板式換熱器性能分析
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(jìn)行分析整理，旨在推進(jìn)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(dá)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(jī)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(cuò)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(jià)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(dú)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(yàn)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(jì)算出整體對流換熱系數(shù)，然后得到努賽爾數(shù)的經(jīng)驗(yàn)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(diǎn)
板式換熱器因其流道的特殊性，也使其自身獨(dú)具特色，也正是這些特點(diǎn)提高了傳熱系數(shù)，降低了傳質(zhì)阻力，強(qiáng)化了傳熱效果，相對于其他形式的換熱器有很多優(yōu)點(diǎn)。以下對板式換熱器的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)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(hù)比較方便等優(yōu)點(diǎn)。與此同時(shí)，板式換熱器的成本價(jià)格較低，能夠?yàn)榇蠖鄶?shù)使用廠家所接受，進(jìn)而應(yīng)用范圍比較廣。一般情況也可達(dá)3000-4000W/m2K，是管殼式換熱器的3-5倍，甚至有些情況下可達(dá)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(diǎn)不差。此外，設(shè)備耐溫可達(dá)180℃，耐壓2MPa，耐腐蝕性較強(qiáng)，在低品位熱能回收方面經(jīng)濟(jì)效益比較大，尤其是它可以通過增加隔板的數(shù)目來實(shí)現(xiàn)多種介質(zhì)換熱。這些優(yōu)點(diǎn)都為板式換熱器贏得了較大市場。
但不可否認(rèn)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(diǎn)。比如，耐高溫和耐壓性并不是很強(qiáng)，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(jìn)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(jìn)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(diǎn)和重點(diǎn)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(shí)驗(yàn)研究及分析，在原有的經(jīng)驗(yàn)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(gè)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(jī)理研究方法對板式換熱器換熱性能和流體阻力進(jìn)行了推斷[1]；采用計(jì)算流體力學(xué)手段對板式換熱器進(jìn)行數(shù)值模擬，與實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合在一起進(jìn)行研究探索，這種方法不僅經(jīng)濟(jì)效益高、成本低、還節(jié)約時(shí)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(jì)
結(jié)合數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)的使用，對換熱器進(jìn)行自動化程度更高的優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(shí)際要求確定目標(biāo)；確定當(dāng)目標(biāo)函數(shù)取最大值或最小值時(shí)，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(jìn)行精簡；利用計(jì)算機(jī)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(qiáng)化傳熱性能，提高傳熱效果。
