循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中換熱器設(shè)備的流動阻力計算及分析
2014-07-16 12:14:08蘇斌楊佳楠王強
中國高新技術(shù)企業(yè) 2014年11期
蘇斌+楊佳楠+王強
摘要：換熱器是循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一，其合理設(shè)計、制造、選型和運行對整個系統(tǒng)而言都具有非常重要的意義。文章在分析了流動阻力情況的基礎(chǔ)上，計算了多種換熱器的水頭損失情況，并著重推導了在循環(huán)水系統(tǒng)中被廣泛使用的板式換熱器的水頭損失模型，本模型具有參數(shù)易得、適用性強等優(yōu)點。
關(guān)鍵詞：板式換熱器；水頭損失；流體力學；雷諾準則；歐拉準則
中圖分類號：TQ051 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）16-0028-03
隨著工業(yè)化的快速發(fā)展，循環(huán)水輸送和冷卻處理過程中仍會消耗大量的電能。工業(yè)生產(chǎn)中的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)主要是以水作為冷卻介質(zhì)，并可以循環(huán)使用的一種冷卻水系統(tǒng)。其主要由冷卻設(shè)備、水泵和管道組成。隨著工業(yè)化進程的迅速推進，系統(tǒng)的電耗和水耗量還在迅速增加。在不斷開發(fā)新產(chǎn)品、新技術(shù)、持續(xù)的改善循環(huán)水系統(tǒng)處理質(zhì)量的基礎(chǔ)上，最大限度地降低系統(tǒng)運行成本，成為現(xiàn)如今循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的主要研究方向。
在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，一個起到重要作用的設(shè)備就是換熱器。換熱器能使流體溫度達到流程所規(guī)定的指標，以滿足過程工藝條件的需要。換熱器是能源轉(zhuǎn)換和利用過程中必不可少的關(guān)鍵設(shè)備。換熱器的合理設(shè)計、制造、選型和運行等都具有非常重要的意義。
板式換熱器是以波紋板作為傳熱面，流體可沿板間狹窄彎曲的通道流動，其速度大小和方向不斷改變，形成強烈的湍流，從而有效地強化了傳熱，因此，它比管殼式等其他類型換熱器具有很多獨特的優(yōu)點。在換熱器傳熱過程中，一個重要的方面就是對其進行適當?shù)臒崃W及動力學計算。流體在流動中只有克服阻力才能前進，流速愈高阻力愈大。流動阻力的大小直接關(guān)系到輸送流體的泵或風機的動力消耗，所以對換熱器必須進行流動阻力的計算。
1 模型構(gòu)建
1.1 流動阻力的構(gòu)成
在流體中所遇到的流動阻力通常為兩種。
（1）摩擦阻力。流體在流道中流動時，流體與固體的壁面相接觸，由于流體的粘性和流體質(zhì)點之間的相互位移而產(chǎn)生摩擦所引起的阻力，稱為摩擦阻力。計算摩擦阻力的基本形式為：
（1）
式中，其中系數(shù)C及指數(shù)n以具體板片結(jié)構(gòu)而定。
（2）局部阻力。流體在流動過程中，由于各種局部障礙而引起的流動方向改變或流速突然改變所產(chǎn)生的阻力。局部阻力的計算式為：
（2）
式中：
——局部阻力系數(shù)
1.2 換熱器水頭損失
總水頭損失是由沿程水頭損失及局部水頭損失組成，而局部水頭損失由于換熱器種類不同會包括回彎水頭損失，進、出口連接管處水頭損失等構(gòu)成。
幾種常見換熱器的水頭損失計算式如下：
（1）管式熱交換器：
（3）
式中：
——總水頭損失
——沿程水頭損失
——回彎水頭損失
——進、出口連接管處水頭損失
其中：
（4）
（5）
（6）
式中：
——莫迪圓管摩擦系數(shù)
——圓管直徑，對非圓形管道，用水力直徑
——管程總長
——管內(nèi)流體在平均溫度下的密度
——管內(nèi)流體流速
——管內(nèi)流體黏度校正因子
（2）螺旋板式熱交換器：
（7）
（3）純板式熱交換器
（8）
式中：
m——流程數(shù)
ω——工質(zhì)在流道中的流速
（4）翅片管熱交換器
（9）
式中：
Gmax——最小流通界面處質(zhì)量速度
f——摩擦系數(shù)
1.3 板式換熱器的水頭損失
在板式換熱器的計算方面，導熱情況及流體水頭損失hw是兩項重要參數(shù)，前者在很大程度上影響著設(shè)備的初始投資；后者決定運行費用的高低。本文基于現(xiàn)有的板式換熱器水頭損失計算式的基礎(chǔ)上，引入了歐拉準則、雷諾準則等流體力學知識，進行了更符合實際工程的算式推導，構(gòu)建了一個較完善的數(shù)學模型。
通過板式換熱器的流體水頭損失的計算和分析是建立在下面準則方程的基礎(chǔ)上：
（10）
式中：Eu為歐拉準則，a，b為實驗確定的準則系數(shù)，Re為雷諾準則。
歐拉準則為一無因次數(shù)群，被用來表示壓
力與慣性力的比，歐拉準則是壓力或壓差對流速分布影響較大的流動中重要的準則數(shù)，可以用來反映流體水頭的損失情況。
則對于多流程的換熱器可以由歐拉準則推導出如下表達式：
hw=mEuρω2 （11）
在準則方程（12）中，Re代表雷諾數(shù)，是由雷諾準則推導而來：
（12）
可以將（10）（11）（12）式聯(lián)立可得板式換熱器的水頭損失式：
（13）
而在實際的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，流速是不易得到的，根據(jù)流體力學邊界層理論可知，流速是決定流體流動狀態(tài)的主要因素，流態(tài)由層流進入紊流后，除少部分換熱量由層流底層的導熱決定，絕大部分的換熱量取決于由流速決定的對流換熱強度的大小。因此在板式換熱器的流體水頭損失計算中，流速也起到?jīng)Q定作用。
在板式換熱器應(yīng)用計算中，如果傳熱量Q（或熱負荷）及一次水、二次水的溫度確定后，流速v由下式計算：
（14）
式中：
Cp——流體的定壓比熱
S——板式換熱器總截面積
則將（14）式代入（13）即可得到最終推導式：
（15）
2 應(yīng)用性
當把此數(shù)學模型應(yīng)用于實際的幾種國產(chǎn)板式換熱器時，根據(jù)模型所需，可以由換熱器手冊查得相關(guān)參數(shù)，如流程數(shù)m，截面積S。當?shù)弥ㄈ肓黧w的情況及工作環(huán)境，可以進一步確定a、b、Q等參數(shù)，部分國產(chǎn)換熱器的相應(yīng)數(shù)值于表1給出，由于全部系數(shù)易得且水頭損失方便計算，可見本模型具有實際的應(yīng)用價值。可以很好地幫助工業(yè)企業(yè)設(shè)計循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中換熱器設(shè)備，正確選型，節(jié)約資源及成本。
由上表可見（15）式具有很強的適用性。
3 結(jié)語
通過對多種換熱器模型的水頭損失的分析，深入推導了板式換熱器的水頭損失情況，并將不易得的參數(shù)進行進一步推導成為工業(yè)流程中可以通過查詢或經(jīng)驗公式代入的參數(shù)，有著較強的適用性。利用此式，可以在工程實踐中繼續(xù)挖掘板式換熱器的潛力，使其的制造和應(yīng)用更加成熟，充分發(fā)揮其高效節(jié)能的作用。
參考文獻
[1] 孫龍.電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水損失變化規(guī)律及節(jié)水方法研[D].山東大學，2010.
[2] Robin Pele， Rod M Fujita.Renewable energy from the ocean [J].Marine Policy，2002，（26）：471-479.
[3] 龍德曉.降低循環(huán)冷卻水系統(tǒng)操作費用的優(yōu)化研究[D].青島科技大學，2010.
[4] 楊艷.板式換熱器設(shè)計選型的一種計算方法[J].石油煉制與化工，2004，35（5）：54-56.
[5] 文繼卿.板式換熱器的應(yīng)用與選型計算[J].甘肅科學學報，1998，10（3）：49-52.
[6] 張蕓豫.換熱器綜合性能的優(yōu)化設(shè)計方法研究[D].蘭州理工大學，2009.
摘要：換熱器是循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一，其合理設(shè)計、制造、選型和運行對整個系統(tǒng)而言都具有非常重要的意義。文章在分析了流動阻力情況的基礎(chǔ)上，計算了多種換熱器的水頭損失情況，并著重推導了在循環(huán)水系統(tǒng)中被廣泛使用的板式換熱器的水頭損失模型，本模型具有參數(shù)易得、適用性強等優(yōu)點。
關(guān)鍵詞：板式換熱器；水頭損失；流體力學；雷諾準則；歐拉準則
中圖分類號：TQ051 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）16-0028-03
隨著工業(yè)化的快速發(fā)展，循環(huán)水輸送和冷卻處理過程中仍會消耗大量的電能。工業(yè)生產(chǎn)中的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)主要是以水作為冷卻介質(zhì)，并可以循環(huán)使用的一種冷卻水系統(tǒng)。其主要由冷卻設(shè)備、水泵和管道組成。隨著工業(yè)化進程的迅速推進，系統(tǒng)的電耗和水耗量還在迅速增加。在不斷開發(fā)新產(chǎn)品、新技術(shù)、持續(xù)的改善循環(huán)水系統(tǒng)處理質(zhì)量的基礎(chǔ)上，最大限度地降低系統(tǒng)運行成本，成為現(xiàn)如今循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的主要研究方向。
在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，一個起到重要作用的設(shè)備就是換熱器。換熱器能使流體溫度達到流程所規(guī)定的指標，以滿足過程工藝條件的需要。換熱器是能源轉(zhuǎn)換和利用過程中必不可少的關(guān)鍵設(shè)備。換熱器的合理設(shè)計、制造、選型和運行等都具有非常重要的意義。
板式換熱器是以波紋板作為傳熱面，流體可沿板間狹窄彎曲的通道流動，其速度大小和方向不斷改變，形成強烈的湍流，從而有效地強化了傳熱，因此，它比管殼式等其他類型換熱器具有很多獨特的優(yōu)點。在換熱器傳熱過程中，一個重要的方面就是對其進行適當?shù)臒崃W及動力學計算。流體在流動中只有克服阻力才能前進，流速愈高阻力愈大。流動阻力的大小直接關(guān)系到輸送流體的泵或風機的動力消耗，所以對換熱器必須進行流動阻力的計算。
1 模型構(gòu)建
1.1 流動阻力的構(gòu)成
在流體中所遇到的流動阻力通常為兩種。
（1）摩擦阻力。流體在流道中流動時，流體與固體的壁面相接觸，由于流體的粘性和流體質(zhì)點之間的相互位移而產(chǎn)生摩擦所引起的阻力，稱為摩擦阻力。計算摩擦阻力的基本形式為：
（1）
式中，其中系數(shù)C及指數(shù)n以具體板片結(jié)構(gòu)而定。
（2）局部阻力。流體在流動過程中，由于各種局部障礙而引起的流動方向改變或流速突然改變所產(chǎn)生的阻力。局部阻力的計算式為：
（2）
式中：
——局部阻力系數(shù)
1.2 換熱器水頭損失
總水頭損失是由沿程水頭損失及局部水頭損失組成，而局部水頭損失由于換熱器種類不同會包括回彎水頭損失，進、出口連接管處水頭損失等構(gòu)成。
幾種常見換熱器的水頭損失計算式如下：
（1）管式熱交換器：
（3）
式中：
——總水頭損失
——沿程水頭損失
——回彎水頭損失
——進、出口連接管處水頭損失
其中：
（4）
（5）
（6）
式中：
——莫迪圓管摩擦系數(shù)
——圓管直徑，對非圓形管道，用水力直徑
——管程總長
——管內(nèi)流體在平均溫度下的密度
——管內(nèi)流體流速
——管內(nèi)流體黏度校正因子
（2）螺旋板式熱交換器：
（7）
（3）純板式熱交換器
（8）
式中：
m——流程數(shù)
ω——工質(zhì)在流道中的流速
（4）翅片管熱交換器
（9）
式中：
Gmax——最小流通界面處質(zhì)量速度
f——摩擦系數(shù)
1.3 板式換熱器的水頭損失
在板式換熱器的計算方面，導熱情況及流體水頭損失hw是兩項重要參數(shù)，前者在很大程度上影響著設(shè)備的初始投資；后者決定運行費用的高低。本文基于現(xiàn)有的板式換熱器水頭損失計算式的基礎(chǔ)上，引入了歐拉準則、雷諾準則等流體力學知識，進行了更符合實際工程的算式推導，構(gòu)建了一個較完善的數(shù)學模型。
通過板式換熱器的流體水頭損失的計算和分析是建立在下面準則方程的基礎(chǔ)上：
（10）
式中：Eu為歐拉準則，a，b為實驗確定的準則系數(shù)，Re為雷諾準則。
歐拉準則為一無因次數(shù)群，被用來表示壓
力與慣性力的比，歐拉準則是壓力或壓差對流速分布影響較大的流動中重要的準則數(shù)，可以用來反映流體水頭的損失情況。
則對于多流程的換熱器可以由歐拉準則推導出如下表達式：
hw=mEuρω2 （11）
在準則方程（12）中，Re代表雷諾數(shù)，是由雷諾準則推導而來：
（12）
可以將（10）（11）（12）式聯(lián)立可得板式換熱器的水頭損失式：
（13）
而在實際的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，流速是不易得到的，根據(jù)流體力學邊界層理論可知，流速是決定流體流動狀態(tài)的主要因素，流態(tài)由層流進入紊流后，除少部分換熱量由層流底層的導熱決定，絕大部分的換熱量取決于由流速決定的對流換熱強度的大小。因此在板式換熱器的流體水頭損失計算中，流速也起到?jīng)Q定作用。
在板式換熱器應(yīng)用計算中，如果傳熱量Q（或熱負荷）及一次水、二次水的溫度確定后，流速v由下式計算：
（14）
式中：
Cp——流體的定壓比熱
S——板式換熱器總截面積
則將（14）式代入（13）即可得到最終推導式：
（15）
2 應(yīng)用性
當把此數(shù)學模型應(yīng)用于實際的幾種國產(chǎn)板式換熱器時，根據(jù)模型所需，可以由換熱器手冊查得相關(guān)參數(shù)，如流程數(shù)m，截面積S。當?shù)弥ㄈ肓黧w的情況及工作環(huán)境，可以進一步確定a、b、Q等參數(shù)，部分國產(chǎn)換熱器的相應(yīng)數(shù)值于表1給出，由于全部系數(shù)易得且水頭損失方便計算，可見本模型具有實際的應(yīng)用價值。可以很好地幫助工業(yè)企業(yè)設(shè)計循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中換熱器設(shè)備，正確選型，節(jié)約資源及成本。
由上表可見（15）式具有很強的適用性。
3 結(jié)語
通過對多種換熱器模型的水頭損失的分析，深入推導了板式換熱器的水頭損失情況，并將不易得的參數(shù)進行進一步推導成為工業(yè)流程中可以通過查詢或經(jīng)驗公式代入的參數(shù)，有著較強的適用性。利用此式，可以在工程實踐中繼續(xù)挖掘板式換熱器的潛力，使其的制造和應(yīng)用更加成熟，充分發(fā)揮其高效節(jié)能的作用。
參考文獻
[1] 孫龍.電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水損失變化規(guī)律及節(jié)水方法研[D].山東大學，2010.
[2] Robin Pele， Rod M Fujita.Renewable energy from the ocean [J].Marine Policy，2002，（26）：471-479.
[3] 龍德曉.降低循環(huán)冷卻水系統(tǒng)操作費用的優(yōu)化研究[D].青島科技大學，2010.
[4] 楊艷.板式換熱器設(shè)計選型的一種計算方法[J].石油煉制與化工，2004，35（5）：54-56.
[5] 文繼卿.板式換熱器的應(yīng)用與選型計算[J].甘肅科學學報，1998，10（3）：49-52.
[6] 張蕓豫.換熱器綜合性能的優(yōu)化設(shè)計方法研究[D].蘭州理工大學，2009.
摘要：換熱器是循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一，其合理設(shè)計、制造、選型和運行對整個系統(tǒng)而言都具有非常重要的意義。文章在分析了流動阻力情況的基礎(chǔ)上，計算了多種換熱器的水頭損失情況，并著重推導了在循環(huán)水系統(tǒng)中被廣泛使用的板式換熱器的水頭損失模型，本模型具有參數(shù)易得、適用性強等優(yōu)點。
關(guān)鍵詞：板式換熱器；水頭損失；流體力學；雷諾準則；歐拉準則
中圖分類號：TQ051 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）16-0028-03
隨著工業(yè)化的快速發(fā)展，循環(huán)水輸送和冷卻處理過程中仍會消耗大量的電能。工業(yè)生產(chǎn)中的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)主要是以水作為冷卻介質(zhì)，并可以循環(huán)使用的一種冷卻水系統(tǒng)。其主要由冷卻設(shè)備、水泵和管道組成。隨著工業(yè)化進程的迅速推進，系統(tǒng)的電耗和水耗量還在迅速增加。在不斷開發(fā)新產(chǎn)品、新技術(shù)、持續(xù)的改善循環(huán)水系統(tǒng)處理質(zhì)量的基礎(chǔ)上，最大限度地降低系統(tǒng)運行成本，成為現(xiàn)如今循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的主要研究方向。
在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，一個起到重要作用的設(shè)備就是換熱器。換熱器能使流體溫度達到流程所規(guī)定的指標，以滿足過程工藝條件的需要。換熱器是能源轉(zhuǎn)換和利用過程中必不可少的關(guān)鍵設(shè)備。換熱器的合理設(shè)計、制造、選型和運行等都具有非常重要的意義。
板式換熱器是以波紋板作為傳熱面，流體可沿板間狹窄彎曲的通道流動，其速度大小和方向不斷改變，形成強烈的湍流，從而有效地強化了傳熱，因此，它比管殼式等其他類型換熱器具有很多獨特的優(yōu)點。在換熱器傳熱過程中，一個重要的方面就是對其進行適當?shù)臒崃W及動力學計算。流體在流動中只有克服阻力才能前進，流速愈高阻力愈大。流動阻力的大小直接關(guān)系到輸送流體的泵或風機的動力消耗，所以對換熱器必須進行流動阻力的計算。
1 模型構(gòu)建
1.1 流動阻力的構(gòu)成
在流體中所遇到的流動阻力通常為兩種。
（1）摩擦阻力。流體在流道中流動時，流體與固體的壁面相接觸，由于流體的粘性和流體質(zhì)點之間的相互位移而產(chǎn)生摩擦所引起的阻力，稱為摩擦阻力。計算摩擦阻力的基本形式為：
（1）
式中，其中系數(shù)C及指數(shù)n以具體板片結(jié)構(gòu)而定。
（2）局部阻力。流體在流動過程中，由于各種局部障礙而引起的流動方向改變或流速突然改變所產(chǎn)生的阻力。局部阻力的計算式為：
（2）
式中：
——局部阻力系數(shù)
1.2 換熱器水頭損失
總水頭損失是由沿程水頭損失及局部水頭損失組成，而局部水頭損失由于換熱器種類不同會包括回彎水頭損失，進、出口連接管處水頭損失等構(gòu)成。
幾種常見換熱器的水頭損失計算式如下：
（1）管式熱交換器：
（3）
式中：
——總水頭損失
——沿程水頭損失
——回彎水頭損失
——進、出口連接管處水頭損失
其中：
（4）
（5）
（6）
式中：
——莫迪圓管摩擦系數(shù)
——圓管直徑，對非圓形管道，用水力直徑
——管程總長
——管內(nèi)流體在平均溫度下的密度
——管內(nèi)流體流速
——管內(nèi)流體黏度校正因子
（2）螺旋板式熱交換器：
（7）
（3）純板式熱交換器
（8）
式中：
m——流程數(shù)
ω——工質(zhì)在流道中的流速
（4）翅片管熱交換器
（9）
式中：
Gmax——最小流通界面處質(zhì)量速度
f——摩擦系數(shù)
1.3 板式換熱器的水頭損失
在板式換熱器的計算方面，導熱情況及流體水頭損失hw是兩項重要參數(shù)，前者在很大程度上影響著設(shè)備的初始投資；后者決定運行費用的高低。本文基于現(xiàn)有的板式換熱器水頭損失計算式的基礎(chǔ)上，引入了歐拉準則、雷諾準則等流體力學知識，進行了更符合實際工程的算式推導，構(gòu)建了一個較完善的數(shù)學模型。
通過板式換熱器的流體水頭損失的計算和分析是建立在下面準則方程的基礎(chǔ)上：
（10）
式中：Eu為歐拉準則，a，b為實驗確定的準則系數(shù)，Re為雷諾準則。
歐拉準則為一無因次數(shù)群，被用來表示壓
力與慣性力的比，歐拉準則是壓力或壓差對流速分布影響較大的流動中重要的準則數(shù)，可以用來反映流體水頭的損失情況。
則對于多流程的換熱器可以由歐拉準則推導出如下表達式：
hw=mEuρω2 （11）
在準則方程（12）中，Re代表雷諾數(shù)，是由雷諾準則推導而來：
（12）
可以將（10）（11）（12）式聯(lián)立可得板式換熱器的水頭損失式：
（13）
而在實際的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，流速是不易得到的，根據(jù)流體力學邊界層理論可知，流速是決定流體流動狀態(tài)的主要因素，流態(tài)由層流進入紊流后，除少部分換熱量由層流底層的導熱決定，絕大部分的換熱量取決于由流速決定的對流換熱強度的大小。因此在板式換熱器的流體水頭損失計算中，流速也起到?jīng)Q定作用。
在板式換熱器應(yīng)用計算中，如果傳熱量Q（或熱負荷）及一次水、二次水的溫度確定后，流速v由下式計算：
（14）
式中：
Cp——流體的定壓比熱
S——板式換熱器總截面積
則將（14）式代入（13）即可得到最終推導式：
（15）
2 應(yīng)用性
當把此數(shù)學模型應(yīng)用于實際的幾種國產(chǎn)板式換熱器時，根據(jù)模型所需，可以由換熱器手冊查得相關(guān)參數(shù)，如流程數(shù)m，截面積S。當?shù)弥ㄈ肓黧w的情況及工作環(huán)境，可以進一步確定a、b、Q等參數(shù)，部分國產(chǎn)換熱器的相應(yīng)數(shù)值于表1給出，由于全部系數(shù)易得且水頭損失方便計算，可見本模型具有實際的應(yīng)用價值?？梢院芎玫貛椭I(yè)企業(yè)設(shè)計循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中換熱器設(shè)備，正確選型，節(jié)約資源及成本。
由上表可見（15）式具有很強的適用性。
3 結(jié)語
通過對多種換熱器模型的水頭損失的分析，深入推導了板式換熱器的水頭損失情況，并將不易得的參數(shù)進行進一步推導成為工業(yè)流程中可以通過查詢或經(jīng)驗公式代入的參數(shù)，有著較強的適用性。利用此式，可以在工程實踐中繼續(xù)挖掘板式換熱器的潛力，使其的制造和應(yīng)用更加成熟，充分發(fā)揮其高效節(jié)能的作用。
參考文獻
[1] 孫龍.電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水損失變化規(guī)律及節(jié)水方法研[D].山東大學，2010.
[2] Robin Pele， Rod M Fujita.Renewable energy from the ocean [J].Marine Policy，2002，（26）：471-479.
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