一、传热
传热，即热量的传递，是自然界中普遍存在的物理现象。凡是有温度差存在的物系之间，就会导致热量从高温处向低温处的传递的传热过程。
解决传热问题，都需要从总的传热速率方程出发，即：
式中：Q--冷流体吸收或热流体放出的热流量，W；
K--传热系数， A--传热面积，
；
--平均传热温差，℃。
传热的基本方式
根据热量传递机理的不同，传热基本方式有三种，即热传导、对流和辐射。 ·热传导：
热传导又称导热。是指热量从物体的高温部分向同一物体的低温部分、或者从一个高温物体向一个与它直接接触的低温物体传热的过程。 ·对流传热：
对流传热是依靠流体的宏观位移，将热量由一处带到另一处的传递现象。在化工生产中的对流传热，往往是指流体与固体壁面直接接触时的热量传递。 ·辐射传热：
又称为热辐射，是指因热的原因而产生的电磁波在空间的传递。物体将热能变为辐射能，以电磁波的形式在空中传播，当遇到另一物体时，又被全部或部分地吸收而变为热能。 作为换热设备，我们主要关心的热传导和对流传热。
二、表面传热系数的影响因素
流动状态的影响
层流底层薄，动力消耗大。
强制对流和自然对流的影响
强制对流：外部机械作功,一般u较大，故流体物性的影响
的影响：
较大。
也较小。
自然对流：依靠流体自身密度差造成的循环过程,一般u较小，
的影响：
的影响：的影响:
单位体积流体的热容量大，则
较大
定性温度：各种表面传热系数所用数据的特征温度。 传热面条件的影响
不同的壁面形状、尺寸影响流型；会造成边界层分离，产 生旋涡，增加湍动，使 定型尺寸：对表面传热系数有决定性影响的特征尺寸。 相变化的影响
一般情况下，有相变化时表面传热系数较大，机理各不相同，复杂。
增大。
三、对流传热
对流传热大多是指流体与固体壁面之间的传热，其传热速率与流体性质及边界层的状况密切相关。如图在靠近壁面处引起温度的变化形成温度边界层。温度差主要集中在层流底层中。假设流体与壁面的温度差全部集中在厚度为δ1'的有效膜内，该膜既不是热边界层，也非流动边界层，而是一集中了全部传热温差并以导热方式传热的虚拟膜。对流传热速率方程可用牛顿冷却定律来描述，该定律是一个实验定律：
对两侧流体，均可使用牛顿冷却定律，即： Q=αAΔt
式中：Q----对流传热的热流量，W； A----对流传热面积，m2;
Δt----壁面温度与壁面法向上流体的平均温度之差，K； α----比例系数，称为表面传热系数，W/（m².K）
对流传热过程的计算，归结为如何获取
。
一般由实验 测定，采用科学的试验方法。
四、特征数的物理意义
努塞尔数
=壁面温度梯度/平均温度梯度
称为无因次温度梯度。平均温度梯度一定，壁面温度梯度越大，Nu越大,越薄。
按热边界层理论,壁面温度梯度恒大于平均温度梯度,所以,努塞尔数恒大于1。 雷诺数
越大,有效膜
惯性力和粘滞力的比值，反映流动状态对的影响。
普兰特数 v---动量扩散系数 α---热扩散系数
该公式反映了热扩散和动量扩散的相互关系。反映流动边界层厚度和热边界层厚度的相对厚度。
格拉晓夫数（又称升浮力数）
反映自然对流程度的特征数。
五、特征数
对流传热的分类：
无相变化传热: 强制对流 自然对流
有相变传热: 蒸汽冷凝 液体沸腾 无相变化时对流传热过程的因次分析
利用因次分析的方法可获得描述对流传热的几个重要的特征数：
(努塞尔数)
(雷诺数)
(普朗特数)
(格拉晓夫数)
板式换热器的计算方法
板式换热器的计算是一个比较复杂的过程，目前比较流行的方法是对数平均温差法和NTU法。在计算机没有普及的时候，各个厂家大多采用计算参数近似估算和流速-总传热系数曲线估算方法。目前，越来越多的厂家采用计算机计算，这样，板式换热器的工艺计算变得快捷、方便、准确。以下简要说明无相变时板式换热器的一般计算方法，该方法是以传热和压降准则关联式为基础的设计计算方法。
以下五个参数在板式换热器的选型计算中是必须的：
总传热量(单位:kW).
一次侧、二次侧的进出口温度 一次侧、二次侧的允许压力降 最高工作温度 最大工作压力
如果已知传热介质的流量，比热容以及进出口的温度差，总传热量即可计算得出。
温度
T1 = 热侧进口温度 T2 = 热侧出口温度 t1 = 冷侧进口温度 t2= 冷侧出口温度
热负荷
热流量衡算式反映两流体在换热过程中温度变化的相互关系，在换热器保温良好，无热损失的情况下，对于稳态传热过程，其热流量衡算关系为：
（热流体放出的热流量）=（冷流体吸收的热流量）
在进行热衡算时，对有、无相变化的传热过程其表达式又有所区别。
（1） 无相变化传热过程
式中
Q----冷流体吸收或热流体放出的热流量，W； mh,mc-----热、冷流体的质量流量，kg/s； Cph,Cpc------热、冷流体的比定压热容，kJ/(kg·K)； T1,t1 ------热、冷流体的进口温度，K； T2,t2------热、冷流体的出口温度，K。
（2）有相变化传热过程
两物流在换热过程中，其中一侧物流发生相变化，如蒸汽冷凝或液体沸腾，其热流量衡算式为：
一侧有相变化
两侧物流均发生相变化 ，如一侧冷凝另一侧沸腾的传热过程
式中
r,r1,r2--------物流相变热，J/kg； D,D1,D2--------相变物流量，kg/s。
对于过冷或过热物流发生相变时的热流量衡算，则应按以上方法分段进行加和计算。
对数平均温差(LMTD)
对数平均温差是换热器传热的动力，对数平均温差的大小直接关系到换热器传热难易程度.在某些特殊情况下无法计算对数平均温差,此时用算术平均温差代替对数平均温差，介质在逆流情况和在并流情况下的对数平均温差的计算方式是不同的。 在一些特殊情况下，用算术平均温差代替对数平均温差。
逆流时：
并流时：
热长(F)
热长和一侧的温度差和对数平均温差相关联。 F = dt/LMTD
以下四个介质的物理性质影响的传热
密度、粘度、比热容、导热系数
总传热系数
总传热系数是用来衡量换热器传热阻力的一个参数。传热阻力主要是由传热板片材料和厚度、污垢和流体本身等因素构成。单位：W/m2 ℃ or kcal/h,m2 ℃.
压力降
压力降直接影响到板式换热器的大小，如果有较大的允许压力降，则可能减少换热器的成本，但会损失泵的功率，增加运行费用。一般情况下，在水水换热情况下，允许压力降一般在20-100KPa是可以解接受的。
污垢系数
和管壳式换热器相比，板式换热器中水的流动是处于高湍流状态，同一种介质的相对于板式换热器的污垢系数要小的多。在无法确定水的污垢系数的情况下，在计算时可以保留10%的富裕量。
计算方法
热负荷可以用下式表示： Q = m · cp · dt Q = k · A · LMTD Q = 热负荷 (kW) m = 质量流速 (kg/s) cp = 比热 (kJ/kg ℃)
dt = 介质的进出口温度差 (℃) k = 总传热系数 (W/m2 ℃) A = 传热面积 (m2) LMTD = 对数平均温差 总的传热系数用下式计算：
其中：
k=总传热系数(W/m2 ℃)
α1 = 一次测的换热系数(W/m2 ℃) α2 = 一次测的换热系数(W/m2 ℃) δ=传热板片的厚度(m)
λ=板片的导热系数 (W/m ℃)
R1、R2分别是两侧的污垢系数 (m2 ℃/W) α1、α2可以用努赛尔准则式求得。
传热效率和传热单元数法
在传热计算中，传热速率方程和热流量衡算式将换热器和换热物流的各参数关联起来。当已知工艺物流的流量、进、出温度时，可根据前面介绍的方法，计算平均传热温差△tm及热流量Q,从而求得所需的传热面积A，此类问题即前面提及的设计型计算问题。
然而，当给定两物流的流量、进口温度以及传热面积、传热系数K时，却难以采取解析方法直接确定两流体的出口温度。往往需采用试差方法求解。此类问题即前面所提及的操作型计算问题。对此，若采用1955年由凯斯和伦敦导出的传热效率及传热单元数法，则能避免试差而方便地求得其解。
一、传热效率
假设冷、热两流体在一传热面为无穷大的间壁换热器内进行逆流换热，其结果必然会有一端达到平衡，或是热流体出口温度降到冷流体的入口温度；或是冷流体的出口温度升到热流体的入口温度，如图中(b)及(c)所示。然而究竟哪一侧流体能获得最大的温度变化（T1-t1），这将取决于两流体热容量流率(mCp)的相对
大小。由热流量衡算式得：
可见，只有热容量流率相对小的流体才有可能获得较大的温度变化，将该流体的热容量流率以(mCp)min
表示，而相对大的热容量流率表示为(mCp)max。
(a)传热实际情况
(b)冷流体Cpcmc相对小的理论极限情况
(c)热流体Cpcmc相对小的理论极限情况
将换热器实际热流量Q与其无限大传热面积时的最大可能传热量Qmax之比，称为换热器的传热效率ε。
逆流 当
较小时
当
较小时
并流
其温度变化最大的依然是热容量流率较小的流体，最大可能的传热温差仍为T1-t1。故具有相同的传热效率定义式。
二、传热单元数
在换热器中，取微元传热面积，由热流量衡算和传热速率方程可得：
对于热流体：
取
为传热单元数 为常数，则有
对于冷流体：
多个换热器串联
传热单元数物理意义： 全部温差变化相当于多少平均器传热能力的强弱。
，NTU数值上表示 单位传热推动力引起的温度变化；表明了换热
三、传热效率与传热单元数的关系
换热器中传热效率与传热单元数的关系可根据热流量衡算及传热速率方程导出。
热容量流率比
整理
不同流型，不同结构，则关系不同。
在传热单元数相同时，逆流时换热器的传热效率总是大于并流时。
已知R和NTU，可求得
，进而求
和
，可避免试差计算
四、同向流-逆向流
由于传热两种介质的进出口的位置不同，介质的流动分成两种流动方式：同向流和逆向流。这两种方式的在实际应用中的差别比较大，其对数平均温差是不一样的。
逆向流同向流
换热器的特点
一、传热效率高
板片波纹的设计以高度的薄膜导热系数为目标，板片波纹所形成的特殊流道，使流体在极低的流速下即可发生强烈的扰动流（湍流），扰动流又有自净效应以防止污垢生成因而传热效率很高。
一般地说，板式换热器的传热系数K值在3000～6000W/m2.oC范围内。这就表明，板式换热器只需要管壳式换热器面积的1/2～1/4 即可达到同样的换热效果。 二、使用安全可靠
在板片之间的密封装置上设计了2道密封，同时又设有信号孔，一旦发生泄漏，可将其排出热换器外部， 即防止了二种介质相混，又起到了安全报警的作用。 三、占地小，易维护
板式换热器的结构极为紧凑，在传热量相等的条件下，所占空间仅为管壳式换热器的1/2～1/3。并且
不象管壳式那样需要预留出很大得空间用来拉出管束检修。而板式换热器只需要松开夹紧螺杆，即可在原空间范围内100%地接触倒换热板的表面，且拆装很方便。 四、随机应变
由于换热板容易拆卸，通过调节换热板的数目或者变更流程就可以得到最合适的传热效果和容量。只要利用换热器中间架，换热板部件就可有多种独特的机能。这样就为用户提供了随时可变更处理量和改变传热系数K值或者增加新机能的可能。 五、有利于低温热源的利用
由于两种介质几乎是全逆流流动 ，以及高的传热效果，板式换热器两种介质的最小温差可达到1oC。用它来回收低温余热或利用低温热源都是最理想的设备。 六、阻力损失少
在相同传热系数的条件下，板式换热器通过合理的选择流速，阻力损失可控制在管壳式换热器的1/3范围内。 七、热损失小
因结构紧凑和体积小，换热器的外表面积也很小，因而热损失也很小，通常设备不再需要保温。 八、冷却水量小
板式换热器由于其流道的几何形状所致，以及二种液体都又很高的热效率，故可使冷却水用量大为降低。反过来又降低了管道，阀门和泵的安装费用。 九、投资效率低
在相同传热量的前提下，板式换热器与管壳式换热器相比较，由于换热面积，占地面积，流体阻力，冷却水用量等项目数值的减少，使得设备投资、基建投资、动力消耗等费用大大降低，特别是当需要采用昂贵的材料时，由于效率高和板材薄，设备更显经济。
常用的垫片材料料
材料名称 丁晴橡胶(NBR) 丁基橡胶(RCB) 乙丙橡胶(EPDM) 维通(Viton) 硅橡胶 海帕纶(CSM) 丁苯橡胶(SBR) 氟塑料 氯丁橡胶 石棉(Caf) 耐温(℃) 适用介质 130-140 食品果汁,油,碱,甲醇,洗涤剂 140 150 180 175 100 177 100 有机酸、无机酸、浓碱液 酸、碱、酮溶液,醇类 浓酸、有机溶剂、酒精 食品、油、脂肪、酒精 抗氧化剂、油酸 一般非油介质 有机溶剂 矿物油、润滑油 250-260
不同浓度、温度的CL-对金属板的腐蚀
氯离子含量 = 10 ppm = 25 ppm = 50 ppm = 80 ppm = 150 ppm = 300 ppm > 300 ppm 60℃ 304 304 304 316 316 316 Ti 80℃ 304 304 316 316 316 Ti Ti
常用的板片材料
奥氏体不锈钢：AISI 304,304L，AISI 316,316L,316Ti 哈氏合金：Hastelloy C-276,C-22 其他：SMO 254 钛TA1、钛钯合金
板式换热器中常用液体的污垢系数值
液体名称 软化水或蒸馏水 城市用软水 城市用硬水 处理过的冷却水 沿海或港湾水 大洋的海水 河水、运河水 机器夹套水 润滑油 植物油 有机溶剂 水蒸气 污垢系数(℃.m2./W) 0.000009 0.000017 0.000043 0.000034 0.000043 0.000026 0.000043 0.000052 0.000009-0.000043 0.000007-0.000052 0.000009-0.000026 0.000009 120℃ 304 316 316 316 Ti Ti Ti 130℃ 316 316 Ti Ti Ti Ti Ti
不等通道板式换热器在城市集中供热的优缺点
目前，不等通道板式换热器在国内比较流行，其设计思想是两种换热介质的流通截面积不同，适用于冷、热侧处理量不等工况，它是将板片压制成冷、热侧流体通道截面积不等的波纹，处理量小的介质流经窄流道，处理量大的介质流经宽流道。在单流程的情况下，可使冷、热介质在板间流速接近或相等（有人认为当板式换热器的两种介质的板间流速相等时候，更容易提高换热效率，关于这个问题另文探讨），从而达到高效节能的最佳换热效果，节能经济。
这种形式的板式换热器在城市集中供热应用的很普遍，其优点也为人们所认识。城市集中供热一般采用热源大温差小流量，二次循环水采用小温差大流量的策略，此时正好发挥了不等通道板式换热器的优点，减少了动力消耗，提高了换热效率。
但也有一些问题存在，我们都知道，在城市集中供热中，一次侧（热侧）与二次侧（冷侧）的阻力损失要求一般是不同的，一般情况下，一次侧的压降小与二次侧的压降。如果没有充分考虑这个问题，使用不等通道板式换热器，可能造成一定的问题，由于不等通道板式换热器热侧的接口口径一般小于冷侧的接口口径，并且其流通截面小，即使在两侧板间流速相同的情况下，一次侧的压降往往不可接受，导致的结果是，热侧的流速偏小，无法到达理想的换热效果。
这种现象体现在供热主管路给各个子站的热源分配不均，可能致使有的子站热，有的子站不热的现象发生。
因此在采用不等通道板式换热器时候，应该充分考虑一次侧的压降，尤其在热源不足的情况下，往往是谁的一次侧的压降小，谁的供热效果好。
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