板翅式换热器的流速选取分析

钱寅国，雷昊，刘苗苗，乔玉珍



板翅式换热器的流速选取分析

钱寅国，雷昊，刘苗苗，乔玉珍

（杭州中泰深冷技术股份有限公司，浙江 杭州 311402）

通过经济性分析得出两股流板翅式换热器总成本随流速变化的函数关系式，推导了函数关系式中几个系数与流速变化的关系，代入某实际项目参数，定量地描述了板翅式换热器的合理使用年限以及总成本随流速变化的关系，得出经济性分析在设计板翅式换热器中的应用价值。

经济性分析；板翅式换热器；流速；应用价值

1 前言

众所周知，板翅式换热器主要靠翅片进行传热，而翅片通过专用机器制造成了具有许多皱折形状的结构，绝大部分传热是靠所谓的“二次传热面”[1-4]完成的。

对于特定的流体来说，传热效率与流速成正比。流速增大，传热效率增强，所需要的换面积减小；流速减小，传热效率降低[5]，所需要的换热面积变大，反应到换热器上就是尺寸或者质量的改变，从而影响换热器的总成本。如何正确地选择流速，是设计人员必须考虑的问题。目前，多数设计人员基本从结构方面考虑，这也是我们传统的设计思路。

如果将经济学[6]的方法应用到板翅式换热器的流速设计上来，那么事情的结果可能是另一番景象了，或许设计出来的设备的尺寸也都不一样了。

从设备的价格上来说，主要包括制造费、运行费以及其他费用等，制造费是设备投入运行之前一次性投入的费用，运行费则是后期运行以及维护方面的费用。本文就换热器的总成本与流速变化关系进行研究，得出二者的关系式。

2 根据经济学原理建立函数关系式

将设计流体流速作为函数的未知数，以流速的倍数及运行年数为自变量，那么总价格就是、的函数，即、～（）（总费用）。

所以总价格函数关系式为：

（）=（）+（）+（）. （1）

式（1）中：（）为前期投入的制造费用，万元/年；为运行年数；（）为阻力能耗费用，万元/年；（）为换热不完全造成冷量损耗费用，万元/年；（）、（）、（）表示的函数，可随变化而变化。

3 计算函数关系式中的系数值

3.1 计算A（χ）过程

首先作如下几个假设。

假设1：流速的变化通过改变截面得到，而传热段翅片的类型不变，同时将换热器的长度固定，阻力并不一定消耗完全。

假设2：对于低压换热器来说，封头接管的质量占比较小，可忽略不计。

当流速变为原设计值的倍时，经分析可得到：当截面积变为原设计值的倍，流速变为原设计值的1/倍，传热性能会与流速成正比，换热器的质量与流速成反比，变为原设计值的1/倍，因此=－1，为原设计质量。

3.2 计算B（χ）值过程

阻力能耗费用是热流体与冷流体的阻力能耗之和，因为截面改变必然导致正流和返流的流速一起改变，那么阻力必然变化，当然，我们这里不考虑重力降，只考虑摩擦阻力降。

当流速变为倍时，由=∆知，传热面积变为/，质量流量为原先的倍，=.

翅片阻力因子可按下述公式计算：

=-0.25=（e/）-0.25（2）

所以有简化的阻力计算公式：

由（3）得：

于是，正流和返流的阻力变化为21.75，相应阻力消耗费用为21.75.

3.3 计算C（χ）值过程

冷损的消耗可以与等值的电量消耗来补充，与积分温差成正比关系，而一般我们计算的温差要保证与原设计值一致，也就是说这部分没有变化，为一定值，即为.

由以上分析可得出换热器的总费用为：

（）=-1+21.75+（5）

式（5）中：为换热器的制造费用；为原设计阻力。

4 设计流速下的最合理年限n

当=1时，（1）表示设计流速下的总价格，以此计算最合理使用年限，对式（5）的（）求导：

´（）=﹣﹣2+3.50.75. （6）

将=1代入得：

´（1）=﹣+3.5. （7）

令式（7）=0，可求出：

=/3.5. （8）

以国内某空分厂家某项目实际参数=12.5万元，=2.188万元/年，=2.5万元/年，代入式（8），求出=1.63年，并用一系列值代入式（5）可计算出总费用值，总费用随变化曲线如图1所示。

图1 总费用随χ变化曲线

由图1可以看出，在=1时，（）取得最小值23.71万元，假设最合理使用年限为5年，那么可以认定此流速设计不合理，需将流速调整，直至算出的值接近5年。

5 目标年限下的流速值

以此实际存在的换热器为例，如果认为换热器合理年限为5年，则将，，，=5代入式（6），整理得：

38.292.75－12.5=0.

求出≈0.67.将，，，=5以及一系列值代入式（5）可计算出总费用值，总费用随变化曲线如图2所示。

图2 总费用随χ变化曲线

由图2可以看出，在≈0.67时，（）取得最小值为42万元，而当=1时，（）≈46.88万元，两者相差46.88－42=4.88万元，相当于节省费用10%.假定不同合理使用年限，可得到不同的流速值和最小总价格如表1所示。

表1 不同年限下的合理流速及最小总价格与基准比例

目标年限12345 与原设计流速的倍数1.2基准0.93基准0.80基准0.72基准0.67基准 最小总价格18.919.426.126.33233.137.2404246.88 费用减小比例/（%）2.3基准10.4基准13.4基准17基准110基准1

注：基准表示原设计流速；基准1表示原设计流速下的费用

6 结论及展望

本文利用经济学的方法设计板翅式换热器的流速，通过定量的公式计算，得出了板翅式换热器的合理流速，开辟了板翅式换热器设计的新思路，为板翅式换热器的设计工作提供了些许参考，具有较大的经济意义。

［1］杨世铭，陶文栓.传热学［M］.第3版.北京：高等教育出版社，2006.

［2］张小松，赵开涛，李舒宏.铝制板翅式换热器的传热与阻力特性的试验研究低温工程［J］.低温工程，1999（3）.

［3］阎振贵，王金宏，洪金玲.NB/T 47006—2009 铝制板翅式热交换器［S］.出版社不详，2009.

［4］王松汉.板翅式换热器［M］.北京：化学工业出版社，1984.

［5］化工部第四设计院.深冷手册［M］.北京：石油化学工业出版社，1973.

［6］曼昆.经济学原理［M］.北京：北京大学出版社，2015.

2095－6835（2019）03－0074－02

TK172

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.03.074

钱寅国（1983—），男，工程师，毕业于华东理工大学化工过程机械专业，从事板翅式换热器的设计工作。

〔编辑：严丽琴〕