關于板式油

李芳全

摘 要：近幾十年來，板式熱交換器作為一種新型高效的熱交換器，獲得了多方面發(fā)展和廣泛應用。板式熱交換器的應用面非常廣，尤其在制酒、食品、醫(yī)藥、飲料合成纖維、化工、造船等工業(yè)領域，更能凸顯其特有的優(yōu)勢。因此，板式換熱器的研究和設計對工業(yè)發(fā)展具有重要的意義。

關鍵詞：板式熱交換器；研究設計；數學模型；平均溫差；計算方法

中圖分類號：TM623 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）14-0001-03

換熱器在節(jié)能技術的改造中發(fā)揮了非常重要的作用，可以體現在以下兩個方面：①整個生產工藝流程使用到大量換熱器，若提高換熱器的工作效率，則能減少大量的能源消耗；②利用換熱器對工業(yè)余熱進行回收，可以顯著提高設備的熱效率。因此，如何開發(fā)新型高效且結構緊湊的換熱器，成為當前換熱器研究的重要方向。

1 板式熱交換器的構造和工作原理

1.1 板式熱交換器的介紹

板式熱交換器的組成包括三個主要部件——壓緊裝置、傳熱板片、密封墊圈以及其他一些部件，如接管、軸承等，如圖1所示。在固定壓緊板上，交替放置一張板片、一個墊圈，然后放置活動壓緊板，并旋緊壓緊螺栓，便構成了一臺板式熱交換器。各傳熱板片按照一定的順序相疊可形成板片間的流道，當冷、熱流體分別在板片兩側各自流道內流動時，可通過傳熱板片來進行熱交換。

1.2 傳熱板片

作為板片熱交換器的一個關鍵元件，傳熱板片的設計須考慮兩個主要因素：

①使流體在低速狀態(tài)下發(fā)生強烈湍流，來強化傳熱。

②提高板片的剛度，能承受較高的壓力。

板片材料有碳鋼、不銹鋼、鋁及其合金、黃銅、蒙乃爾合金、鎳、鉬、鈦等。目前應用最廣的是不銹鋼。

1.3 密封墊圈

為防止發(fā)生流體外漏及兩流體之間內漏，必須使用密封墊圈。密封圈安裝于密封槽中，運行時承受壓力和溫度，且受到工作流體的侵蝕。此外，還要求它經多次拆裝后仍然具有良好的彈性，這一點尤為重要。

1.4 壓緊裝置

壓緊裝置主要包括活動與固定的壓緊板和壓緊螺栓。它的作用是將墊圈壓緊，以便產生足夠的密封力，避免熱交換器在工作時發(fā)生泄漏，通過旋緊螺栓產生壓緊力。

2 流程組合及傳熱、壓降計算

2.1 流程組合

為滿足壓力降和傳熱的要求，對板式熱交換器可以進行多種途徑的流程以及通道數的配置：

①流體的流動可為串聯、并聯（形成純逆流）或是混聯（一種流體是并聯，另一種流體是串聯），如圖2所示，圖中（a）表示串聯，（b）表示并聯，（c）表示混聯；

②流程可為單流程或多流程，但兩流體的流程數可相等或不等；

③兩流體流程中的通道數不一定要求相等。

板式熱交換器內流程與通道的配置方式常以下列數學形式表示：

■

式中：

M1，M2，…，Mi為從固定壓緊板開始，熱流體側流道數相同的流程數；

N1，N2，…，Ni為相應于M1，M2，…，Mi流程中的流道數；

m1，m2，…，mi為從固定壓緊板開始，冷流體側流道數相同的流程數；

n1，n2，·…，ni為相應于m1，m2，…，mi流程中流道數。

2.2 傳熱計算

由于板片的角孔及密封墊片等處并不參與傳熱，板式熱交換器的傳熱面積應是扣除不參與部分后的板片展開面積，即為有效傳熱面積。

平均溫差Δtm的計算是在純逆流情況下，對數平均溫差值Δt乘以修正系數ψ，即：

Δtm=ψΔt（1）

根據傳熱單元數NTU=KF/Wmin及熱流體與冷流體的流程數，即可求得相應的對數平均溫差修正系數ψ值，如圖3所示。

在已知兩側的對流換熱系數和垢阻條件下，仍用以往的常用公式來計算傳熱系數K，即：

■=■+■+r1+r2+■（2）

式中：

δ和λ分別是板片厚與其導熱系數；

r1、r2為板片兩側污垢熱阻。

板式熱交換器放熱的計算基本公式與槽道內或管內對流換熱計算公式是相同的，湍流換熱時為：

Nuf=CRenfPrmf（■）0.14（3）

當流體被加熱時，則m=0.4；流體被冷卻時，則m=0.3。其中C、n值根據板片、流體以及流動類型不同而不同。

在計算板式熱交換器的流道內流體Re值時，所應用的當量直徑de則可以按下式計算：

de=■=■=2 b（4）

式中：

L為板有效寬，mm；

b為板間距，mm。

2.3 壓力損失計算

國內制造廠家對于板式熱交換器在無相變換熱時的壓力降計算常以歐拉數Eu與雷諾數Re之間準則關系式給出的：

Eu=bRed（5）

式中：系數b和指數d根據板式換熱器具體的結構而定，且指數d應為負值。

由于Eu=？駐P/？籽ω2，可求得多程時壓降為：

？駐P=mEu？籽ω2=bRed？籽ω2m（6）

式中：

m為流程數；

ω為工質在流道中的流速，m/s。

2.4 熱力計算程序設計及設計計算

2.4.1 熱力計算程序設計

在進行設計計算時，首先可選定一種板型和板片尺寸，然后選定所用的設計計算方法，并編制相應的計算程序進行計算。計算中應注意到，設所選用的單片傳熱面積為Fp，傳熱總面積為F，則所需傳熱板片數為：

Ne=■（7）

由于兩塊端片是不參加熱交換的，所需的總板片數應為：

Nt1=Ne+2（8）

從流程數m與通道數n的組合來考慮，總板片數Nt也可表達為

Nt2=m1n1+m2n2+1（8）

由式（9）所得結果應等于或略大于式（8）所得結果，這才表明起初所選定的流程數和通道數能達到傳熱的要求。如不滿足，則應重選流程數和通道數，這是計算中所要進行的第一次迭代。第二次迭代是壓降的校核。所求得的流體流速應大致在0.4～0.6 m/s左右，如太大，可能會使壓降不滿足。

2.4.2 板式油—水熱交換器設計計算

設計板式油—水熱交換器。

針對某廠家要求設計一臺板式換熱器，具體要求：將流量為3 t/h的液態(tài)煤油從120 ℃冷卻到40 ℃，冷卻水進口溫度為30 ℃，出口溫度為60 ℃，同時壓降最大不超過0.05 MPa。

下面求解。

①首先確定板型。設選擇淄博泰勒換熱設備有限公司生產的BR1.0型板片，從廠家產品規(guī)格查得，板間距b=4.8 mm，流道寬L=695 mm，板厚為0.8 mm，單片傳熱投影面積是0.9988 m2，傳熱準則關系是Nu=0.091 Re0.73 Prn，而壓降的準則關系式是Eu=42 400 Re-0.545，且當流程數m'≤7時，須乘以校正系數φm，即：

Eu'=Euφm=Eu■。

②確定物性數據：

液態(tài)煤油的定性溫度為：

t1=■=80 ℃

查得液態(tài)煤油在80 ℃下的有關物性數據為：

密度ρ1=781 kg/m3，普朗特數Pr1=14.149，比定壓熱容Cp1=2.28 kJ/（kg·K），導熱系數λ1=0.107 W/（m·K），動力黏度？滋1=6.64×10-4 Pa·s

冷卻水的定性溫度為t2=■=45 ℃

查得冷卻水在45 ℃下的有關物性數據為：

密度ρ2=990.15 kg/m3；

普朗特數Pr2=3.925；

比定壓熱容Cp2=4.174 kJ/（kg·K）；

導熱系數λ2=0.642 W/（m·K）；

動力黏度？滋2=6.0×10-4 Pa·s。

③確定換熱器的傳熱熱流量：

？椎=M1CP1（t1'-t2"）=3 000×2.28×（120-40）=547 200 kJ/h

④確定冷卻水流量：

M2=■=■=4 369.91 kg/h

⑤確定對數平均溫差：

按逆流計算時：

？駐t=■=■=27.9 ℃，

P=ln■=■=0.33

R=ln■=■=2.67

假定流程數m1、m2，液態(tài)煤油m1=7，冷卻水m2=7；

假定通道數n1、n2，液態(tài)煤油n1=2，冷卻水n2=7；

按3程錯流逆流熱交換器，查得修正系數ψ=0.93

所以：

？駐tm=？鬃？駐t=0.93×27.9=25.95 ℃

⑥確定兩側對流傳熱系數h1、h2

據板片生產廠家的準則關聯式Nu=0.091Re0.73Prn；當流體被加熱時，n=0.4；被冷卻時，n=0.3。流道當量直徑mm。

液態(tài)煤油側：

流速？棕1=■=■=0.16 m/s

質量流速G1=？籽1？棕1=781×0.16=124.96 kg/（m2·s）

Re1=■=■=1 806.65

h1=■0.091Re10.73Pr1n

=■×0.091×（18 06.65）0.73×（14.149）0.3

=535.63 W/（m2·K）

冷卻水側

流速？棕2=■=■=0.052 m/s

質量流速G2=？籽2？棕2=990.15×0.052=51.49 kg/（m2·s）

Re2=■=■=823.8

h2=■0.091Re20.73Pr2n

=■×0.091×（823.8）0.73×（3.925）0.3=1 413.87 W/（m2·K）

⑦計算傳熱系數。

查得液態(tài)煤油污垢熱阻r1=2.15×10-4（m2·K）/W；

冷卻水污垢熱阻r2=1.7×10-5（m2·K）/W；

不銹鋼板材導熱系數為？姿=14.4W/（m2·K），則：

K=■

=■

=349.41 W/（m2·K）

⑧所需傳熱面積。

A=■=■=60.35 m2

⑨校核板片數。

由計算傳熱面積確定傳熱板片數

Nt1=■+2=■+2=62.42≈63

由通道數和流程數確定板片數

Nt2=m1n1+m2n2+1=7×2+7×7+1=64

由于Nt2略大于Nt1，傳熱面積能滿足要求。

⑩壓力損失校核。

據板片生產廠家提供的準則關聯式Eu=42 400 Re-0.545，當流程數m'≤7時，應乘以修正系數■。

液態(tài)煤油側：

Eu1=■×42 400 Re1-0.54=■×42 400×（1 806.65）-0.54=711.8

？駐P1=Eu1？籽1？棕12=711.8×781×（0.16）2=14.23 kPa<50 kPa

冷卻水側：

Eu2=■×42 400 Re1-0.54=■×42 400×（823.8）-0.54=1 092.05

？駐P2=Eu2？籽2？棕22=1 092.05×990.15×（0.052）2=2.9 kPa<50 kPa

液態(tài)煤油和冷卻水流過換熱器的壓降均符合要求。

綜上，該板式換熱器符合設計任務的要求。

3 結 語

本文在總結了國內、外換熱器發(fā)展成果的基礎上，對板式熱交換器的設計進行了研究：

①本文對板式熱交換器設計方面的工藝流程進行了簡要闡述。

②分析了板式熱交換器的主要性能和特點，以及根據換熱任務和有關要求選用的適當類型。

③核算熱交換器的傳熱面積和流體阻力。

④確定熱交換器的工藝結構。

參考文獻：

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