提升板式換熱器效果的設(shè)計(jì)探討

O 張 威

（中國石油天然氣有限公司大慶煉化分公司 黑龍江 163000）

提升板式換熱器效果的設(shè)計(jì)探討

O 張 威

（中國石油天然氣有限公司大慶煉化分公司 黑龍江 163000）

板式換熱器在化工行業(yè)的應(yīng)用提升了換熱效率，降低了維修成本，對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)能獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。本文主要是從板式換熱器的結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析了其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，針對相關(guān)問題提出優(yōu)化設(shè)計(jì)。探討的方向包括板式換熱器的常規(guī)設(shè)計(jì)方法、優(yōu)化設(shè)計(jì)以及計(jì)算流體力學(xué)設(shè)計(jì)，尋求高效的設(shè)計(jì)方式來提升板式散熱器的換熱效率。

板式換熱器；結(jié)構(gòu)；傳熱系數(shù)

板式換熱器是化工行業(yè)中的一類重要換熱設(shè)備，具有維修方便、高傳熱效率等特點(diǎn)，其應(yīng)用的范圍也在不斷加大。從其發(fā)展趨勢上看，主要包括兩個方面：加大單片面積和加大單元面積，特別是在應(yīng)用墊片無膠連接技術(shù)后能大大提升了相關(guān)維護(hù)時間。盡管相對于發(fā)達(dá)國家，國內(nèi)板式換熱器的發(fā)展現(xiàn)狀還存在較大差距，但隨著使用的提升、相關(guān)配套材料和技術(shù)發(fā)展，會不斷的縮短差距，實(shí)現(xiàn)超越。

一、板式換熱器的結(jié)構(gòu)分析

板式換熱器的換熱原件主要是采用厚度介于0.5mm到1.0mm之間的金屬板片壓制，材料包括純鈦、不銹鋼等。在板片的壓制上通常需要追求更大的板片剛度、更強(qiáng)的抗變形能力、更大的換熱面積以及更好的流體湍流程度，通常會采取波紋型模具和槽型模具進(jìn)行壓制。為實(shí)現(xiàn)對板間流體的流通進(jìn)行控制的目的，會在板四角打孔，通過在密封墊片槽中添加墊片的方式來進(jìn)行流體的進(jìn)出控制。可在支架上通過壓緊螺栓來對多個板片進(jìn)行固定，主要是通過孔形成的通道來進(jìn)行流體傳輸，實(shí)現(xiàn)換熱目的。由于湍流是高傳熱效率的重要途徑，通過調(diào)節(jié)板片組合使其內(nèi)部形成均勻網(wǎng)狀流而獲得。在其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要是追求高傳熱效率、壓降低、傳熱面積更大等目標(biāo)，同時還需要考慮相關(guān)支點(diǎn)的使用，保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和布置的合理。

從功能方面看，板片包括五個部分，分別是固定部件、支撐部件、密封部件、換熱部件以及導(dǎo)流部件，而其中最重要的就是換熱部件，對其設(shè)計(jì)、選用主要需要考慮的是熱介質(zhì)的種類，從流體力學(xué)和熱傳學(xué)方面進(jìn)行確認(rèn)。在板片的設(shè)計(jì)形式方面存在很多種結(jié)構(gòu)，目前國內(nèi)采用較多的形式為人字形波紋，具體分為橫向人字形波紋（如圖1中的a）和縱向人字形波紋（如圖1中的B），這種結(jié)構(gòu)為網(wǎng)狀流動板型結(jié)構(gòu)，介質(zhì)在通過板片形成的通道時會因鋪滿的接觸點(diǎn)兒形成螺旋狀流動，而形成較大擾動，提升介質(zhì)流動速度的情況下可降低層流底層的厚度，以此來加大了對流換熱效果。相關(guān)實(shí)驗(yàn)資料顯示，選取水為介質(zhì)，在雷諾數(shù)介于20和200之間時，速度在0.2m/s到0.5m/s之間的情況下就能獲得湍流狀態(tài)而提升傳熱系數(shù)。

圖1 人字形波紋

二、板式換熱器的優(yōu)、缺點(diǎn)

1.板式換熱器的優(yōu)點(diǎn)

通過以上的結(jié)構(gòu)分析可以發(fā)現(xiàn)，板式換熱器相對于管殼式換熱器能獲得更好的換熱效果，主要表現(xiàn)在更高的傳熱系數(shù)、更小的溫差、更小的熱損失、更緊湊的結(jié)構(gòu)、更強(qiáng)的適應(yīng)性、更廣泛的用途以及更靈活的操作。

從板式換熱器的組裝模式以及結(jié)構(gòu)方式看，兩板片之間通過的流體介質(zhì)會出現(xiàn)流速和流向的不斷改變，行程的湍流能實(shí)現(xiàn)更好的換熱。傳統(tǒng)管殼式換熱器的總換熱系數(shù)K值通常在1400W/（m3.K）和2790 W/（m3.K）之間，而采取板式換熱器的K值通常能達(dá)到2330 W/（m3.K）到5810 W/（m3.K）之間，更有甚至能實(shí)現(xiàn)6980 W/（m3.K）到8150 W/（m3.K）區(qū)間，實(shí)現(xiàn)了兩到三倍的提升，對于相同的壓力損失，管殼式換熱器傳遞的熱量指能達(dá)到板式換熱器的六分之一。在強(qiáng)湍流效果和高傳熱系數(shù)帶動下，兩次流體之間的溫差較小，通常不超過3度。在熱損失方面，板式換熱器的密封墊和邊緣接觸的是空氣，熱損失通常在百分之一左右，而同樣使用情況下的殼管式換熱器的熱損失為其五倍，且重量為其兩倍。

板片使用較多的是0.8mm厚度的不銹鋼板和4mm的板間距，波紋結(jié)構(gòu)很大程度的提升了換熱面積，單位立方米體內(nèi)獲得的傳熱面積最多可達(dá)到250m2，而其占地面積不到殼管式散熱器的五分之一，更小的體積也節(jié)省了安裝空間。鑒于板片之間更適應(yīng)調(diào)整數(shù)量和排列方式，可針對不同的工藝和產(chǎn)量來對流程組合進(jìn)行對應(yīng)調(diào)整。在板式換熱器的結(jié)構(gòu)中，在機(jī)器橫梁上懸掛著活動壓緊板和傳熱板片，通過對滾動裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)能開啟設(shè)備，清洗過程更為簡單，且可對單片的板片進(jìn)行更換或檢查。鑒于其以上優(yōu)點(diǎn)，在各行業(yè)有著更為廣泛的應(yīng)用。

2.板式換熱器的缺點(diǎn)

當(dāng)板式換熱器適用于2.5Mpa以下的工作壓力時，其密封方式通常采用墊片，墊片有著較長的周邊，由于角孔處不能提供良好的支撐，使其壓緊力不夠而存在隱患。當(dāng)其工作溫度低于250℃時，密封墊片的耐熱溫度直接決定了最高工作溫度。采用橡膠彈性墊片是保證最高工作溫度達(dá)到200℃，而采用壓縮心棉絨墊片則最高能到260℃，但是其較差的彈性使得其承受的壓力更低。另外一個缺點(diǎn)是容易造成堵塞，當(dāng)流通介質(zhì)中的纖維物質(zhì)和大顆粒固體經(jīng)過狹窄的通道時會導(dǎo)致堵塞，針對此類情況，可在入口處增加再生冷卻系統(tǒng)和過濾器的方式來進(jìn)行凈化。

三、板式換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.板式換熱器的常規(guī)設(shè)計(jì)方法

在板式換熱器的設(shè)計(jì)中，核心問題就是設(shè)計(jì)計(jì)算，分為壓力降計(jì)算和傳熱計(jì)算兩個方面。相對于殼管式傳熱器，在低于最高使用壓力的情況下，其設(shè)計(jì)無需考慮強(qiáng)度問題，只是在壓降和傳熱系數(shù)的基礎(chǔ)上對板片數(shù)和總換熱面積進(jìn)行計(jì)算，但這兩個因素又存在一定的交替性和交叉性。通常能得到兩個進(jìn)口和兩個出口溫度之間的三個以及兩側(cè)的流體流量，設(shè)計(jì)過程中需要確定的參數(shù)包括傳熱面積、通道數(shù)和流程的組合、板片尺寸以及板型。

在設(shè)計(jì)過程中需要考慮到的因素主要包括以下幾個方面：板片形成的通道長度、橫截面積，板的間距、直徑及其有效換熱面積；流通介質(zhì)的壓力和溫度范圍；壓降和傳熱的關(guān)聯(lián)式；流通介質(zhì)在平均工作溫度下的粘度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容以及密度等。設(shè)計(jì)的過程中，首先對板片尺寸和板型進(jìn)行選擇，對通道數(shù)和流程數(shù)進(jìn)行假定，計(jì)算物性參數(shù)、雷諾數(shù)、平均溫度從而獲得換熱系數(shù)，以此來確定對應(yīng)的換熱面積后進(jìn)行校核，在校核壓力降。當(dāng)壓力降值超出值過大，就需要對之前參數(shù)進(jìn)行重新假設(shè)后重新計(jì)算。

2.板式換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

板式換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)是在相同條件設(shè)定下，能實(shí)現(xiàn)最好的制定指標(biāo)。這項(xiàng)技術(shù)是在計(jì)算機(jī)技術(shù)和最優(yōu)化數(shù)學(xué)理論的基礎(chǔ)上進(jìn)行的方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，其核心技術(shù)就是計(jì)算機(jī)輔助。在對換熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后能降低10%到20%的投入，是降低成本方面的重要手段。優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程是通過設(shè)定多變量函數(shù)和約束條件，通過調(diào)整變量來使目標(biāo)函數(shù)實(shí)現(xiàn)極值，主要包括目標(biāo)確定、決策變量和約束條件的設(shè)定、建立關(guān)系式、簡化關(guān)系式以及求解幾個過程。

根據(jù)實(shí)際問題來對目標(biāo)進(jìn)行確定，在優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)中通常為其經(jīng)濟(jì)性。決策變量的選擇是使得目標(biāo)函數(shù)獲得極值，確定的約束條件分為不等式約束兩件和等式約束條件兩類，在一定情況下，可能存在沒有約束的最優(yōu)化問題。關(guān)系式的建立是對內(nèi)部過程的描述，符合相關(guān)的輸入和輸出要求，在不同的目標(biāo)下可能獲得不同的量，但總的來說主要是分為未給定和給定兩類。對于未給定的量，通過優(yōu)選可保證實(shí)現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)化。對以上獲得的關(guān)系式進(jìn)行優(yōu)化，使其系統(tǒng)從多變量到少變量轉(zhuǎn)變，在熱交換器的設(shè)計(jì)中，面對的問題通常為約束最優(yōu)化問題，求解個過程包括符合形法、懲罰函數(shù)法、拉格朗日乘子法以及消元法等，最后在通過計(jì)算機(jī)技術(shù)對最優(yōu)化數(shù)學(xué)式進(jìn)行求解。

在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，目標(biāo)函數(shù)會隨著設(shè)計(jì)目的的不同而變化，一般情況下目標(biāo)可包括以下幾個方面：在達(dá)到相同目的的換熱器進(jìn)行維修、操作、折舊和投資情況下進(jìn)行材料、結(jié)構(gòu)以及型式的設(shè)計(jì)，通常會對結(jié)構(gòu)尺寸、壓降和流速有所限制；對運(yùn)行中的換熱器尋求最經(jīng)濟(jì)的余熱回收條件和最經(jīng)濟(jì)的操作條件；對換熱系統(tǒng)或單個換熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)或經(jīng)濟(jì)性評估。當(dāng)目標(biāo)函數(shù)的目的是耗資時，板片的設(shè)計(jì)方面，在雷諾系數(shù)加大的情況下，壓力、流體阻力和耗電都會有所增加，而制造費(fèi)用則相反會減少制造費(fèi)用。

3.板式換熱器的計(jì)算流體力學(xué)設(shè)計(jì)

對于板式換熱器的設(shè)計(jì)，如果采取實(shí)物實(shí)驗(yàn)的方式除了無法進(jìn)行復(fù)雜工況實(shí)驗(yàn)外還會加大成本投入，延長設(shè)計(jì)時間，近年來主要是通過計(jì)算流體力學(xué)（CFD）來模擬，在結(jié)合實(shí)驗(yàn)的模式下能大大提升設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性和效率。最早采用CFD手段來進(jìn)行模擬研究的是英國學(xué)者Patankar于1974年對管殼式熱交換器流阻進(jìn)行計(jì)算。Carla S.Fernandes通過CFD軟件進(jìn)行模擬后建立非牛頓流體模型，對其溫度場和速度場進(jìn)行計(jì)算。國內(nèi)學(xué)者在此方面的研究也取得了一定的成就，過增元等提出的場協(xié)同原理是分析對流換熱過程的一個工具。場協(xié)同原理是指對流換熱強(qiáng)度不僅取決于流體與固體壁面之間的溫差，流動速度和流體熱物理性質(zhì)及輸運(yùn)性質(zhì)，同時還取決于流體速度矢量與熱流矢量的夾角大小。李曉亮采用場協(xié)同原理對人字形板式換熱器進(jìn)行了強(qiáng)化傳熱研究，結(jié)果表明利用場協(xié)同積分余弦值和場協(xié)同匹配性與換熱效果存在相關(guān)性。場協(xié)同理論也可用于指導(dǎo)板式換熱器的設(shè)計(jì)改進(jìn)及對其強(qiáng)化換熱效果進(jìn)行評價。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)得到了長足的進(jìn)步，但是因?yàn)橛绊懸蛩氐姆彪s和種類多的換熱器，使得計(jì)算過程變得更加復(fù)雜，當(dāng)前的設(shè)計(jì)還不夠完善。這需要相關(guān)從業(yè)人員進(jìn)行更多的深入研究，結(jié)合CFD技術(shù)來提升設(shè)計(jì)的檔次，獲得更加優(yōu)化的設(shè)備。

[1]曾和義.方肇洪.U型管地?zé)釗Q熱器中介質(zhì)軸向溫度的數(shù)學(xué)模型[J]山東建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),2002,(1):7-11.

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Design Discussion on the Effct of Promoting Plate Heat Exchanger

Zhang Wei
（Daqing Refining Branch of Chinese Petroleum and Natural Gas Corporation, Hei Longjiang, 163000）

The application of plate heat exchanger in chemical industry promotes the heat exchange efficiency and reduces the maintenance c ost besides, its optimization design can obtain better economic benefit. This article starting from the structure of plate heat exchanger, mainly analyze s its advantages and disadvantages and puts forward optimization design in view of related problems. The discussion direction includes the methods o f conventional design , optimization design and for plate heat exchanger and computational fluid dynamics design for plate heat exchanger, in order t o promote the heat exchange efficiency by seeking the high-efficiency design ways.

plate heat exchanger；structure；heat transfer coefficient

TQ

A

張威（1986～），男，中國石油天然氣有限公司大慶煉化分公司，研究方向：化工過程機(jī)械。