板式換熱器性能分析

吳洽

摘要：板式換熱器自發(fā)明至今已有100多年的歷史，經(jīng)過不斷演化發(fā)展，已經(jīng)形成一種高效緊湊的換熱器。由于其傳熱系數(shù)大、傳質(zhì)阻力小等優(yōu)勢，被廣泛地應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。近幾年來，我國越來越多相關(guān)領(lǐng)域的專家意識到板式換熱器的重要性，并展開了探索研究。本文就板式換熱器的換熱性能進行分析整理，旨在推進我國板式換熱器在制造和應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，盡快到達世界領(lǐng)先水平。

關(guān)鍵詞：板式換熱器；換熱性能；分析研究

引言

板式換熱器于60年代開始在我國出現(xiàn)，現(xiàn)在板式換熱器作為一種高效換熱器，被廣泛應(yīng)用于石油化工、空調(diào)制冷、能源工程、機械制造等領(lǐng)域。目前我國也意識到板式換熱器在相關(guān)行業(yè)的重要作用，對板式換熱器的研究越來越深入，包括金屬薄片的厚度、材質(zhì)、導(dǎo)熱性，使用過程外界環(huán)境的影響，金屬薄片表面流道的形狀，還有傳質(zhì)阻力等等。

1.板式換熱器的構(gòu)造、換熱原理和特征

1.1 板式換熱器的構(gòu)造及換熱原理

板式換熱器是主要由一層一層具有波紋形表面的金屬薄板疊加而成，除此之外還包括密封膠墊、壓緊板、夾緊螺栓、加緊螺母、上下導(dǎo)桿、前支柱等。金屬薄板間流道截面錯綜復(fù)雜，流體沿著板間的狹小流道流動，速度和方向不斷改變，極易引發(fā)湍流，破壞邊界層，減少液膜熱阻，提高了傳熱系數(shù)，降低傳質(zhì)阻力，這也是評價板式換熱器性能好壞的主要方面。隨著板式換熱器的廣泛應(yīng)用，板式換熱器的形式越來越多樣化，表1展示了常見的一些板式換熱器的分類情況。

板式換熱器的零部件形式種類比較少，內(nèi)部之間可以通用，這也是其獨特的優(yōu)勢。金屬板薄片一層一層疊加，板與板之間形成流域，冷熱流體按照表面不同波紋形成的流道流通，通過金屬板薄片換熱。當(dāng)前最為常見的換熱預(yù)測經(jīng)驗公式都是先要通過基本的參數(shù)測量，包括溫度、壓力、流量。計算出整體對流換熱系數(shù)，然后得到努賽爾數(shù)的經(jīng)驗公式：Nu=CRenPrm。下面給出了一些常見的板式換熱器傳熱性能的預(yù)測公式：

Nu=0.374Re0.668Pr0.333（uf/uw）0.14

適用范圍：當(dāng)量直徑為4-10mm，介質(zhì)為水，流動形式為湍流，流體粘度為10-100kg/（m×s）。

Nu=0.78Re0.5Pr1/3

適用范圍：波紋角度為60度的水平波紋板式換熱器，雷諾數(shù)Re的范圍是50-20000.

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

適用范圍：平直波紋板式換熱器，板式換熱器長度大于當(dāng)量直徑60倍。

1.2 板式換熱器的特點

板式換熱器因其流道的特殊性，也使其自身獨具特色，也正是這些特點提高了傳熱系數(shù)，降低了傳質(zhì)阻力，強化了傳熱效果，相對于其他形式的換熱器有很多優(yōu)點。以下對板式換熱器的優(yōu)缺點進行了分析。

板式換熱器通常具備熱損失小、換熱效率高、體積小，質(zhì)量輕、維護比較方便等優(yōu)點。與此同時，板式換熱器的成本價格較低，能夠為大多數(shù)使用廠家所接受，進而應(yīng)用范圍比較廣。一般情況也可達3000-4000W/m2K，是管殼式換熱器的3-5倍，甚至有些情況下可達6000W/m2K。而且板式換熱器所用金屬板薄片厚度一般是0.6-0.8mm，但換熱效果卻一點不差。此外，設(shè)備耐溫可達180℃，耐壓2MPa，耐腐蝕性較強，在低品位熱能回收方面經(jīng)濟效益比較大，尤其是它可以通過增加隔板的數(shù)目來實現(xiàn)多種介質(zhì)換熱。這些優(yōu)點都為板式換熱器贏得了較大市場。

但不可否認的是，由于當(dāng)前技術(shù)和某些條件的限制，板式換熱器的使用仍存在一些缺點。比如，耐高溫和耐壓性并不是很強，對于一些超高溫或復(fù)雜流體不能使用；由于金屬板薄片厚度小，流道狹小，大顆粒物質(zhì)無法通過等，相信隨著研發(fā)的不斷深入，這些問題必將迎刃而解。

2.板式換熱器的應(yīng)用現(xiàn)狀及探究進展

2.1 板式換熱器的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著板式換熱器的廣泛應(yīng)用，近年來，其技術(shù)逐漸成熟，我國目前使用比較廣泛的板式換熱器大都采用人字形金屬板薄片。并且，從目前的使用效果來看，人字形波紋金屬板薄片在傳熱特征和流體阻力方面的性能也優(yōu)于其他兩種。

2.2 板式換熱器的探究進展

板型參數(shù)對換熱和流體的影響已經(jīng)成為這些年來板式換熱器的熱點和重點問題之一，其中包括對多種板式換熱器傳熱特性和流體阻力數(shù)據(jù)分析研究；對不同板型的努賽爾數(shù)和摩擦系數(shù)的實驗研究及分析，在原有的經(jīng)驗式基礎(chǔ)上加以修正，使其預(yù)測的精確度更高；板間鑲嵌螺釘之間高度、橫縱距離等參數(shù)的研究等等。此外，傳質(zhì)阻力大也是影響換熱性能的一個重要因素，對于傳質(zhì)阻力的探究范圍也越來越廣泛，流體流動分布不均會導(dǎo)致?lián)Q熱性能下降，傳質(zhì)阻力增大。

近些年來不少學(xué)者還通過局部組合通道內(nèi)的可視化及傳熱機理研究方法對板式換熱器換熱性能和流體阻力進行了推斷[1]；采用計算流體力學(xué)手段對板式換熱器進行數(shù)值模擬，與實驗有機結(jié)合在一起進行研究探索，這種方法不僅經(jīng)濟效益高、成本低、還節(jié)約時間，為板式換熱器的研究開辟了新天地。

2.3 板式換熱器換熱性能的優(yōu)化設(shè)計

結(jié)合數(shù)學(xué)和計算機的使用，對換熱器進行自動化程度更高的優(yōu)化設(shè)計，可以將換熱器的投資成本節(jié)省10%-20%[2]。一般包括：根據(jù)實際要求確定目標；確定當(dāng)目標函數(shù)取最大值或最小值時，變量的約束條件；根據(jù)輸入值和輸出結(jié)果，確定變量符合的關(guān)系式；將上述關(guān)系式進行精簡；利用計算機采用最優(yōu)化數(shù)學(xué)方法，求出上述關(guān)系式中的最優(yōu)解，可以有效地強化傳熱性能，提高傳熱效果。

3.結(jié)束語

2010年，我國換熱器的市場需求達到了500億左右[3]。此外在航空航天、電子半導(dǎo)體、風(fēng)力發(fā)電、能源開發(fā)等領(lǐng)域也越來越需要更精密化、更科技化、更專業(yè)化的換熱器，板式換熱器作為一種具備眾多優(yōu)點的換熱器，將會發(fā)揮越來越大的作用，展望板式換熱器的未來發(fā)展，相信它會有無窮的潛力等待開發(fā)。

參考文獻：

[1]趙曉文，蘇俊林.板式換熱器的研究現(xiàn)狀及進展[J].冶金能源，2011，30（1）.

[2]邵擁軍，逯凱霄，張文林.板式換熱器的特點與優(yōu)化設(shè)計[J].廣州化工，2012，40（6）.