板翅式换热器换热性能研究

2022-09-11

目前, 换热器还是进行热量交换的通用工艺设备, 是生产与生活中不可缺少的重要热利用设备, 热量交换性能的优劣对能源的有效利用有重大的影响。为缓和能源紧张的状况, 大力发展节能技术, 已成为当前世界各国工业生产和人民生活中一个重要课题。在当前国际形势下由于人口增加, 生产发展对资源需求的迅速增长, 两次石油危急以及伊拉克战争带来的石油价格大幅上涨, 使得人们对节能技术提出越来越高的要求。合理设计、运转和改进换热设备对节省资金、能源和金属意义重大。

常用的换热器有很多类型, 板翅式换热器是目前国内最先进的换热设备之一。它具有体积小、重量轻、换热效率高、坚固耐用适应性强并可设计成多股流体同时换热等优点。其单位体积换热面积比管壳式换热器大十倍以上.在相同换热量情况下, 其重量不到管壳式换热器的五分之一。它可以用于各种介质的热交换以及有相变的冷凝和蒸发。由于它有众多的优点, 已在空分、石油化工、航空航天、电子、原子能、导弹、车辆、船舶 (燃气轮机) 、动力机械、机床油冷却器、冶金、制冷、空调等领域得到广泛应用, 并在利用热能、回收余热、节约原料、降低成本以及一些特殊用途上取得了显著的经济效益。在此基础上如能对板翅式换热器的性能做进一步的改进, 定会有较大的价值。

1 板翅式换热器强化换热的特点

由于板翅式换热器的翅片结构特殊, 流体在通道中能够形成强烈的紊动, 能使热阻边界层不断破坏, 有效地降低了热阻, 提高了传热效率;另一方面, 板翅式换热器的结构比较紧凑, 单位体积的传热面积, 一般要比列管式换热器热效率大5倍以上, 每一外壳容积为1m 3时, 其传热面积约为160m2。板翅式换热器较轻巧而牢固片很薄, 一般为0.3mm以内, 而由于结构紧凑、体积小, 一般用铝制造, 因而重量很轻, 同时, 由于翅片既是主要的传热表面, 又是两隔板的支撑, 故强度高。板翅式换热器适应性强, 在同一设备内可允许有多种介质换热, 且可用于气与气、气与液、液与液之间的热交换。

结构紧凑, 便于多股流布置, 小温差和大温差换热是板翅式换热器的突出优点。由于它的传热性能高, 因而能够提高能源利用的效率, 降低运行成本, 而且能使设备小型化;但板翅式换热器也有其明显的缺点: (1) 由于存在大量的翅片, 通道比较狭窄, 因而板翅式换热器的流动阻力一般比较大; (2) 板翅式换热器的污垢问题也比较严重。 (3) 板翅式换热器在设计、安装及流道的布置上也比较困难。

目前在工业生产中, 尤其是作为换热器的使用上还没有充分发挥到作用。由于板翅式换热器具有的换热效率高、结构紧凑的优点, 随着生产规模的扩大, 在能源紧缺的情况下, 随着生产技术的现代化及高技术的发展, 对板翅式换热器的性能提出越来越苛刻的要求。如何进行合理的多股流的流道布置克服板翅式换热器的缺点提高换热效率, 同时不造成流动阻力过高等, 将是对板翅式换热器设计要进行改进的关键。

提高板翅式换热器的传热性能可以有两个层次, 第一个层次是增加对流换热系数, 这是传统的强化换热的方法, 这种方法在增大了换热系数的同时, 也明显增大了流动阻力, 而且在很多时候, 是得不偿失的, 也就是说换热器换热性能增加带来的利益还不足以弥补流动阻力增加付出的代价。第二个层次是改善换热器的整体安排它不会明显带来换热器流动阻力的增加这个理论是清华大学过增元教授提出的场协同理论, 也是目前换热器行业中很多学者研究的指导方向。利用这个理论的指导去改善换热器中冷热流体的流道布置, 协同换热器的温差分布, 提高板翅式换热器的效能。通过重新分布换热面积可提高换热器的效能, 当面积分布合适的时候, 可以达到比较高的换热效率, 同时不明显提高换热器的流动阻力。过增元指出, 换热器的传热性能的高低取决于它们的温度场的均匀性即冷热流体温度场协同程度, 而不是取决于流动形式。板翅式换热器换热效率高低的另外一个决定因素就是流体入口流速的均匀性。物流分配的不均匀性是引起其效能下降的主要原因。

2 提高换热器换热性能的方法

真对以上换热器的特点, 要提高换热性能, 应采取以下几种改进方法。

减少初设计的传热面积和重量, 在保证现有换热系数的条件下, 使得换热面积减小, 从而使用的金属或其它材料减少, 设备重量得以减轻。

使换热器在较低的温差下工作, 为使现有的换热器的换热能力增强, 有很多学者多年来一直在研究, 实际上他们也发现了很多强化换热的方法, 比如增大换热温差也可以强化换热, 但是实际操作过程中受生产过程和经济因素等影响, 温差并不能提高, 研究的重点应放为能在较小温差下进行工作, 达到换热要求。

减少换热器的阻力, 以减少换热器运行时的动力消耗, 这是从另一种意义上的强化换热方法, 其目的主要不是为了提高换热系数, 而是希望减少换热器的流动阻力, 使得运行成本降低。

提高换热器的换热能力, 同时使得增加的阻力不至于太大, 这是一种崭新的强化换热的方法, 由于很多的传统强化换热的方法会明显带来流动阻力的大幅增加而很多时候阻力增加的代价是大于换热增加带来的效益的, 因此, 目的是能够在换热系数和流动阻力这两者之间做一个较好的权衡。

3 结语

作为目前国内最先进的换热设备之一的板翅式换热器来说, 最突出优点就是结构紧凑, 便于多股流布置, 换热效率高, 并且质量轻, 强度高。但也正是由于其结果紧凑, 使得流动阻力明显增大。通过增加对流换热系数和改善换热器的整体安排, 从而提高板翅式换热器的传热性能。本文根据其换热特点, 给出了四点提高换热器换热性能的方法。在能源紧缺的推动力下, 板翅式换热器一定会发挥越来越大的作用。

摘要：本文主要介绍了板翅式换热器的强化换热的特点, 从第一个层次增加对流换热系数和第二个层次改善换热器的整体安排两方面着手。根据其特点, 选择提高换热器性能的方法, 可以大大节约原料、降低成本、增加经济效益。

关键词：板翅式换热器,强化换热,场协同理论,性能改进