板式换热器性能分析

时间:2022-10-07 01:44:54

板式换热器性能分析

摘要:板式换热器自发明至今已有100多年的历史,经过不断演化发展,已经形成一种高效紧凑的换热器。由于其传热系数大、传质阻力小等优势,被广泛地应用于众多领域。近几年来,我国越来越多相关领域的专家意识到板式换热器的重要性,并展开了探索研究。本文就板式换热器的换热性能进行分析整理,旨在推进我国板式换热器在制造和应用领域的发展,尽快到达世界领先水平。

关键词:板式换热器;换热性能;分析研究

引言

板式换热器于60年代开始在我国出现,现在板式换热器作为一种高效换热器,被广泛应用于石油化工、空调制冷、能源工程、机械制造等领域。目前我国也意识到板式换热器在相关行业的重要作用,对板式换热器的研究越来越深入,包括金属薄片的厚度、材质、导热性,使用过程外界环境的影响,金属薄片表面流道的形状,还有传质阻力等等。

1.板式换热器的构造、换热原理和特征

1.1 板式换热器的构造及换热原理

板式换热器是主要由一层一层具有波纹形表面的金属薄板叠加而成,除此之外还包括密封胶垫、压紧板、夹紧螺栓、加紧螺母、上下导杆、前支柱等。金属薄板间流道截面错综复杂,流体沿着板间的狭小流道流动,速度和方向不断改变,极易引发湍流,破坏边界层,减少液膜热阻,提高了传热系数,降低传质阻力,这也是评价板式换热器性能好坏的主要方面。随着板式换热器的广泛应用,板式换热器的形式越来越多样化,表1展示了常见的一些板式换热器的分类情况。

板式换热器的零部件形式种类比较少,内部之间可以通用,这也是其独特的优势。金属板薄片一层一层叠加,板与板之间形成流域,冷热流体按照表面不同波纹形成的流道流通,通过金属板薄片换热。当前最为常见的换热预测经验公式都是先要通过基本的参数测量,包括温度、压力、流量。计算出整体对流换热系数,然后得到努赛尔数的经验公式:Nu=CRenPrm。下面给出了一些常见的板式换热器传热性能的预测公式:

Nu=0.374Re0.668Pr0.333(uf/uw)0.14

适用范围:当量直径为4-10mm,介质为水,流动形式为湍流,流体粘度为10-100kg/(m×s)。

Nu=0.78Re0.5Pr1/3

适用范围:波纹角度为60度的水平波纹板式换热器,雷诺数Re的范围是50-20000.

Nu=0.036Re0.8Pr0.33(uf/uw)0.14 (de/Lp)0.054

适用范围:平直波纹板式换热器,板式换热器长度大于当量直径60倍。

1.2 板式换热器的特点

板式换热器因其流道的特殊性,也使其自身独具特色,也正是这些特点提高了传热系数,降低了传质阻力,强化了传热效果,相对于其他形式的换热器有很多优点。以下对板式换热器的优缺点进行了分析。

板式换热器通常具备热损失小、换热效率高、体积小,质量轻、维护比较方便等优点。与此同时,板式换热器的成本价格较低,能够为大多数使用厂家所接受,进而应用范围比较广。一般情况也可达3000-4000W/m2K,是管壳式换热器的3-5倍,甚至有些情况下可达6000W/m2K。而且板式换热器所用金属板薄片厚度一般是0.6-0.8mm,但换热效果却一点不差。此外,设备耐温可达180℃,耐压2MPa,耐腐蚀性较强,在低品位热能回收方面经济效益比较大,尤其是它可以通过增加隔板的数目来实现多种介质换热。这些优点都为板式换热器赢得了较大市场。

但不可否认的是,由于当前技术和某些条件的限制,板式换热器的使用仍存在一些缺点。比如,耐高温和耐压性并不是很强,对于一些超高温或复杂流体不能使用;由于金属板薄片厚度小,流道狭小,大颗粒物质无法通过等,相信随着研发的不断深入,这些问题必将迎刃而解。

2.板式换热器的应用现状及探究进展

2.1 板式换热器的应用现状

随着板式换热器的广泛应用,近年来,其技术逐渐成熟,我国目前使用比较广泛的板式换热器大都采用人字形金属板薄片。并且,从目前的使用效果来看,人字形波纹金属板薄片在传热特征和流体阻力方面的性能也优于其他两种。

2.2 板式换热器的探究进展

板型参数对换热和流体的影响已经成为这些年来板式换热器的热点和重点问题之一,其中包括对多种板式换热器传热特性和流体阻力数据分析研究;对不同板型的努赛尔数和摩擦系数的实验研究及分析,在原有的经验式基础上加以修正,使其预测的精确度更高;板间镶嵌螺钉之间高度、横纵距离等参数的研究等等。此外,传质阻力大也是影响换热性能的一个重要因素,对于传质阻力的探究范围也越来越广泛,流体流动分布不均会导致换热性能下降,传质阻力增大。

近些年来不少学者还通过局部组合通道内的可视化及传热机理研究方法对板式换热器换热性能和流体阻力进行了推断[1];采用计算流体力学手段对板式换热器进行数值模拟,与实验有机结合在一起进行研究探索,这种方法不仅经济效益高、成本低、还节约时间,为板式换热器的研究开辟了新天地。

2.3 板式换热器换热性能的优化设计

结合数学和计算机的使用,对换热器进行自动化程度更高的优化设计,可以将换热器的投资成本节省10%-20%[2]。一般包括:根据实际要求确定目标;确定当目标函数取最大值或最小值时,变量的约束条件;根据输入值和输出结果,确定变量符合的关系式;将上述关系式进行精简;利用计算机采用最优化数学方法,求出上述关系式中的最优解,可以有效地强化传热性能,提高传热效果。

3.结束语

2010年,我国换热器的市场需求达到了500亿左右[3]。此外在航空航天、电子半导体、风力发电、能源开发等领域也越来越需要更精密化、更科技化、更专业化的换热器,板式换热器作为一种具备众多优点的换热器,将会发挥越来越大的作用,展望板式换热器的未来发展,相信它会有无穷的潜力等待开发。

参考文献:

[1]赵晓文,苏俊林.板式换热器的研究现状及进展[J].冶金能源,2011,30(1).

[2]邵拥军,逯凯霄,张文林.板式换热器的特点与优化设计[J].广州化工,2012,40(6).

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