循环冷却水系统中换热器设备的流动阻力计算及分析

苏斌+杨佳楠+王强

摘要：换热器是循环冷却水系统中的重要设备之一，其合理设计、制造、选型和运行对整个系统而言都具有非常重要的意义。文章在分析了流动阻力情况的基础上，计算了多种换热器的水头损失情况，并着重推导了在循环水系统中被广泛使用的板式换热器的水头损失模型，本模型具有参数易得、适用性强等优点。

关键词：板式换热器；水头损失；流体力学；雷诺准则；欧拉准则

中图分类号：TQ051 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）16-0028-03

随着工业化的快速发展，循环水输送和冷却处理过程中仍会消耗大量的电能。工业生产中的循环冷却水系统主要是以水作为冷却介质，并可以循环使用的一种冷却水系统。其主要由冷却设备、水泵和管道组成。随着工业化进程的迅速推进，系统的电耗和水耗量还在迅速增加。在不断开发新产品、新技术、持续的改善循环水系统处理质量的基础上，最大限度地降低系统运行成本，成为现如今循环冷却水系统的主要研究方向。

在循环冷却水系统中，一个起到重要作用的设备就是换热器。换热器能使流体温度达到流程所规定的指标，以满足过程工艺条件的需要。换热器是能源转换和利用过程中必不可少的关键设备。换热器的合理设计、制造、选型和运行等都具有非常重要的意义。

板式换热器是以波纹板作为传热面，流体可沿板间狭窄弯曲的通道流动，其速度大小和方向不断改变，形成强烈的湍流，从而有效地强化了传热，因此，它比管壳式等其他类型换热器具有很多独特的优点。在换热器传热过程中，一个重要的方面就是对其进行适当的热力学及动力学计算。流体在流动中只有克服阻力才能前进，流速愈高阻力愈大。流动阻力的大小直接关系到输送流体的泵或风机的动力消耗，所以对换热器必须进行流动阻力的计算。

1 模型构建

1.1 流动阻力的构成

在流体中所遇到的流动阻力通常为两种。

（1）摩擦阻力。流体在流道中流动时，流体与固体的壁面相接触，由于流体的粘性和流体质点之间的相互位移而产生摩擦所引起的阻力，称为摩擦阻力。计算摩擦阻力的基本形式为：

（1）

式中，其中系数C及指数n以具体板片结构而定。

（2）局部阻力。流体在流动过程中，由于各种局部障碍而引起的流动方向改变或流速突然改变所产生的阻力。局部阻力的计算式为：

（2）

式中：

——局部阻力系数

1.2 换热器水头损失

总水头损失是由沿程水头损失及局部水头损失组成，而局部水头损失由于换热器种类不同会包括回弯水头损失，进、出口连接管处水头损失等构成。

几种常见换热器的水头损失计算式如下：

（1）管式热交换器：

（3）

式中：

——总水头损失

——沿程水头损失

——回弯水头损失

——进、出口连接管处水头损失

其中：

（4）

（5）

（6）

式中：

——莫迪圆管摩擦系数

——圆管直径，对非圆形管道，用水力直径

——管程总长

——管内流体在平均温度下的密度

——管内流体流速

——管内流体黏度校正因子

（2）螺旋板式热交换器：

（7）

（3）纯板式热交换器

（8）

式中：

m——流程数

ω——工质在流道中的流速

（4）翅片管热交换器

（9）

式中：

Gmax——最小流通界面处质量速度

f——摩擦系数

1.3 板式换热器的水头损失

在板式换热器的计算方面，导热情况及流体水头损失hw是两项重要参数，前者在很大程度上影响着设备的初始投资；后者决定运行费用的高低。本文基于现有的板式换热器水头损失计算式的基础上，引入了欧拉准则、雷诺准则等流体力学知识，进行了更符合实际工程的算式推导，构建了一个较完善的数学模型。

通过板式换热器的流体水头损失的计算和分析是建立在下面准则方程的基础上：

（10）

式中：Eu为欧拉准则，a，b为实验确定的准则系数，Re为雷诺准则。

欧拉准则为一无因次数群，被用来表示压

力与惯性力的比，欧拉准则是压力或压差对流速分布影响较大的流动中重要的准则数，可以用来反映流体水头的损失情况。

则对于多流程的换热器可以由欧拉准则推导出如下表达式：

hw=mEuρω2 （11）

在准则方程（12）中，Re代表雷诺数，是由雷诺准则推导而来：

（12）

可以将（10）（11）（12）式联立可得板式换热器的水头损失式：

（13）

而在实际的工业生产环节中，流速是不易得到的，根据流体力学边界层理论可知，流速是决定流体流动状态的主要因素，流态由层流进入紊流后，除少部分换热量由层流底层的导热决定，绝大部分的换热量取决于由流速决定的对流换热强度的大小。因此在板式换热器的流体水头损失计算中，流速也起到决定作用。

在板式换热器应用计算中，如果传热量Q（或热负荷）及一次水、二次水的温度确定后，流速v由下式计算：

（14）

式中：

Cp——流体的定压比热

S——板式换热器总截面积

则将（14）式代入（13）即可得到最终推导式：

（15）

2 应用性

当把此数学模型应用于实际的几种国产板式换热器时，根据模型所需，可以由换热器手册查得相关参数，如流程数m，截面积S。当得知通入流体的情况及工作环境，可以进一步确定a、b、Q等参数，部分国产换热器的相应数值于表1给出，由于全部系数易得且水头损失方便计算，可见本模型具有实际的应用价值。可以很好地帮助工业企业设计循环冷却水系统中换热器设备，正确选型，节约资源及成本。

由上表可见（15）式具有很强的适用性。

3 结语

通过对多种换热器模型的水头损失的分析，深入推导了板式换热器的水头损失情况，并将不易得的参数进行进一步推导成为工业流程中可以通过查询或经验公式代入的参数，有着较强的适用性。利用此式，可以在工程实践中继续挖掘板式换热器的潜力，使其的制造和应用更加成熟，充分发挥其高效节能的作用。

参考文献

[1] 孙龙.电厂循环冷却水系统水损失变化规律及节水方法研[D].山东大学，2010.

[2] Robin Pele， Rod M Fujita.Renewable energy from the ocean [J].Marine Policy，2002，（26）：471-479.

[3] 龙德晓.降低循环冷却水系统操作费用的优化研究[D].青岛科技大学，2010.

[4] 杨艳.板式换热器设计选型的一种计算方法[J].石油炼制与化工，2004，35（5）：54-56.

[5] 文继卿.板式换热器的应用与选型计算[J].甘肃科学学报，1998，10（3）：49-52.

[6] 张芸豫.换热器综合性能的优化设计方法研究[D].兰州理工大学，2009.

摘要：换热器是循环冷却水系统中的重要设备之一，其合理设计、制造、选型和运行对整个系统而言都具有非常重要的意义。文章在分析了流动阻力情况的基础上，计算了多种换热器的水头损失情况，并着重推导了在循环水系统中被广泛使用的板式换热器的水头损失模型，本模型具有参数易得、适用性强等优点。

关键词：板式换热器；水头损失；流体力学；雷诺准则；欧拉准则

中图分类号：TQ051 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）16-0028-03

随着工业化的快速发展，循环水输送和冷却处理过程中仍会消耗大量的电能。工业生产中的循环冷却水系统主要是以水作为冷却介质，并可以循环使用的一种冷却水系统。其主要由冷却设备、水泵和管道组成。随着工业化进程的迅速推进，系统的电耗和水耗量还在迅速增加。在不断开发新产品、新技术、持续的改善循环水系统处理质量的基础上，最大限度地降低系统运行成本，成为现如今循环冷却水系统的主要研究方向。

在循环冷却水系统中，一个起到重要作用的设备就是换热器。换热器能使流体温度达到流程所规定的指标，以满足过程工艺条件的需要。换热器是能源转换和利用过程中必不可少的关键设备。换热器的合理设计、制造、选型和运行等都具有非常重要的意义。

板式换热器是以波纹板作为传热面，流体可沿板间狭窄弯曲的通道流动，其速度大小和方向不断改变，形成强烈的湍流，从而有效地强化了传热，因此，它比管壳式等其他类型换热器具有很多独特的优点。在换热器传热过程中，一个重要的方面就是对其进行适当的热力学及动力学计算。流体在流动中只有克服阻力才能前进，流速愈高阻力愈大。流动阻力的大小直接关系到输送流体的泵或风机的动力消耗，所以对换热器必须进行流动阻力的计算。

1 模型构建

1.1 流动阻力的构成

在流体中所遇到的流动阻力通常为两种。

（1）摩擦阻力。流体在流道中流动时，流体与固体的壁面相接触，由于流体的粘性和流体质点之间的相互位移而产生摩擦所引起的阻力，称为摩擦阻力。计算摩擦阻力的基本形式为：

（1）

式中，其中系数C及指数n以具体板片结构而定。

（2）局部阻力。流体在流动过程中，由于各种局部障碍而引起的流动方向改变或流速突然改变所产生的阻力。局部阻力的计算式为：

（2）

式中：

——局部阻力系数

1.2 换热器水头损失

总水头损失是由沿程水头损失及局部水头损失组成，而局部水头损失由于换热器种类不同会包括回弯水头损失，进、出口连接管处水头损失等构成。

几种常见换热器的水头损失计算式如下：

（1）管式热交换器：

（3）

式中：

——总水头损失

——沿程水头损失

——回弯水头损失

——进、出口连接管处水头损失

其中：

（4）

（5）

（6）

式中：

——莫迪圆管摩擦系数

——圆管直径，对非圆形管道，用水力直径

——管程总长

——管内流体在平均温度下的密度

——管内流体流速

——管内流体黏度校正因子

（2）螺旋板式热交换器：

（7）

（3）纯板式热交换器

（8）

式中：

m——流程数

ω——工质在流道中的流速

（4）翅片管热交换器

（9）

式中：

Gmax——最小流通界面处质量速度

f——摩擦系数

1.3 板式换热器的水头损失

在板式换热器的计算方面，导热情况及流体水头损失hw是两项重要参数，前者在很大程度上影响着设备的初始投资；后者决定运行费用的高低。本文基于现有的板式换热器水头损失计算式的基础上，引入了欧拉准则、雷诺准则等流体力学知识，进行了更符合实际工程的算式推导，构建了一个较完善的数学模型。

通过板式换热器的流体水头损失的计算和分析是建立在下面准则方程的基础上：

（10）

式中：Eu为欧拉准则，a，b为实验确定的准则系数，Re为雷诺准则。

欧拉准则为一无因次数群，被用来表示压

力与惯性力的比，欧拉准则是压力或压差对流速分布影响较大的流动中重要的准则数，可以用来反映流体水头的损失情况。

则对于多流程的换热器可以由欧拉准则推导出如下表达式：

hw=mEuρω2 （11）

在准则方程（12）中，Re代表雷诺数，是由雷诺准则推导而来：

（12）

可以将（10）（11）（12）式联立可得板式换热器的水头损失式：

（13）

而在实际的工业生产环节中，流速是不易得到的，根据流体力学边界层理论可知，流速是决定流体流动状态的主要因素，流态由层流进入紊流后，除少部分换热量由层流底层的导热决定，绝大部分的换热量取决于由流速决定的对流换热强度的大小。因此在板式换热器的流体水头损失计算中，流速也起到决定作用。

在板式换热器应用计算中，如果传热量Q（或热负荷）及一次水、二次水的温度确定后，流速v由下式计算：

（14）

式中：

Cp——流体的定压比热

S——板式换热器总截面积

则将（14）式代入（13）即可得到最终推导式：

（15）

2 应用性

当把此数学模型应用于实际的几种国产板式换热器时，根据模型所需，可以由换热器手册查得相关参数，如流程数m，截面积S。当得知通入流体的情况及工作环境，可以进一步确定a、b、Q等参数，部分国产换热器的相应数值于表1给出，由于全部系数易得且水头损失方便计算，可见本模型具有实际的应用价值。可以很好地帮助工业企业设计循环冷却水系统中换热器设备，正确选型，节约资源及成本。

由上表可见（15）式具有很强的适用性。

3 结语

通过对多种换热器模型的水头损失的分析，深入推导了板式换热器的水头损失情况，并将不易得的参数进行进一步推导成为工业流程中可以通过查询或经验公式代入的参数，有着较强的适用性。利用此式，可以在工程实践中继续挖掘板式换热器的潜力，使其的制造和应用更加成熟，充分发挥其高效节能的作用。

参考文献

[1] 孙龙.电厂循环冷却水系统水损失变化规律及节水方法研[D].山东大学，2010.

[2] Robin Pele， Rod M Fujita.Renewable energy from the ocean [J].Marine Policy，2002，（26）：471-479.

[3] 龙德晓.降低循环冷却水系统操作费用的优化研究[D].青岛科技大学，2010.

[4] 杨艳.板式换热器设计选型的一种计算方法[J].石油炼制与化工，2004，35（5）：54-56.

[5] 文继卿.板式换热器的应用与选型计算[J].甘肃科学学报，1998，10（3）：49-52.

[6] 张芸豫.换热器综合性能的优化设计方法研究[D].兰州理工大学，2009.

摘要：换热器是循环冷却水系统中的重要设备之一，其合理设计、制造、选型和运行对整个系统而言都具有非常重要的意义。文章在分析了流动阻力情况的基础上，计算了多种换热器的水头损失情况，并着重推导了在循环水系统中被广泛使用的板式换热器的水头损失模型，本模型具有参数易得、适用性强等优点。

关键词：板式换热器；水头损失；流体力学；雷诺准则；欧拉准则

中图分类号：TQ051 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）16-0028-03

随着工业化的快速发展，循环水输送和冷却处理过程中仍会消耗大量的电能。工业生产中的循环冷却水系统主要是以水作为冷却介质，并可以循环使用的一种冷却水系统。其主要由冷却设备、水泵和管道组成。随着工业化进程的迅速推进，系统的电耗和水耗量还在迅速增加。在不断开发新产品、新技术、持续的改善循环水系统处理质量的基础上，最大限度地降低系统运行成本，成为现如今循环冷却水系统的主要研究方向。

在循环冷却水系统中，一个起到重要作用的设备就是换热器。换热器能使流体温度达到流程所规定的指标，以满足过程工艺条件的需要。换热器是能源转换和利用过程中必不可少的关键设备。换热器的合理设计、制造、选型和运行等都具有非常重要的意义。

板式换热器是以波纹板作为传热面，流体可沿板间狭窄弯曲的通道流动，其速度大小和方向不断改变，形成强烈的湍流，从而有效地强化了传热，因此，它比管壳式等其他类型换热器具有很多独特的优点。在换热器传热过程中，一个重要的方面就是对其进行适当的热力学及动力学计算。流体在流动中只有克服阻力才能前进，流速愈高阻力愈大。流动阻力的大小直接关系到输送流体的泵或风机的动力消耗，所以对换热器必须进行流动阻力的计算。

1 模型构建

1.1 流动阻力的构成

在流体中所遇到的流动阻力通常为两种。

（1）摩擦阻力。流体在流道中流动时，流体与固体的壁面相接触，由于流体的粘性和流体质点之间的相互位移而产生摩擦所引起的阻力，称为摩擦阻力。计算摩擦阻力的基本形式为：

（1）

式中，其中系数C及指数n以具体板片结构而定。

（2）局部阻力。流体在流动过程中，由于各种局部障碍而引起的流动方向改变或流速突然改变所产生的阻力。局部阻力的计算式为：

（2）

式中：

——局部阻力系数

1.2 换热器水头损失

总水头损失是由沿程水头损失及局部水头损失组成，而局部水头损失由于换热器种类不同会包括回弯水头损失，进、出口连接管处水头损失等构成。

几种常见换热器的水头损失计算式如下：

（1）管式热交换器：

（3）

式中：

——总水头损失

——沿程水头损失

——回弯水头损失

——进、出口连接管处水头损失

其中：

（4）

（5）

（6）

式中：

——莫迪圆管摩擦系数

——圆管直径，对非圆形管道，用水力直径

——管程总长

——管内流体在平均温度下的密度

——管内流体流速

——管内流体黏度校正因子

（2）螺旋板式热交换器：

（7）

（3）纯板式热交换器

（8）

式中：

m——流程数

ω——工质在流道中的流速

（4）翅片管热交换器

（9）

式中：

Gmax——最小流通界面处质量速度

f——摩擦系数

1.3 板式换热器的水头损失

在板式换热器的计算方面，导热情况及流体水头损失hw是两项重要参数，前者在很大程度上影响着设备的初始投资；后者决定运行费用的高低。本文基于现有的板式换热器水头损失计算式的基础上，引入了欧拉准则、雷诺准则等流体力学知识，进行了更符合实际工程的算式推导，构建了一个较完善的数学模型。

通过板式换热器的流体水头损失的计算和分析是建立在下面准则方程的基础上：

（10）

式中：Eu为欧拉准则，a，b为实验确定的准则系数，Re为雷诺准则。

欧拉准则为一无因次数群，被用来表示压

力与惯性力的比，欧拉准则是压力或压差对流速分布影响较大的流动中重要的准则数，可以用来反映流体水头的损失情况。

则对于多流程的换热器可以由欧拉准则推导出如下表达式：

hw=mEuρω2 （11）

在准则方程（12）中，Re代表雷诺数，是由雷诺准则推导而来：

（12）

可以将（10）（11）（12）式联立可得板式换热器的水头损失式：

（13）

而在实际的工业生产环节中，流速是不易得到的，根据流体力学边界层理论可知，流速是决定流体流动状态的主要因素，流态由层流进入紊流后，除少部分换热量由层流底层的导热决定，绝大部分的换热量取决于由流速决定的对流换热强度的大小。因此在板式换热器的流体水头损失计算中，流速也起到决定作用。

在板式换热器应用计算中，如果传热量Q（或热负荷）及一次水、二次水的温度确定后，流速v由下式计算：

（14）

式中：

Cp——流体的定压比热

S——板式换热器总截面积

则将（14）式代入（13）即可得到最终推导式：

（15）

2 应用性

当把此数学模型应用于实际的几种国产板式换热器时，根据模型所需，可以由换热器手册查得相关参数，如流程数m，截面积S。当得知通入流体的情况及工作环境，可以进一步确定a、b、Q等参数，部分国产换热器的相应数值于表1给出，由于全部系数易得且水头损失方便计算，可见本模型具有实际的应用价值。可以很好地帮助工业企业设计循环冷却水系统中换热器设备，正确选型，节约资源及成本。

由上表可见（15）式具有很强的适用性。

3 结语

通过对多种换热器模型的水头损失的分析，深入推导了板式换热器的水头损失情况，并将不易得的参数进行进一步推导成为工业流程中可以通过查询或经验公式代入的参数，有着较强的适用性。利用此式，可以在工程实践中继续挖掘板式换热器的潜力，使其的制造和应用更加成熟，充分发挥其高效节能的作用。

参考文献

[1] 孙龙.电厂循环冷却水系统水损失变化规律及节水方法研[D].山东大学，2010.

[2] Robin Pele， Rod M Fujita.Renewable energy from the ocean [J].Marine Policy，2002，（26）：471-479.

[3] 龙德晓.降低循环冷却水系统操作费用的优化研究[D].青岛科技大学，2010.

[4] 杨艳.板式换热器设计选型的一种计算方法[J].石油炼制与化工，2004，35（5）：54-56.

[5] 文继卿.板式换热器的应用与选型计算[J].甘肃科学学报，1998，10（3）：49-52.

[6] 张芸豫.换热器综合性能的优化设计方法研究[D].兰州理工大学，2009.