Swep Taiwan Inc.

如何計算板式熱交換器???

在看完此章說明後,你們一定會非常失望.但至少你們會有一點概念.日後不再讓人牽著鼻子走.至少它還是令人欣慰的.

由於板式熱交換器的構造和管殼式熱交換器不同,管殼式熱交換器的換熱計算公式和流體阻力計算公式均不適用於板式熱交換器的計算.雖許多學者對板式熱交換器進行了試驗研究,並建立了有關的計算公式,但這些公式主要是以試驗為基礎得出的,僅適用於特定試驗用板片.與實際現今市場使用的完全不同,加上現今板式熱交換器生產廠家不段的研發及改進並掌握主要各種數據.該數據被視為各家的機密資料,外人不可能獲得.才造成今日板式熱交換器為瑞典人所控制.雖不段有小廠家出現.但該種廠家只停留於模仿的程度,對原廠家不構成任何嚴重威脅.

計算的步驟

1. 先擬定出需求的熱交換流體,各側進出溫度及總換熱量.
2. 求出對數平均溫差
3. 求出兩側對流傳熱系數及總傳熱系數
4. 求出換熱面積
5. 計算壓降

如上五項步驟,看起來很容易,但算起來要人命.

基本計算需求事先必備資料

a. 所計算流體在平均工作溫度下有關的物性數據.例如: 密度,比熱容,熱傳導系數,黏度. (此點基本上沒問題)
b. 了解選用適用板片範圍內的各種參數.例如:板片的有效換熱面積,板片直徑長度,板間距,板厚度,通道橫截面積及通道長度等. (幾乎100%的計算者到此就算不下去了,因為工廠根本不可能提供此類數據,即使想要做,也有點困難)
c. 了解選用板片,墊片適用溫度,壓力及腐蝕適用範圍 (此點有點困難,但可克服)
d. 計算傳熱及壓降時,計算板片需提供的板片性能資料 (幾乎不可能獲得,因為工廠不會提供)

是不是很失望,還沒開始算就被打敗了. 但沒甚麼失望的,至少台灣還與很多先進國家一樣,被此行業所壟斷.

下面開始計算,但過程中會提及一些基本關聯方程式

1. 先擬定出需求的熱交換流體,各側進出溫度及總換熱量.

基本理論

熱傳

每次在熱交換器中進行的熱傳可用如下的公式表示:

Q= m p* C p * ( T pin- T pot)  =m p* C p * (T sot -T sin)  

Q = Transferred heat (W)

m = mass flow (kg/s)

c p = heat capacity (J/kg°C)

T = temperature (°C)

T pin = premier temperature Inlet

T pot = premier temperature outlet

T sot = secondary temperature outlet

T sin = secondary temperature inlet

現在已完成計算步驟的第一點.完成了各側的溫度及了解總換熱量.

2. 求出對數平均溫差 LMTD

LMTD = (Tpot - Tsin)-(Tpin-Tsot)
              -----------------------------     [°C]
                     (Tpot - Tsin)
                IN -----------------
                     (Tpin - Tsot)

但是當彼此間溫差小於或等於2時,則需使用算數平均溫差計算

MTD =  (Tpin + Tpot ) - (Tsin + Tsot)
             ----------------     --------------  [°C]
                     2                      2

3. 求出兩側對流傳熱系數及總傳熱系數

在板式熱交換器中,熱量從高溫流體傳向低溫流體的過程中.通常存在4項熱阻:

a. 板片熱側流體熱阻
b. 汙垢層熱阻
c. 板片熱阻
d. 板片冷側流體熱阻

它們之和即為總熱阻.總熱阻的倒數就是總熱傳系數

  1      1      d     1       1 
 ---- = -----  + ---- + ----- + ------
  k    a p    l   a s       ks

a = heat transfer number (W/m2 °C)

l = plate material heat conduction (W/m °C)

ks = fouling factor (W/m2 °C)

d = wall thickness (m)

傳熱系數的計算

流體在板式熱交換器的通道中流動時,在紊流條件下,通常使用如下的公式表示 
                                 m     1/3
Nu  = aL =C Re Pr 
             -----
             lf

a = heat transfer number , W/m2K

lf = heat conductivity of the fluid , W/mK

但如果流體的黏度變化很大,或有層流現象時,又需採用不同的計算公式 (不是不會,而是不在此再說明)

而在Nusselt number計算前又要計算 Reynolds Number 及 Prandtl Number,又是一大堆計算數及資料需要工廠提供.問題是,工廠一定不會提供.

4. 求出換熱面積

看起來很簡單,但問題又一大堆

依據傳熱的基本方程式,可求得所需換熱面積有如下二種方式:

1. 平均溫差法

                       Q
      A =     ---------------
                  K . LMTD

2. NTU ( number of heat transfer units ) 

           △t 
      NTU =----  
            LMTD 

         k * A
   NTU= -------  
                  m * Cp  

現今不論採用何種方式,都能求出 A值 (所需熱傳面積),但是所有熱交換器都能提供相同計算出的熱傳面積.我們如何才能知道要選擇那種規格????如果說,依管徑大小來選擇熱交換器.那問題又會產生,因為大多數的工廠相同管徑的規格都會開3-4種型號.到底那種才對???除了工廠外,外人很難知道.

5. 計算壓降

板式熱交換器的壓損的計算是計算經過進出接口,角孔及板片間各種流動的阻力之總和.如下的公式是液體對於液體的公式.對於氣體對液體的阻力計算,因流動與換熱中不段發生相變,就難以使用簡單的液體對於液體的公式來表達其阻力的規律.

公式上為:

△P = △Pch + △Pp

△Pch = ns . (m /np)² . Fp .φis /ρ

△Pp = 1.3 .ns . (m / (π .D² /4))² / (2000 .ρ)

Fp = C / Ren                

                1.2/(Re+6)0.5

φis = (ηW / η)

△P = 總壓損

△Pch = 板片間壓損

△Pp = 接口壓損

Fp = 磨擦係數 (Friction function)

φis = Correction factor for pressure drop for non-isothermal flow

會算了嗎 ?????

如上只是討論到簡單流體對流體,尚未討論到有關"流體的蒸發及冷凝",那種計算學問更大.

　如果依如上說明,那大家怎麼辦 ????? 事實上,使用者真的沒辦法!!! 使用者只能信賴供應者 (多數的廠家的資料都有一定的信賴度).使用者僅能依據如下:

1. 仔細查核供應商提供的計算書是否與需求相同
2. 按裝4個壓力錶 (此點非常非常重要)
3. 按裝4個溫度計
4. 供應商的服務,價格及名聲

其他就隨它去.