關(guān)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(yīng)用。板式熱交換器的應(yīng)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(lǐng)域，更能凸顯其特有的優(yōu)勢(shì)。因此，板式換熱器的研究和設(shè)計(jì)對(duì)工業(yè)發(fā)展具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：板式熱交換器；研究設(shè)計(jì)；數(shù)學(xué)模型；平均溫差；計(jì)算方法

中圖分類號(hào)：TM623 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）14-0001-03

換熱器在節(jié)能技術(shù)的改造中發(fā)揮了非常重要的作用，可以體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：①整個(gè)生產(chǎn)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(duì)工業(yè)余熱進(jìn)行回收，可以顯著提高設(shè)備的熱效率。因此，如何開發(fā)新型高效且結(jié)構(gòu)緊湊的換熱器，成為當(dāng)前換熱器研究的重要方向。

1 板式熱交換器的構(gòu)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(gè)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(gè)墊圈，然后放置活動(dòng)壓緊板，并旋緊壓緊螺栓，便構(gòu)成了一臺(tái)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(dāng)冷、熱流體分別在板片兩側(cè)各自流道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，可通過傳熱板片來進(jìn)行熱交換。

1.2 傳熱板片

作為板片熱交換器的一個(gè)關(guān)鍵元件，傳熱板片的設(shè)計(jì)須考慮兩個(gè)主要因素：

①使流體在低速狀態(tài)下發(fā)生強(qiáng)烈湍流，來強(qiáng)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(yīng)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(nèi)漏，必須使用密封墊圈。密封圈安裝于密封槽中，運(yùn)行時(shí)承受壓力和溫度，且受到工作流體的侵蝕。此外，還要求它經(jīng)多次拆裝后仍然具有良好的彈性，這一點(diǎn)尤為重要。

1.4 壓緊裝置

壓緊裝置主要包括活動(dòng)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(chǎn)生足夠的密封力，避免熱交換器在工作時(shí)發(fā)生泄漏，通過旋緊螺栓產(chǎn)生壓緊力。

2 流程組合及傳熱、壓降計(jì)算

2.1 流程組合

為滿足壓力降和傳熱的要求，對(duì)板式熱交換器可以進(jìn)行多種途徑的流程以及通道數(shù)的配置：

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

②流程可為單流程或多流程，但兩流體的流程數(shù)可相等或不等；

③兩流體流程中的通道數(shù)不一定要求相等。

板式熱交換器內(nèi)流程與通道的配置方式常以下列數(shù)學(xué)形式表示：

■

式中：

M1，M2，…，Mi為從固定壓緊板開始，熱流體側(cè)流道數(shù)相同的流程數(shù)；

N1，N2，…，Ni為相應(yīng)于M1，M2，…，Mi流程中的流道數(shù)；

m1，m2，…，mi為從固定壓緊板開始，冷流體側(cè)流道數(shù)相同的流程數(shù)；

n1，n2，·…，ni為相應(yīng)于m1，m2，…，mi流程中流道數(shù)。

2.2 傳熱計(jì)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(yīng)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(jì)算是在純逆流情況下，對(duì)數(shù)平均溫差值Δt乘以修正系數(shù)ψ，即：

Δtm=ψΔt（1）

根據(jù)傳熱單元數(shù)NTU=KF/Wmin及熱流體與冷流體的流程數(shù)，即可求得相應(yīng)的對(duì)數(shù)平均溫差修正系數(shù)ψ值，如圖3所示。

在已知兩側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)和垢阻條件下，仍用以往的常用公式來計(jì)算傳熱系數(shù)K，即：

■=■+■+r1+r2+■（2）

式中：

δ和λ分別是板片厚與其導(dǎo)熱系數(shù)；

r1、r2為板片兩側(cè)污垢熱阻。

板式熱交換器放熱的計(jì)算基本公式與槽道內(nèi)或管內(nèi)對(duì)流換熱計(jì)算公式是相同的，湍流換熱時(shí)為：

Nuf=CRenfPrmf（■）0.14（3）

當(dāng)流體被加熱時(shí)，則m=0.4；流體被冷卻時(shí)，則m=0.3。其中C、n值根據(jù)板片、流體以及流動(dòng)類型不同而不同。

在計(jì)算板式熱交換器的流道內(nèi)流體Re值時(shí)，所應(yīng)用的當(dāng)量直徑de則可以按下式計(jì)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(jì)算

國內(nèi)制造廠家對(duì)于板式熱交換器在無相變換熱時(shí)的壓力降計(jì)算常以歐拉數(shù)Eu與雷諾數(shù)Re之間準(zhǔn)則關(guān)系式給出的：

Eu=bRed（5）

式中：系數(shù)b和指數(shù)d根據(jù)板式換熱器具體的結(jié)構(gòu)而定，且指數(shù)d應(yīng)為負(fù)值。

由于Eu=？駐P/？籽ω2，可求得多程時(shí)壓降為：

？駐P=mEu？籽ω2=bRed？籽ω2m（6）

式中：

m為流程數(shù)；

ω為工質(zhì)在流道中的流速，m/s。

2.4 熱力計(jì)算程序設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)計(jì)算

2.4.1 熱力計(jì)算程序設(shè)計(jì)

在進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，首先可選定一種板型和板片尺寸，然后選定所用的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，并編制相應(yīng)的計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算中應(yīng)注意到，設(shè)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(shù)為：

Ne=■（7）

由于兩塊端片是不參加熱交換的，所需的總板片數(shù)應(yīng)為：

Nt1=Ne+2（8）

從流程數(shù)m與通道數(shù)n的組合來考慮，總板片數(shù)Nt也可表達(dá)為

Nt2=m1n1+m2n2+1（8）

由式（9）所得結(jié)果應(yīng)等于或略大于式（8）所得結(jié)果，這才表明起初所選定的流程數(shù)和通道數(shù)能達(dá)到傳熱的要求。如不滿足，則應(yīng)重選流程數(shù)和通道數(shù)，這是計(jì)算中所要進(jìn)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(yīng)大致在0.4～0.6 m/s左右，如太大，可能會(huì)使壓降不滿足。

2.4.2 板式油—水熱交換器設(shè)計(jì)計(jì)算

設(shè)計(jì)板式油—水熱交換器。

針對(duì)某廠家要求設(shè)計(jì)一臺(tái)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(jìn)口溫度為30 ℃，出口溫度為60 ℃，同時(shí)壓降最大不超過0.05 MPa。

下面求解。

①首先確定板型。設(shè)選擇淄博泰勒換熱設(shè)備有限公司生產(chǎn)的BR1.0型板片，從廠家產(chǎn)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(zhǔn)則關(guān)系是Nu=0.091 Re0.73 Prn，而壓降的準(zhǔn)則關(guān)系式是Eu=42 400 Re-0.545，且當(dāng)流程數(shù)m'≤7時(shí)，須乘以校正系數(shù)φm，即：

Eu'=Euφm=Eu■。

②確定物性數(shù)據(jù)：

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(guān)物性數(shù)據(jù)為：

密度ρ1=781 kg/m3，普朗特?cái)?shù)Pr1=14.149，比定壓熱容Cp1=2.28 kJ/（kg·K），導(dǎo)熱系數(shù)λ1=0.107 W/（m·K），動(dòng)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(guān)物性數(shù)據(jù)為：

密度ρ2=990.15 kg/m3；

普朗特?cái)?shù)Pr2=3.925；

比定壓熱容Cp2=4.174 kJ/（kg·K）；

導(dǎo)熱系數(shù)λ2=0.642 W/（m·K）；

動(dòng)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(duì)數(shù)平均溫差：

按逆流計(jì)算時(shí)：

？駐t=■=■=27.9 ℃，

P=ln■=■=0.33

R=ln■=■=2.67

假定流程數(shù)m1、m2，液態(tài)煤油m1=7，冷卻水m2=7；

假定通道數(shù)n1、n2，液態(tài)煤油n1=2，冷卻水n2=7；

按3程錯(cuò)流逆流熱交換器，查得修正系數(shù)ψ=0.93

所以：

？駐tm=？鬃？駐t=0.93×27.9=25.95 ℃

⑥確定兩側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)h1、h2

據(jù)板片生產(chǎn)廠家的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式Nu=0.091Re0.73Prn；當(dāng)流體被加熱時(shí)，n=0.4；被冷卻時(shí)，n=0.3。流道當(dāng)量直徑mm。

液態(tài)煤油側(cè)：

流速？棕1=■=■=0.16 m/s

質(zhì)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(cè)

流速？棕2=■=■=0.052 m/s

質(zhì)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(jì)算傳熱系數(shù)。

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(dǎo)熱系數(shù)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(shù)。

由計(jì)算傳熱面積確定傳熱板片數(shù)

Nt1=■+2=■+2=62.42≈63

由通道數(shù)和流程數(shù)確定板片數(shù)

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(jù)板片生產(chǎn)廠家提供的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式Eu=42 400 Re-0.545，當(dāng)流程數(shù)m'≤7時(shí)，應(yīng)乘以修正系數(shù)■。

液態(tài)煤油側(cè)：

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(cè)：

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(shè)計(jì)任務(wù)的要求。

3 結(jié) 語

本文在總結(jié)了國內(nèi)、外換熱器發(fā)展成果的基礎(chǔ)上，對(duì)板式熱交換器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究：

①本文對(duì)板式熱交換器設(shè)計(jì)方面的工藝流程進(jìn)行了簡要闡述。

②分析了板式熱交換器的主要性能和特點(diǎn)，以及根據(jù)換熱任務(wù)和有關(guān)要求選用的適當(dāng)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(jié)構(gòu)。

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