板式換熱器傳熱與流動分析

宋清麗(遼寧省本溪市化學(xué)工業(yè)學(xué)校，遼寧 本溪 117000)

當(dāng)今，越來越嚴(yán)重的世界能源危機有力的促進(jìn)了傳熱強化技術(shù)的發(fā)展，為了節(jié)能降耗，減少工業(yè)成本，加快工業(yè)的生產(chǎn)效率，提高工業(yè)的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值，開發(fā)適用于各行工業(yè)作業(yè)過程中所需要的高效能換熱設(shè)備是極其有必要的。因為隨著越來越明顯的能源短缺問題，可利用熱源的溫度越來越低，熱板允許的溫差會逐漸變得更小，這樣一來對換熱技術(shù)和換熱器的性能要求也就更高了。板式換熱器的基本發(fā)展趨勢是提高換熱器的傳熱效率、提高換熱器的結(jié)構(gòu)緊湊性、降低材料消耗，增強換熱器承受高溫、高壓、超低溫以及耐腐蝕的能力，保證換熱器互換性及擴(kuò)大容量的靈活性。

近些年，板式換熱器技術(shù)日漸成熟，它的傳熱效率高、體積較小、重量輕、污垢系數(shù)低、拆卸方便、板片品種多樣性且適用范圍廣，在各行各業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。煉油化工廠的生產(chǎn)中常常會產(chǎn)生出大量溫度稍高的廢水，可應(yīng)用板式換熱器將廢水中的熱量回收；在純堿廠中應(yīng)用換熱器代替噴淋冷凝器不僅能夠減少投資成本，而且還能夠節(jié)約大額的水費和維修費；板式換熱器在化學(xué)工業(yè)中，可以用于加熱、冷卻、蒸發(fā)各種酸、堿、鹽類化學(xué)品；在食品加工工業(yè)中，可利用板式換熱器對食品進(jìn)行加熱、冷卻、殺菌等；板式換熱器也可應(yīng)用于供暖中，如暖氣就是依據(jù)板式換熱器原理所生成一種簡單的板式換熱器；同理，板式換熱器也可用于制藥工業(yè)中，在藥品加工過程中對藥物進(jìn)行加熱、冷卻、結(jié)晶以及殺菌等；板式換熱器也可用于機械制造工業(yè)中對各種淬火液進(jìn)行冷卻，還能夠冷卻壓力機、工業(yè)母機潤滑油，還可以加熱發(fā)動機用油；除此之外，換熱器在紡織工業(yè)、油脂工業(yè)、電力工業(yè)等等各行業(yè)也都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

1 對板式換熱器傳熱與流動分析和研究

1.1 板式換熱器的工作原理及優(yōu)越性

板式換熱器的換熱性能是依據(jù)熱學(xué)定律：“熱量能夠自主的從溫度高的物體傳給溫度相對較低的物體，但是不能自主的從溫度低的物體傳遞給溫度相對較高的問題”,熱量在存在溫差的兩種物質(zhì)之間進(jìn)行熱傳遞，由于熱傳遞板表面采用特定接觸面結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得板式換熱器的熱傳遞率在百分之九十五以上，即使換熱器中的液體的流速在雷諾準(zhǔn)數(shù)值以下，液體在板片之間做的運動也是空間性運動，這種運動就能夠加速液體的劇烈運動，減少邊界層對熱量傳遞的阻礙，增大熱量傳遞效率。板式換熱器由于其所特有的優(yōu)越性因而被廣泛應(yīng)用。板式換熱器具有傳熱系數(shù)高的特點，其板片所特有的波紋結(jié)構(gòu)能夠使流體即使在小流速的換熱器中產(chǎn)生急流，從而使流體能夠高效率傳遞熱量。板式換熱器的體積小使得它的占地范圍也很小，但是它的傳熱面積大，因為換熱器中的流體的劇烈運動使得換熱器具有極強的傳熱能力。板式換熱器的熱量傳遞主要是通過換熱器中的流體劇烈運動，流體運動過程中就會對換熱器內(nèi)部造成沖洗，因此板式換熱器內(nèi)部不易沉積污垢，使得板式換熱器具有一定的自我清潔功能。此外，板式換熱器質(zhì)量輕便于安裝而且價格低，所以被廣泛應(yīng)用于各工業(yè)生產(chǎn)中。

1.2 板式換熱器的熱傳遞與流體流動

板式換熱器中流體間熱傳遞的熱量交換通常都是通過流體的對流方式交換熱量或者改變流體形態(tài)方式交換熱量以及通過換熱器的板片導(dǎo)熱來進(jìn)行的。

1.2.1 對流方式板式換熱器中的對向流體交換熱量方式是指導(dǎo)熱介質(zhì)都是液體的熱量傳遞方式。對流換熱的傳熱過程就是液體把熱量傳遞給板片，或者板片把熱量傳遞給液體的熱量傳遞過程，這種熱傳遞方式主要是通過液體的運動以及液體間熱量傳遞來進(jìn)行的，因此這種熱量傳遞方式的傳熱效率與液體的運動狀況相關(guān)聯(lián)。對流導(dǎo)熱方式分為自然對流熱傳遞和強制對流熱傳遞兩種方式，自然對流熱傳遞是依據(jù)液體間不同位置溫度不同所產(chǎn)生的的溫度差而使得液體間進(jìn)行熱量交換的熱傳遞；強制對流換熱是液體在機械外力對其做功的情況下所產(chǎn)生的流動時引起的熱量傳遞，通過泵的作用力下液體在板式換熱器中流動時的熱傳遞都屬于強制對流換熱。一般情況來說，板式換熱器中液體在外力作用下的流動流速都會大大超過流體自然流動時的流速，所以強制換熱方式的傳熱性能以及傳熱效率都會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出自然換熱方式時的傳熱性能和傳熱效率。影響對流熱傳遞的因素具有多樣性的，如換熱期中液體的粘稠度、液體的密度、液體的導(dǎo)熱性能等，也與板式換熱器中板片的大小、形狀等有關(guān)。

1.2.2 形態(tài)改變方式在對流熱傳遞中液體蒸發(fā)所形成的蒸汽發(fā)生冷卻凝結(jié)或者液體出現(xiàn)沸騰這種現(xiàn)象的過程，通過改變液體形態(tài)來進(jìn)行熱傳遞的方式也被稱為相變熱傳遞。這種熱傳遞方式分為凝結(jié)熱傳遞和沸騰熱傳遞。當(dāng)變?yōu)檎羝螒B(tài)的液體和此環(huán)境下溫度低于蒸汽的板片表面接觸時，蒸汽就會在板片上發(fā)生冷卻凝結(jié)，這時蒸汽就會釋放自身熱量而冷卻成液體形態(tài)，冷卻形成液體則成為新的熱傳遞介質(zhì)。在這個熱量傳遞過程中，蒸汽的流動速度會對換熱器的熱量傳遞效率具有一定影響，因為在蒸汽運動的過程中，蒸汽與液體表面層之間會有一定的相互間作用力，這種作用力在蒸汽和液體流動方向相同時，會使液體表面的液膜逐漸變薄，能夠增強熱傳遞效率。而當(dāng)蒸汽與液體表面的流動方向相反時，二者之間的作用力則會阻礙表面液體的流動，這時就會阻礙液體間的相對流動速度；換熱期中液體在受熱溫度達(dá)到一定高度的情況下會發(fā)生沸騰或者蒸發(fā)現(xiàn)象，這種換熱方式則稱為沸點換熱。這種換熱方式的有兩種沸騰換熱方式，一種是液體的核心溫度小于同環(huán)境下的飽和溫度所發(fā)生的換熱，還有一種是液體的核心溫度與同環(huán)境下的飽和溫度相同時發(fā)生的換熱。

1.2.3 邊緣體導(dǎo)熱在板式換熱器的換熱工作中，板片和板片表面的污垢層所進(jìn)行的熱傳遞都屬于導(dǎo)熱。板片表面的污垢層傳熱效率較低，傳熱能力比較弱，所以板片表面的污垢層即便厚度極薄，但污垢層的導(dǎo)熱性能依舊很弱。而由于板式換熱器中液體為了能夠高效率熱傳遞進(jìn)行換熱工作，所以液體具有較高的流動速度，這樣就會對板片表面的污垢層進(jìn)行沖刷，這樣不但能夠減少污垢的聚集量，又能夠?qū)Q熱器起到清潔作用，所以板式換熱器中垢層一般都比較薄，換熱器運行時的導(dǎo)熱性能也比較好。

2 結(jié)語

板式換熱器具有高效節(jié)能、結(jié)構(gòu)緊湊、容易清洗拆裝方便、使用壽命長、適應(yīng)性強且不串液等優(yōu)點，板式換熱器作為一種高效緊湊式的換熱器，在其加熱、冷卻、凝結(jié)、蒸發(fā)和熱傳導(dǎo)過程中，與管殼式換熱器相比具有低廉價格和更高傳熱效率的優(yōu)點，因而得到了各個工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。板式換熱器的應(yīng)用不僅能夠起到節(jié)能減耗的作用，而且對工業(yè)生產(chǎn)能夠降低成本，增加工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益，對工業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)具有促進(jìn)作用。

[1]李安軍,宮兵等.板式換熱器板間流體流動與傳熱分析.《甘肅科技》,2013年7月.

[2]趙曉文,蘇俊林.板式換熱器的研究現(xiàn)狀及發(fā)展.《冶金能源》,2011年1月.

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