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 來源：考試大
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(biāo)。
1.1 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）] 來源：考試大
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。
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1.5時，可采用，若△t／△t2為3時，則誤差約為10%。
1.2 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??；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
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。
1.3 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 ?、?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△tmNTUp
a133→133℃
5→65℃94.86（65－5）／94.86＝0.632
b133→133℃
55→65℃72.88（65－55）／72.88＝0.13
c65→60℃
45←40℃20.00（45－40）／20＝0.25
d14→9℃
13←7℃1.44（13－7）／1.44＝4.17
e29→24℃
26←21℃3.00（26－21）／3＝1.67
1.4 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＝1.67×25000／500＝83.5㎡，流程數(shù)n＝83.5／17≈5。當(dāng)K＝2500kcal／㎡·h·℃時，A＝16.7㎡，流程數(shù)n＝1。每一流程的NTUe如下所示：K＝500，NTUe＝NTUE／n＝0.33，K＝2500時，NTUe＝1.67。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。
1.5 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，的是增大傳熱系數(shù)K。
① 淺密波紋板片是北京市京海換熱設(shè)備制造有限責(zé)任公司開發(fā)的新型板片，它的傳熱系數(shù)約為7000W／㎡·K，是水平平直波紋板的2倍，是人字形波紋板的1.5倍，在區(qū)域供冷中時，檢測的△tm約為1.2。在作為冰蓄冷的乙二醇和冷凍水的換熱器使用中，△tm約為1.5。
② 板式蒸發(fā)器、板式冷凝器也是北京市京海換熱設(shè)備制造有限責(zé)任公司開發(fā)的適應(yīng)于熱泵機組的新型換熱器。與管殼式蒸發(fā)器、冷凝器相比，它具有如下優(yōu)點：單位體積內(nèi)板式蒸發(fā)器、板式冷凝器的傳熱面積約是管殼式換熱器的3倍；板式蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)約為1000～1200 W／㎡·K，板式冷凝器的傳熱系數(shù)約為1500～2000 W／㎡·K均為管殼式換熱器的2～3倍；在板式蒸發(fā)器上采用了使制冷劑液體分布均勻的分配器裝置，當(dāng)蒸發(fā)器板片數(shù)較多時，可能會出現(xiàn)制冷劑液體分配不均的，不能充分利用所有蒸發(fā)傳熱面積，使蒸發(fā)溫度低于設(shè)計計算溫度。采用分配器后即能克服上述問題。有關(guān)單位檢測數(shù)據(jù)說明，板式蒸發(fā)器、板式冷凝器的傳熱系數(shù)在△tm約為2.5～3℃時，在1500～2000 W／㎡·K之間，且阻力小，滿足了熱泵機組的要求。
⑵ 小NTU（∽0.3～2），大△tm（∽40～90℃）的板式換熱器滿足了熱回收工藝和工藝加熱、冷卻的要求。當(dāng)工藝過程在大△tm的條件下進行換熱時，說明驅(qū)動力大，所需的傳熱面積較小，對傳熱系數(shù)要求也不高，但，這種工藝過程或者工作壓力高，或者工作溫度高，或者工藝加熱、冷卻過程的液體中含有纖維或直徑較大的顆粒，對板式換熱器的承壓、耐溫能力提出了要求，對換熱器的板間距提出了要求。
① 排（煙）氣—水板殼式換熱器（省能器），排（煙）氣—空氣板殼式換熱器（空氣預(yù)熱器）是北京市京海換熱設(shè)備制造有限責(zé)任公司和蘭石化共同開發(fā)出來的新型板式換熱器，全焊接板式換熱器中介質(zhì)的換熱是通過板管束來實現(xiàn)的，組成板管束的板片由專用模具壓制成型，全焊接式板束裝在壓力殼內(nèi)。波紋板片具有靜攪拌作用，能在很低的雷諾數(shù)下形成湍流，且污垢系數(shù)低，傳熱系數(shù)是管殼式換熱器的2～3倍。為了適應(yīng)換熱量大，流體壓降小的要求，板間距大，當(dāng)量直徑約為28㎜。為了滿足工藝的要求板束工作壓力（反壓）P≤4.5Mpa，板束工作壓力（正壓）同殼體工作壓力，不受限制；工作溫度t≤550℃。烏魯木齊石化分公司40萬噸／年連續(xù)重整采用了進料（冷介質(zhì)）和出料（熱介質(zhì)）的板殼式換熱器，進料流量50t／h，進、出口溫渡88℃，470℃。出料流量50t／h，進、出口溫度100℃，500℃，對數(shù)平均溫差約38℃，總傳熱系數(shù)約為380kcal／㎡·h·℃，熱負(fù)荷達23×106kcal／h，進料壓降20Kpa，出料壓降50Kpa。
② 多效蒸發(fā)板式加熱器（換熱器），這種換熱器既是工藝加熱裝置，又是重要的熱回收裝置。以前由于板式換熱器的流道?。ò彘g距1.5～5.0㎜），不適宜于氣—氣換熱和蒸氣冷凝；且易堵塞，故不宜用于含懸浮物的流體。為了盡量地發(fā)揮板式換熱器的長處，克服存在問題，適應(yīng)工藝的要求，北京市京海換熱設(shè)備制造有限責(zé)任公司開發(fā)出了新型的多效蒸發(fā)板式換熱器，這種板式換熱器屬寬流道型，其板間距為8.0㎜，適合于蒸氣冷凝，適合于含懸浮物的流體，且不易堵塞，處理量達1200m3／h。
關(guān)鍵詞：平均溫差 NTU 板式蒸發(fā)器 冷凝器
1 平均溫差△tm 來源：考試大
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(biāo)。
1.1 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）] 來源：考試大
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。
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1.5時，可采用，若△t／△t2為3時，則誤差約為10%。
1.2 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??；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
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。
1.3 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 ?、?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△tmNTUp
a133→133℃
5→65℃94.86（65－5）／94.86＝0.632
b133→133℃
55→65℃72.88（65－55）／72.88＝0.13
c65→60℃
45←40℃20.00（45－40）／20＝0.25
d14→9℃
13←7℃1.44（13－7）／1.44＝4.17
e29→24℃
26←21℃3.00（26－21）／3＝1.67
1.4 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＝1.67×25000／500＝83.5㎡，流程數(shù)n＝83.5／17≈5。當(dāng)K＝2500kcal／㎡·h·℃時，A＝16.7㎡，流程數(shù)n＝1。每一流程的NTUe如下所示：K＝500，NTUe＝NTUE／n＝0.33，K＝2500時，NTUe＝1.67。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。
1.5 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，的是增大傳熱系數(shù)K。
① 淺密波紋板片是北京市京海換熱設(shè)備制造有限責(zé)任公司開發(fā)的新型板片，它的傳熱系數(shù)約為7000W／㎡·K，是水平平直波紋板的2倍，是人字形波紋板的1.5倍，在區(qū)域供冷中時，檢測的△tm約為1.2。在作為冰蓄冷的乙二醇和冷凍水的換熱器使用中，△tm約為1.5。
② 板式蒸發(fā)器、板式冷凝器也是北京市京海換熱設(shè)備制造有限責(zé)任公司開發(fā)的適應(yīng)于熱泵機組的新型換熱器。與管殼式蒸發(fā)器、冷凝器相比，它具有如下優(yōu)點：單位體積內(nèi)板式蒸發(fā)器、板式冷凝器的傳熱面積約是管殼式換熱器的3倍；板式蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)約為1000～1200 W／㎡·K，板式冷凝器的傳熱系數(shù)約為1500～2000 W／㎡·K均為管殼式換熱器的2～3倍；在板式蒸發(fā)器上采用了使制冷劑液體分布均勻的分配器裝置，當(dāng)蒸發(fā)器板片數(shù)較多時，可能會出現(xiàn)制冷劑液體分配不均的，不能充分利用所有蒸發(fā)傳熱面積，使蒸發(fā)溫度低于設(shè)計計算溫度。采用分配器后即能克服上述問題。有關(guān)單位檢測數(shù)據(jù)說明，板式蒸發(fā)器、板式冷凝器的傳熱系數(shù)在△tm約為2.5～3℃時，在1500～2000 W／㎡·K之間，且阻力小，滿足了熱泵機組的要求。
⑵ 小NTU（∽0.3～2），大△tm（∽40～90℃）的板式換熱器滿足了熱回收工藝和工藝加熱、冷卻的要求。當(dāng)工藝過程在大△tm的條件下進行換熱時，說明驅(qū)動力大，所需的傳熱面積較小，對傳熱系數(shù)要求也不高，但，這種工藝過程或者工作壓力高，或者工作溫度高，或者工藝加熱、冷卻過程的液體中含有纖維或直徑較大的顆粒，對板式換熱器的承壓、耐溫能力提出了要求，對換熱器的板間距提出了要求。
① 排（煙）氣—水板殼式換熱器（省能器），排（煙）氣—空氣板殼式換熱器（空氣預(yù)熱器）是北京市京海換熱設(shè)備制造有限責(zé)任公司和蘭石化共同開發(fā)出來的新型板式換熱器，全焊接板式換熱器中介質(zhì)的換熱是通過板管束來實現(xiàn)的，組成板管束的板片由專用模具壓制成型，全焊接式板束裝在壓力殼內(nèi)。波紋板片具有靜攪拌作用，能在很低的雷諾數(shù)下形成湍流，且污垢系數(shù)低，傳熱系數(shù)是管殼式換熱器的2～3倍。為了適應(yīng)換熱量大，流體壓降小的要求，板間距大，當(dāng)量直徑約為28㎜。為了滿足工藝的要求板束工作壓力（反壓）P≤4.5Mpa，板束工作壓力（正壓）同殼體工作壓力，不受限制；工作溫度t≤550℃。烏魯木齊石化分公司40萬噸／年連續(xù)重整采用了進料（冷介質(zhì)）和出料（熱介質(zhì)）的板殼式換熱器，進料流量50t／h，進、出口溫渡88℃，470℃。出料流量50t／h，進、出口溫度100℃，500℃，對數(shù)平均溫差約38℃，總傳熱系數(shù)約為380kcal／㎡·h·℃，熱負(fù)荷達23×106kcal／h，進料壓降20Kpa，出料壓降50Kpa。
② 多效蒸發(fā)板式加熱器（換熱器），這種換熱器既是工藝加熱裝置，又是重要的熱回收裝置。以前由于板式換熱器的流道?。ò彘g距1.5～5.0㎜），不適宜于氣—氣換熱和蒸氣冷凝；且易堵塞，故不宜用于含懸浮物的流體。為了盡量地發(fā)揮板式換熱器的長處，克服存在問題，適應(yīng)工藝的要求，北京市京海換熱設(shè)備制造有限責(zé)任公司開發(fā)出了新型的多效蒸發(fā)板式換熱器，這種板式換熱器屬寬流道型，其板間距為8.0㎜，適合于蒸氣冷凝，適合于含懸浮物的流體，且不易堵塞，處理量達1200m3／h。