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广州捷玛换热设备有限公司
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板式换热器的应用及换热特性分析
板式换热器作为一种高效、节能、紧凑、易清洗、易更换、易调整负荷变化、而零部件极少、故障率极低的热工产品,近几年来,广泛应用于化工(化肥、农药、硫酸、磷酸、烧碱、反应加热或冷却)、轻工(杀菌消毒)、石油(加热或冷却)、电力(变压器油冷却)、冶金(各种加热设备外表面的冷却和废热回收)、机械(润滑油冷却)、食品(啤酒、饮料、果汁)、温室养殖以及人们日常生活(生活热水、采暖、制冷)当中。
我国在60年代初期开始研制,而我公司是在板式换热器的设计技术比较成熟的90年代初期投资建成并投产,一次投产两台大吨位压力机,其中一台直到目前仍为国内最大吨位板式换热器专用压力机(行业内公认的);十年来,我们对板式换热器的应用行业进行了大量的摸索、试验和总结,积累了相当的应用和选型经验,发现它的长处和不足。到目前为止,我们还在不断总结、改进和拓展它的应用领域范围,使得它的优异性能充分发挥。
此文意在简单介绍板式换热器的基本换热原理,消除人们的一些偏见认识(如板片的薄厚影响换热性能等),使得应用者对该设备的工作原理有正确的了解,能够用其长、避其短,发挥它的高效作用,确保安全工作,延长使用寿命,降低使用成本。
使用换热器的目的,是使两种流体在不互相混合的情况下进行热交换,将高温流体的热量(热能)迅速、高效(节能)的传递给低温流体,达到人们所需要的降温或者加热或者其他热能应用目的。板式换热器可以使两流体的末端温差缩小达到1℃(而传统的列管换热器大约为5℃),而且两种换热流体的温度可以交叉(列管换热器不可以交叉)。另外,板式换热器的传热系数高,对数平均温差大,占地面积小,重量轻,污垢系数低,清洗方便,可以多种介质换热,容易改变换热面积等等。它的不足之处是工作压力和温度较低,要求换热介质干净无固体颗粒性和纤维性杂质。
从传热学的角度分析,板式换热器的两种流体介质之间换热,经过了五个环节的传热过程,=1\*GB3①热流体与金属板壁表面的传热过程,=2\*GB3②金属板热侧表面污垢的传热,=3\*GB3③金属板自身的热传导过程,=4\*GB3④金属板冷侧表面污垢的传热,=5\*GB3⑤金属板壁冷侧表面与冷流体的传热过程。第=3\*GB3③项金属板自身的热传导性能强弱,用导热系数表示(λ),它是物质自身的固有性能,如下表:
材料名称
铜
铝
黄铜
钢铁
合金钢
水
空气
轻质油
导热系数W/m·℃
372
221
105
53
26.5
0.51
0.02
0.12
第=1\*GB3①、=5\*GB3⑤项除了与两侧流体的自身性能――导热系数(λ)有关以外,主要决定于流动状态(流动速度、与金属接触表面光洁度、对流体的扰动情况等),我们统一用传热系数(α)表示,α的计算比较复杂,一般通过实验室测量确定。
板式换热器的换热过程如图所示:
α1
α1
α2
α2
λ
λ
从该图中可以看出,热流体中心温度t1,金属板两侧表面温度t01,t02,冷流体中心温度t2,每一个温度段之间都有传(导)热系数(α或λ)。那么对于板式换热器整体来说,我们只关心它总的换热效果(换热性能),即从t1到t2这个过程的总换热性能(用总换热系数K来衡量),它是通过下式计算的:
;
式中Rs1和Rs2为板片两侧污垢对传热的影响系数(污垢系数),一般由试验和经验总结所得,在此我们考虑到板式换热器的介质流动速度较大,还有板片的波纹扰动,板片容易清洗等因素,我们不予考虑污垢系数Rs1和Rs2对传热的影响。
δ为板片厚度,λ为板片的导热系数。
对于目前常规板式换热器的人字形波纹和波纹深度,用于水-水换热时,α一般为8000-10000W/m2·℃.
上式中α1和α2均取9000W/m2·℃是比较合理的,那么,对于采用不同厚度的换热板片(材料相同)时,总的换热系数分别计算为:
可见,采用0.4mm和0.7mm的同样不锈钢材料板片时,换热性能可以提高:
但是,材料成本可以减少的比例为:
板式换热器的板片,其目的是为了隔绝两种不能混合的换热介质(尤其是在化工、医药和食品卫生方面,有时两种介质是绝对不能互相渗漏的),采用一定厚度的板片材料,可以避免压制波纹时的局部减薄、使用时介质的腐蚀减薄、具有一定承压强度余
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