ，板片冷侧流体传热热阻1/α2，污垢层热阻Rs2。它们之和即为总热阻，总热阻的倒数也就是总传热系数，故其计算式为：
（式2.7）
为了解决腐蚀问题，有的换热器的板片表层涂有防腐蚀涂层，因而存在涂层热阻Rco1、Rco2，总传热系数的计算式则为：
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