淺析板式換熱器對流傳熱的影響因素

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1 引言

板式換熱器是一種高效節能設備，主要通過對流傳熱實現熱交換，具有傳熱效率高、結構緊湊、經濟節能、壽命長等優點，在石油、電力、食品、環保行業已有廣泛應用。

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，冷熱介質會顯現間隔分布，極大提高熱交換器面積，換熱效果能夠顯著增加。在板式換熱器的設計中，板片之間會設計密封墊片，能夠將換熱器內部的流體介質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，能夠應用于液-液、液-汽等不同場景下的熱交換，這種設備典型特點為換熱效率高、損失小，而且整體結構簡單緊湊，不會占用太大的面積，安裝使用清洗都十分方便，在各個領域都有廣泛的應用。當壓力損失相同時，板式換熱器的傳熱系數是普通列管式換熱器的4倍左右，能夠實現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，每一個環節都可能造成能量損失，因此要綜合考慮可操作性及經濟性的方面，板式換熱器是作為換熱站的主要設備，其壓力損失是影響換熱站對流傳熱的。結合相關工作經驗可知，中型集中供熱項目的壓力損失在低于100kPa時，能夠實現相對經濟合理的效果，可以結合該條件確定換熱面積，在設計中一般將板式換熱器的壓力損失設計為70kPa左右，對于要求壓降較小的工程，也可以將壓力損失設計為30kPa左右。

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

3.3 板片壓紋 在板式換熱器的原板片上面設計有美觀、規則的波紋圖案，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，從而實現增強傳熱的效果。不同型號的換熱器原版片由于設計思路或工藝條件不同，板片波紋形狀存在區別，比如人字型紋，最關鍵的是其波紋夾角，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，相應的壓降也會變大。在換熱器設計時一般會根據不同要求進行優化處理。

4 板式換熱器的凝結換熱

板式換熱器凝結傳熱的模式分為珠狀凝結與膜狀凝結，凝結換熱現象是指當蒸汽與低于飽和溫度的壁面接觸時，經過汽化之后所產生的熱量 傳遞給固體壁面，同時在固體壁面上凝結之后而形成液體的過程。根據凝結液與壁面浸潤能力的不同可以分兩種，其一是膜狀凝結，當凝結液體能夠將壁面浸潤到理想狀態時，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生流動，凝結放出的汽化潛熱必須通過液膜，在這種狀態下，熱珠狀凝結量傳遞的多少直接受限于液膜厚度。如果凝結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。凝結換熱中，凝結可能以膜狀凝結和珠狀凝結等不同的形式發生，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，影響膜狀凝結換熱的主要因素是層流和湍流膜狀凝結換熱的實驗關聯。

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經過加熱之后出現液體沸騰或者汽化之后而吸熱傳熱的過程。這是一個介質由液體經過吸收熱量之后變為氣體的一個熱能轉換過程。在板式換熱器當中由于其介質受熱而發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沸騰現象的情況屬于強迫對流沸騰，流動的液體在垂直的管體內出現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境之下出現沸騰，在溫度逐漸上升的過程中液體沸騰就會變得愈加劇烈，并且由于沸騰所產生的氣泡也會相應逐漸增加，因此隨著溫度的升高就會產生泡狀、環狀、塊狀等不同形態的流動沸騰現象。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用，其主要原因是由于該換熱設備效率高、換熱量大、速度快等優點。板式換熱器的內部結構主要是由一些金屬片經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和二次側之間發生的熱交換過程。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部產生紊流現象，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域的空間，在很大程度上減少了積垢的出現。板式換熱器通常是用水來加熱的，更加適合于食品行業。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，這種結構設計可以實現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構設計當中，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。這種結構設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節換熱器的容量，能夠對熱應力作用和壓力波的突然出現起到較好的防止作用，具有較好的靈活性特點。

6 結語

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，應該針對不同的工況和要求，調節相關因素，比如提高傳熱溫差和傳熱板片的熱導率、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。