淺談板式換熱器的換熱和壓降方式研究

白 瑋

上海艾克森新技術(shù)有限公司，上海 201804

1 板式換熱器簡(jiǎn)介

板式換熱器是由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成的一種新型高效換熱器。板式換熱器和殼管式換熱器相比存在著性能優(yōu)良、價(jià)格低廉等一系列優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于制冷、空調(diào)領(lǐng)域。目前板式換熱器已成為高效、緊湊的換熱設(shè)備，大量地應(yīng)用于工業(yè)中。板式換熱器相對(duì)于殼管式換熱器而言，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）板式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊。在相同的有效傳熱面積下，其重量和占地面積要小的多，單位體積內(nèi)的換熱面積為管殼式換熱器的2～5 倍，實(shí)現(xiàn)同樣的換熱任務(wù)時(shí)，板式換熱器的占地面積約為殼管式換熱器的1/5～1/10；

2）換熱系數(shù)高。板式換熱器的換熱系數(shù)一般認(rèn)為是管殼式換熱器的3～5 倍 ；

3）對(duì)數(shù)平均溫差大。在管殼式換熱器中，兩種流體分別在殼程和管程內(nèi)流動(dòng)，總體上是錯(cuò)流的流動(dòng)方式，所以對(duì)數(shù)平均溫差都應(yīng)采用修正系數(shù)，修正系數(shù)通常較小。流體在板式換熱器內(nèi)的流動(dòng)，總體上是并流或者逆流的流動(dòng)方式，其溫差修正系數(shù)一般大于0.8，通常為0.95；

4）重量輕。板式換熱器的板片厚度為0.6mm～0.8mm，管殼式換熱器的換熱管厚度為2.0mm～2.5mm；管殼式換熱器的殼體比板式換熱器的框架重得多。在完成同樣換熱任務(wù)的情況下，板式換熱器的換熱面積要比殼管式換熱器的小，這就意味著板式換熱器的重量輕，一般為管殼式換熱器的1/5 左右；

5）末端溫差小。管殼式換熱器在殼程中流動(dòng)的流體和換熱面交錯(cuò)并繞流，還存在旁流；而板式換熱器的冷、熱流體在板式換熱器中的流動(dòng)平行于換熱面，且無(wú)旁流。這樣使得板式換熱器的末端溫差很小，對(duì)于水-水換熱可以低于1℃，而管殼式換熱器大約為5℃；

6）污垢系數(shù)小。板式換熱器里流體的劇烈湍動(dòng)，雜質(zhì)不易沉淀；板間通道的流通死區(qū)小；不銹鋼制造的換熱面光滑、且腐蝕附著物少；以及清洗容易，所以板式換熱器的污垢系數(shù)比管殼式換熱器的污垢系數(shù)小得多；

7）可以多介質(zhì)換熱。如果板式換熱器有中間隔板，則可以一臺(tái)設(shè)備進(jìn)行3種或者3種以上（有多個(gè)中間隔板）介質(zhì)的換熱；

8）容易改變換熱面積或者流程組合。只要增加（或者減少）幾張板片，即可以達(dá)到需要增加（或者減少）的換熱面積。板式換熱器所存在的主要問(wèn)題是它的工作壓力和溫度受到結(jié)構(gòu)的限制。

2 板式蒸發(fā)器的換熱和壓降問(wèn)題

板式蒸發(fā)器在理論工況下，按照制冷劑的狀態(tài)，與水的換熱過(guò)程可以分為3個(gè)范圍，兩種情況。在研究板式蒸發(fā)器的換熱和壓降性能時(shí)，可分為單相換熱和兩相換熱兩種情況，而制冷劑過(guò)冷和過(guò)熱的兩種狀態(tài)都可以看作是單相換熱，制冷劑為兩相的時(shí)候就為兩相換熱。

制冷劑在過(guò)冷段和過(guò)熱段時(shí)，可以近似看作是單相液體和單相氣體。根據(jù)水進(jìn)出口狀態(tài)及相關(guān)參數(shù)，可以計(jì)算得到水側(cè)換熱系數(shù)及制冷劑側(cè)的換熱系數(shù)。對(duì)于單相工質(zhì)換熱，可以采用類似水-水單相換熱的模型進(jìn)行擬合，得到具體的關(guān)聯(lián)式系數(shù)即可?；娟P(guān)聯(lián)式為：

2.1 板式蒸發(fā)器已有的管內(nèi)流動(dòng)的蒸發(fā)兩相換熱模型

目前，板式換熱器應(yīng)用于兩相換熱，特別是兩相蒸發(fā)換熱研究較少，并且已有的模型應(yīng)用有很大的局限性，大多是針對(duì)于管內(nèi)流動(dòng)或者豎直壁流動(dòng)的換熱模型，針對(duì)板式蒸發(fā)器的換熱模型很少。

2.2 板式蒸發(fā)器兩相流壓降模型

氣液兩相流動(dòng)時(shí)，由于氣體和液體的密度不同，氣液含量不同以及氣液相互滑動(dòng)，使得流動(dòng)組里除了摩擦壓降，局部壓降以外，還有加速壓降和重力壓降。加速阻力是由于在流動(dòng)過(guò)程中兩相流的密度和素的改變而引起的壓力損失。板式換熱器的通道時(shí)變截面波紋流道，而且兩相流在流動(dòng)中伴隨著受熱或者冷卻，所以加速阻力是存在的。重力阻力是在非水平流道中因高度差引起的阻力損失。板式換熱器的流道為數(shù)值流道，兩相流進(jìn)入和流出板式換熱器存在高度差，所以有阻力損失。但是重力阻力相對(duì)于摩擦阻力和局部阻力很小，所以在本文中也不作考慮。

3 板式冷凝器換熱和壓降問(wèn)題

制冷劑在換熱器中流動(dòng)時(shí)經(jīng)歷了幾種不同的流態(tài)。當(dāng)制冷劑流過(guò)冷凝管時(shí)，由壓縮機(jī)出來(lái)的過(guò)熱蒸汽經(jīng)過(guò)板壁放熱降溫，進(jìn)入兩相區(qū)流動(dòng)。在兩相區(qū)制冷劑繼續(xù)釋放潛熱，在板長(zhǎng)某一位置達(dá)到飽和液體狀態(tài)。若繼續(xù)放熱，則制冷劑進(jìn)入過(guò)冷區(qū)。處于兩相區(qū)的制冷劑在換熱管中處于氣液兩相流動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)制冷劑在管內(nèi)質(zhì)量流速的不同，換熱器內(nèi)制冷劑的流動(dòng)一般可能存在3種流型，即霧狀流、環(huán)狀流和波狀流。在霧狀流段，主要有兩種力在起作用，一種是氣相的慣性力（作用于液膜上的主要破壞力）；另一種是表面張力（主要穩(wěn)定液膜的力），總的受力是兩種力的平衡。對(duì)于環(huán)狀流和波狀流，仍然有兩種力在起作用，氣體慣性力（剪切力）和液膜重力。當(dāng)氣體慣性力占主導(dǎo)地位時(shí)，流型呈環(huán)狀流；而當(dāng)液膜重力占主導(dǎo)地位時(shí)，流型呈波狀流。對(duì)于換熱器部件的仿真模型，為獲得較高的精度，通常需按不同的流型來(lái)建立適當(dāng)?shù)姆匠獭?/p>

對(duì)于氣液兩相流動(dòng)時(shí)，在板式蒸發(fā)其中有過(guò)描述。由于氣體和液體的密度不同，氣液含量不同以及氣液兩相相互滑動(dòng)，使得流動(dòng)組里除了摩擦壓降，局部壓降以外，還有加速壓降和重力壓降。

加速阻力是由于在流動(dòng)過(guò)程中兩相流的密度和素的改變而引起的壓力損失。板式換熱器的通道時(shí)變截面波紋流道，而且兩相流在流動(dòng)中伴隨著受熱或者冷卻，所以加速阻力是存在的。但是在一般情況下，加速阻力與摩擦主力和重力阻力相比較小，只有在高熱負(fù)荷的氣液兩相流中，加速阻力才增大到可與摩擦阻力相比較的程度，在本文中，由于加速阻力很小，所以不考慮。重力阻力是在非水平流道中因高度差引起的阻力損失。板式換熱器的流道為數(shù)值流道，兩相流進(jìn)入和流出板式換熱器存在高度差，所以有阻力損失。

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