板式換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

摘 要：本文從板式換熱器的生產(chǎn)效率的問題進(jìn)行分析，主要針對(duì)其生產(chǎn)效率中的選材、安裝以及傳熱進(jìn)行論述，通過版板式換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)的討論，對(duì)于其安裝方法等工藝性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了論證，期望能夠?qū)Π迨綋Q熱器的發(fā)展具有參考作用。

關(guān)鍵詞：板式換熱器；傳熱系統(tǒng)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TK172 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）29-0283-02

板式換熱器是一種傳熱性能優(yōu)異，高校緊湊的熱能動(dòng)力機(jī)械設(shè)備，在問世之后，由于受到市場(chǎng)的好評(píng)，因此得到了迅速的發(fā)展，在應(yīng)用中不斷提高生產(chǎn)工藝，隨著工廠生產(chǎn)的優(yōu)化，在換熱器的設(shè)計(jì)技術(shù)上也不斷進(jìn)步，能夠滿足生產(chǎn)的需要[1]。

1 換熱器的主要結(jié)構(gòu)

換熱器作為化工廠的重要設(shè)備之一，包含了長(zhǎng)方形的薄金屬，采用支架的夾緊組裝的方式，進(jìn)行了平行排列和組合，經(jīng)過長(zhǎng)方形的薄金屬的構(gòu)成，兩相的鄰半片的邊緣，襯有墊片，壓緊之后，達(dá)到了密封的目的，采用墊片的厚度，對(duì)兩個(gè)板材間的流體通道大小進(jìn)行了調(diào)解，每塊板的4個(gè)角上，開了一個(gè)圓孔，在兩個(gè)圓孔之間，產(chǎn)生了版面上的流道，兩個(gè)圓孔的位置，在相鄰的板上是錯(cuò)開的，分別形成了流體的通道，經(jīng)過冷熱流體交替的方式，通過金屬板片的換熱，每塊金屬板面經(jīng)過沖壓后，形成了凹凸規(guī)則的博文，增加傳熱面積之后，使得流體均勻地流過了板面，促使流體發(fā)生湍動(dòng)，有利于傳熱。

在相同壓力損失情況下，板式換熱器各種板片之間形成薄矩形通道，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高效換熱器。通過板片進(jìn)行熱量交換。比管式換熱器，板式換熱器是其傳熱系數(shù)的3～5倍。從優(yōu)勢(shì)上來說，具有占地面積小、熱損失小的特點(diǎn)，占地面積為管式換熱器的1/3，換熱效率高、液—液、液汽進(jìn)行熱交換的理想設(shè)備。結(jié)構(gòu)緊湊輕巧、熱回收率可高達(dá)90%以上[2]。同時(shí)應(yīng)用上十分廣泛、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

板式換熱器的型式主要有框架式和釬焊式（可拆卸式）兩大類，板片形式主要有瘤形板片、水平平直波紋板和人字形波紋板種。

2 換熱器的應(yīng)用

板式換熱器通過熱量進(jìn)行交換之后，開始進(jìn)行了批量的生產(chǎn)，已經(jīng)擴(kuò)大到民用建筑的集中供熱，在20世紀(jì)70年代，傳熱系數(shù)和流動(dòng)阻力高很多，采用常規(guī)的管殼式的換熱器進(jìn)行比較，在相同的泵動(dòng)消耗功率的前提下，板式換熱器在經(jīng)過輕功、食品、機(jī)械部門的不斷調(diào)試之后，隨著高層建筑中的空調(diào)制冷設(shè)備的更新?lián)Q代，在空調(diào)制冷領(lǐng)域里形成了非常高的聲譽(yù)。

板式換熱器在技術(shù)成熟后，結(jié)構(gòu)緊湊的單位體積設(shè)備提供了總傳熱系數(shù)較高、拆卸方便的品種，適用范圍非常廣泛，單位面積也日益大型化。采用了無(wú)膠鏈接的技術(shù)，使得板式換熱器在維護(hù)和安裝上，節(jié)約了80%，由規(guī)格相當(dāng)?shù)陌迤?，設(shè)計(jì)為兩種不通的波形夾角，在擴(kuò)大應(yīng)用范圍的前提下，能夠滿足不同的壓力降要求的場(chǎng)合。板片材料的多樣化，使用了高鎘鎳合金、不銹鋼、合金材料等，如今還有石墨型的換熱器。

3 換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)上形成的新技術(shù)領(lǐng)域，產(chǎn)生非常好的指標(biāo)。經(jīng)過計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案，在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的重要組成部分的核心技術(shù)基礎(chǔ)上，經(jīng)過實(shí)踐證明，減少投資10%左右，達(dá)到了好的設(shè)計(jì)能夠達(dá)到的目標(biāo)。

板式換熱器依靠密封墊片的方式，在角孔的兩道密封的支撐情況下，得到了足夠的壓緊力，在板式換熱器的最高工作壓力下，以單位面積2.5MPa每立方米的數(shù)值，采用工作壓力和工作溫度適合的狀態(tài)，使得密封墊片能夠承受的溫度完全可以保證工作運(yùn)行的穩(wěn)定。用橡膠片進(jìn)行彈性墊片的工作的時(shí)候，最高的工作溫度可以達(dá)到200℃以上，用壓縮石棉進(jìn)行棉絨墊片的時(shí)候，最高的工作溫度可以達(dá)到260℃，由于石棉絨墊片的彈性非常差，因此工作壓力要相對(duì)較低，國(guó)內(nèi)的板式換熱器的散熱和制造來說，與國(guó)外的差距較大，國(guó)內(nèi)的開發(fā)地只有水平、人字形和斜波紋三種形式，經(jīng)濟(jì)的利用泵的功率和合理的選材，可以提高版式換熱器的傳熱效率[3]。

不同的不銹鋼板片應(yīng)力腐蝕的發(fā)生率較高，選用冷熱介質(zhì)橡膠密封點(diǎn)材質(zhì)的關(guān)鍵，可能由于腐蝕失效導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕、縫隙腐蝕、均勻腐蝕等，由氯離子的產(chǎn)生不會(huì)發(fā)生腐蝕性。要保證密封的性能，保持橡膠密封墊的狀態(tài)下，達(dá)到耐溫的性能，橡膠的密封墊材質(zhì)，在換熱器組裝的時(shí)候，常用的安裝方式為將膠水進(jìn)行板片的密封，卡扣式、粘結(jié)式等，采用換熱器的拆卸的方式，利用邊緣的卡口結(jié)構(gòu)和橡膠密封墊，使用橡膠密封墊，不斷降低密封墊的損壞率，而且在換熱器的組裝的時(shí)候不會(huì)發(fā)生氯離子的板片的腐蝕，使用的方法也較多。

板式換熱器在間壁之間進(jìn)行傳熱的換熱，冷熱液體通過換熱器的板片加以調(diào)整，板片和流體可以進(jìn)行直接的接觸，傳熱的方式為對(duì)流傳熱和熱傳導(dǎo)，提高版式換熱器的傳熱效率，關(guān)鍵是提高對(duì)數(shù)平均溫度差和傳熱系數(shù)，提高系數(shù)之后，同時(shí)還能提高板片的冷熱，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)能夠選用導(dǎo)熱率高的板片，減少污垢層熱阻，減少板片的厚度，有效提高換熱器的傳熱系數(shù)，這些方法都是優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。

4 板式換熱器的傳熱系數(shù)的優(yōu)化

（1）板片的波形包括了平直形、球形等，經(jīng)過多年的研究和實(shí)驗(yàn)，通過提高表面?zhèn)鳠嵯到y(tǒng)，使得正弦的三角形能夠保證流體在較小的流速下，產(chǎn)生了湍流以及波紋的斷面狀態(tài)，在獲得較高的表面的熱系數(shù)的基礎(chǔ)上，采用板片波紋的幾何構(gòu)造的方式，進(jìn)行介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)，在受壓的狀態(tài)下人字形板片表面的傳熱系數(shù)不斷加大，受壓后紋的夾角不斷增大，應(yīng)力分布均勻，形成了較高的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，不斷產(chǎn)生較大的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，板間的流道內(nèi)介質(zhì)的流速不斷增加。

（2）通過對(duì)污垢層的熱阻力的減少，注意水質(zhì)和粘性藥劑，換熱器的熱阻的關(guān)鍵，例如板片的結(jié)垢的厚度大了1mm，而且要容易引起雜物，監(jiān)測(cè)換熱器冷熱兩側(cè)的水質(zhì)，應(yīng)選用藥劑，防止板片結(jié)垢，應(yīng)采用專用的過濾器加以處理，還要選擇沒有粘性的藥劑，如果水中有粘性雜物，傳熱系數(shù)可以降低10%，防止出現(xiàn)供熱介質(zhì)的藥劑添加的狀況，使得換熱器的板片發(fā)生了粘結(jié)。

（3）在相同的工況下，提高對(duì)數(shù)的平均溫度，是采用傳熱的驅(qū)動(dòng)力的原理，將板面的兩側(cè)的流體間的溫差進(jìn)行測(cè)試。對(duì)于各種流動(dòng)的形式，在求出平均溫差的情況下，進(jìn)行面積的平均值的計(jì)算，可以得到換熱器的傳熱量，板式換熱器的流型有順流和逆流等形式，對(duì)數(shù)平均溫差，逆流可以對(duì)數(shù)平均溫差，混合流和順流的情況下，采用接近逆流的混合流型的方法，確保二者的介質(zhì)最小，提高換熱器之后，降低冷測(cè)流體的溫度的同時(shí)，對(duì)熱側(cè)流體的溫度加以提高。

5 關(guān)于板式換熱器的研究進(jìn)展

板式換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)效果是非常好的，這種設(shè)計(jì)的依托是實(shí)驗(yàn)研究，較有代表性的是經(jīng)過對(duì)運(yùn)行狀況的研究，發(fā)現(xiàn)人字形的流阻特性和傳熱特性，通過類比關(guān)系，經(jīng)過幾十年的板式換熱器的研究以及對(duì)波紋傾角的計(jì)算，采用有限擴(kuò)散電流技術(shù)，將人字形的流通的傳熱速率，得到了阻力性能和傳熱性能的定性關(guān)系。板式換熱器的試驗(yàn)，通過試驗(yàn)，對(duì)研究版型的幾何參數(shù)以及板式換熱器的創(chuàng)新版型進(jìn)行影響力的分析，將板式換熱器的數(shù)據(jù)加以論述，得到了一系列傳熱和流阻的綜合關(guān)系式。目前對(duì)板式換熱器進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)的數(shù)值模擬，是將CFD有機(jī)地結(jié)合在一起，這一研究已經(jīng)通過板式換熱器的強(qiáng)化傳熱試驗(yàn)得到了驗(yàn)證，結(jié)果表明利用場(chǎng)協(xié)同積分余弦值的方式，能夠?qū)Q熱效果和匹配性的存在性和相關(guān)性產(chǎn)生一定的影響。

6 結(jié) 語(yǔ)

板式換熱器作為換熱設(shè)備，如今還要進(jìn)一步縮短與國(guó)外同類器材水平先進(jìn)性的差距。因?yàn)槠鋬?yōu)勢(shì)是不僅僅是緊湊，而且非常高效，經(jīng)過試驗(yàn)證明，絕大多數(shù)的工況下，進(jìn)行國(guó)內(nèi)板式換熱器的試驗(yàn)研究，除了高壓和高溫等特殊狀態(tài)下，在板式換熱器的適用范圍內(nèi)，這種設(shè)備無(wú)論是焊接型的換熱器，均可以替代管殼式的換熱器，在應(yīng)用涉及到了工業(yè)領(lǐng)域很多的適用范圍以及特殊的介質(zhì)條件，，在經(jīng)過冷卻、冷凝、加熱之后，能夠比碳鋼換熱器的投資低，因此在板式和管殼式換熱器的競(jìng)爭(zhēng)上較為激烈。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2018-9-2

作者簡(jiǎn)介：陳 鑫（1985-），男，漢族，廣西平南人，助理工程師，本科，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)工作。