淺析板式換熱器對流傳熱的影響因素

江蘇遠卓設(shè)備制造有限公司 江蘇 江陰 214408

1 引言

板式換熱器是一種高效節(jié)能設(shè)備，主要通過對流傳熱實現(xiàn)熱交換，具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、經(jīng)濟節(jié)能、壽命長等優(yōu)點，在石油、電力、食品、環(huán)保行業(yè)已有廣泛應(yīng)用。

2 板式換熱器傳熱原理

板式換熱器是將換熱的板片壓緊后制作成一系列平行通道，當流體進人換熱板片之間的通道時，冷熱介質(zhì)會顯現(xiàn)間隔分布，極大提高熱交換器面積，換熱效果能夠顯著增加。在板式換熱器的設(shè)計中，板片之間會設(shè)計密封墊片，能夠?qū)Q熱器內(nèi)部的流體介質(zhì)與外部的大氣間隔開。其主要的組成部分是具有波紋形狀的金屬片，這些金屬片疊裝在一起，薄矩形通道連接板片并完成熱量交換，能夠應(yīng)用于液-液、液-汽等不同場景下的熱交換，這種設(shè)備典型特點為換熱效率高、損失小，而且整體結(jié)構(gòu)簡單緊湊，不會占用太大的面積，安裝使用清洗都十分方便，在各個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。當壓力損失相同時，板式換熱器的傳熱系數(shù)是普通列管式換熱器的4倍左右，能夠?qū)崿F(xiàn)90%以上的熱回收率。

3 板式換熱器對流傳熱的影響因素

3.1 對換熱器的壓降控制 在集中供熱工程中，需要較大的初投資，每一個環(huán)節(jié)都可能造成能量損失，因此要綜合考慮可操作性及經(jīng)濟性的方面，板式換熱器是作為換熱站的主要設(shè)備，其壓力損失是影響換熱站對流傳熱的。結(jié)合相關(guān)工作經(jīng)驗可知，中型集中供熱項目的壓力損失在低于100kPa時，能夠?qū)崿F(xiàn)相對經(jīng)濟合理的效果，可以結(jié)合該條件確定換熱面積，在設(shè)計中一般將板式換熱器的壓力損失設(shè)計為70kPa左右，對于要求壓降較小的工程，也可以將壓力損失設(shè)計為30kPa左右。

3.2 板式換熱器的工作參數(shù) 根據(jù)傳熱學基本公式：Q=KF△tm可知，在對換熱器進行設(shè)計及校核的過程中，板式換熱器的工作參數(shù)將會直接影響到換熱系數(shù)及換熱面積，比如在空調(diào)領(lǐng)域板式換熱器時的換熱面積普遍偏大，主要是由于空調(diào)機組換熱時的△tm較小。(式子中，Q、K、F、△tm分別表示換熱量、換熱系數(shù)、換熱面積和對數(shù)平均溫差)

3.3 板片壓紋 在板式換熱器的原板片上面設(shè)計有美觀、規(guī)則的波紋圖案，在換熱器使用的過程中，這些波紋的存在可以增強流體在流道中的擾動，從而實現(xiàn)增強傳熱的效果。不同型號的換熱器原版片由于設(shè)計思路或工藝條件不同，板片波紋形狀存在區(qū)別，比如人字型紋，最關(guān)鍵的是其波紋夾角，角度大小直接影響壓力損失及傳熱效果，原則上夾角越大，傳熱效果好，相應(yīng)的壓降也會變大。在換熱器設(shè)計時一般會根據(jù)不同要求進行優(yōu)化處理。

4 板式換熱器的凝結(jié)換熱

板式換熱器凝結(jié)傳熱的模式分為珠狀凝結(jié)與膜狀凝結(jié)，凝結(jié)換熱現(xiàn)象是指當蒸汽與低于飽和溫度的壁面接觸時，經(jīng)過汽化之后所產(chǎn)生的熱量 傳遞給固體壁面，同時在固體壁面上凝結(jié)之后而形成液體的過程。根據(jù)凝結(jié)液與壁面浸潤能力的不同可以分兩種，其一是膜狀凝結(jié)，當凝結(jié)液體能夠?qū)⒈诿娼櫟嚼硐霠顟B(tài)時，能夠沿整個壁面形成一層薄膜，這層液體薄膜在重力的作用下會產(chǎn)生流動，凝結(jié)放出的汽化潛熱必須通過液膜，在這種狀態(tài)下，熱珠狀凝結(jié)量傳遞的多少直接受限于液膜厚度。如果凝結(jié)液體不能達到很好的浸潤效果時，就不能形成薄膜，而是在壁面上形成小液珠，水珠會接觸到壁面的部分表面，換熱速率也高于膜狀凝結(jié)。凝結(jié)換熱中，凝結(jié)可能以膜狀凝結(jié)和珠狀凝結(jié)等不同的形式發(fā)生，冷凝物的存在相當于增加了熱阻，會影響到熱量的進一步傳遞的，影響膜狀凝結(jié)換熱的主要因素是層流和湍流膜狀凝結(jié)換熱的實驗關(guān)聯(lián)。

5 板式換熱器的沸騰換熱

沸騰換熱就是指換熱器上面介質(zhì)經(jīng)過加熱之后出現(xiàn)液體沸騰或者汽化之后而吸熱傳熱的過程。這是一個介質(zhì)由液體經(jīng)過吸收熱量之后變?yōu)闅怏w的一個熱能轉(zhuǎn)換過程。在板式換熱器當中由于其介質(zhì)受熱而發(fā)生了沸騰換熱過程屬于有限空間沸騰。流動的液體在受到外力的作用之下而吸熱出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象的情況屬于強迫對流沸騰，流動的液體在垂直的管體內(nèi)出現(xiàn)流動沸騰的情況大致與強迫式對流沸騰是相同的特點。剛剛開始的時候是在低溫環(huán)境之下出現(xiàn)沸騰，在溫度逐漸上升的過程中液體沸騰就會變得愈加劇烈，并且由于沸騰所產(chǎn)生的氣泡也會相應(yīng)逐漸增加，因此隨著溫度的升高就會產(chǎn)生泡狀、環(huán)狀、塊狀等不同形態(tài)的流動沸騰現(xiàn)象。當液體蒸騰完畢以后，就開始進行到了強制換熱階段了。

板式換熱器之所以得到了比較廣泛的推廣與應(yīng)用，其主要原因是由于該換熱設(shè)備效率高、換熱量大、速度快等優(yōu)點。板式換熱器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要是由一些金屬片經(jīng)過密集組合而成的波紋狀，這些波紋的主要功能是用來形成流體通道。板式熱交換器處于工作狀態(tài)的時候，就是將流體通過這些金屬板片在相鄰的兩個一次側(cè)和二次側(cè)之間發(fā)生的熱交換過程。波紋狀流體可以在很大程度上增強金屬板片的剛性，從而可以承受不同大小的壓力，并且同時會在流體內(nèi)部產(chǎn)生紊流現(xiàn)象，這樣有進一步地提高了換熱器的工作效率。紊流還有一個重要功能就是大大縮小了非流動區(qū)域的空間，在很大程度上減少了積垢的出現(xiàn)。板式換熱器通常是用水來加熱的，更加適合于食品行業(yè)。該換熱器在其運行的過程中可以允許過冷水和冷凝水兩種流體同時存在于單個的單元空間當中，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計可以實現(xiàn)換熱器在運行的過程中通過排氣閥所損失的閃蒸蒸汽量自然地減少，省卻了單獨使用冷卻器的步驟。在墊片式的板式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計當中，其金屬板片是通過夾具工具來固定在框架上面的，其板片之間的密封方式就是在各個金屬板片的邊緣位置加入一些比較薄的墊片，其工作方式就是在承壓板和框架板的中間使用固定的螺栓來對金屬板片包進行擠壓。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計的換熱器便于對金屬板片進行清洗，同時也方便通過增減金屬板片的手段來調(diào)節(jié)換熱器的容量，能夠?qū)釕?yīng)力作用和壓力波的突然出現(xiàn)起到較好的防止作用，具有較好的靈活性特點。

6 結(jié)語

板式換熱器對流傳熱受到諸多因素的影響，要想更好的提高傳熱效率，應(yīng)該針對不同的工況和要求，調(diào)節(jié)相關(guān)因素，比如提高傳熱溫差和傳熱板片的熱導(dǎo)率、減小板片厚度及垢層厚度、增加流體的湍動程度等這些措施提高傳熱效率。