板式热交换器-整理

2019-03-11 19:03:00
板式热交换 1. 介绍和原理 板式热交换器是大型空调系统排风能量回收、高温烟气余热回收 和计算机 CPU 散热的重要装置。结构具有真空充液封头和芯体, 真空充液封头设在真空充液通道两侧,其中一侧真空充液封头设 有接管,芯体由真空充液通道和若干个板翅通道间隔叠置而构成。 真空充液通道上下设有隔板, 两侧设有封条, 通道内可设置翅片。 板翅通道上下设有隔板,两侧设有封条,通道内设有翅片。每个 板翅通道由一封条分隔成并列的两个热介质通道和冷介质通道。 组装后整体呈水平倾斜布置或垂直布置。它是由冲压成形的凹凸 不锈钢板组成。两相临板片之间的凹凸纹路成 180 度相对组合, 因此板式热交换器两板片之间的凹凸脊线形成了交错的接触点, 将接触点以真空焊接方式结合后,就形成了板式热交换器的耐高 压交错流通结构,这些交错的流通结构使得板式热交换器内的冷 热流体产生强烈紊流而达到高换热效果。板式热交换器是由一组 波纹金属板组成,板上有四个角孔,供传热的两种液体通过。金 属板片安装在一个侧面有固定板和活动压紧板的框架内,并用夹 紧螺栓夹紧。板片上装有密封垫片,将流体通道密封,并且引导 流体交替地流至各自的流道内,形成热交换。流体的流量,物理 性质,压力降和温度差决定了板片的数量和尺寸。波纹板不仅提 高了湍流程度, 并且形成许多支承点, 足以承受介质间的压力差。 2.板式换热器的特点 (主要是板式换热器与管壳式换热器的比较) 优点: a.传热系数高 由于不同的波纹板相互倒置,构成复杂的流道,使流 体在波纹板间流道内呈旋转三维流动,能在较低的雷诺数(一般 Re=50~200)下产生紊流,所以传热系数高,一般认为是管壳式的 3~5 倍。 b.对数平均温差大,末端温差小 在管壳式换热器中,两种流体分别 在管程和壳程内流动, 总体上是错流流动, 对数平均温差修正系数小, 而板式换热器多是并流或逆流流动方式,其修正系数也通常在 0.95 左右,此外,冷、热流体在板式换热器内的流动平行于换热面、无旁 流,因此使得板式换热器的末端温差小,对水换热可低于 1℃,而管 壳式换热器一般为 5℃. c.占地面积小 板式换热器结构紧凑, 单位体积内的换热面积为管壳 式的 2~5 倍,也不像管壳式那样要预留抽出管束的检修场所,因此实 现同样的换热量,板式换热器占地面积约为管壳式换热器的 1/5~1/10。 d.容易改变换热面积或流程组合,只要增加或减少几张板,即可达到 增加或减少换热面积的目的;改变板片排列或更换几张板片,即可达 到所要求的流程组合,适应新的换热工况,而管壳式换热器的传热面 积几乎不可能增加。 e.重量轻 板式换热器的板片厚度仅为 0.4~0.8mm,而管壳式换热器 的换热管的厚度为 2.0~2.5mm,管壳式的壳体比板式换热器的框架重 得多,板式换热器一般只有管壳式重量的 1/5 左右。 f.价格低 采用相同材料,在相同换热面积下,板式换热器价格比管 壳式约低 40%~60%。 g.制作方便 板式换热器的传热板是采用冲压加工,标准化程度高, 并可大批生产,管壳式换热器一般采用手工制作。 h.容易清洗 框架式板式换热器只要松动压紧螺栓,即可松开板束, 卸下板片进行机械清洗,这对需要经常清洗设备的换热过程十分方 便。 i.热损失小 板式换热器只有传热板的外壳板暴露在大气中, 因此散 热损失可以忽略不计, 也不需要保温措施。 而管壳式换热器热损失大, 需要隔热层。 j.容量较小 是管壳式换热器的 10%~20%。 k.单位长度的压力损失大 由于传热面之间的间隙较小, 传热面上有 凹凸,因此比传统的光滑管的压力损失大。 l.不易结垢 由于内部充分湍动,所以不易结垢,其结垢系数仅为管 壳式换热器的 1/3~1/10. 缺点: a. 易堵塞 由于板片间通道很窄,一般只有 2~5mm,当换热介质含有 较大颗粒或纤维物质时,容易堵塞板间通道。 b. 密封性较差,易漏泄。需常更换垫圈,较麻烦。 c. 使用压力受一定限制,一般不超过 1MPa d. 使用温度受垫圈材料耐温性能的限制。 e. 流道小,不适宜于气一气换热或蒸汽冷凝。 f. 易堵塞,不适用于含悬浮物的流体。 g. 流阻较管壳式为大。 3.板式应用场合 a. 制冷:用作冷凝器和蒸发器。 b. 暖通空调: 配合锅炉使用的中间换热器、 高层建筑中间换热器等。 c. 化学工业: 纯碱工业, 合成氨, 酒精发酵, 树脂合成冷却等。 d. 冶金工业:铝酸盐母液加热或冷却,炼钢工艺冷却等。 e. 机械工业:各种淬火液冷却,减速器润滑油冷却等。 f. 电力工业:高压变压器油冷却,发电机轴承油冷却等。 g. 造纸工业:漂白工艺热回收,加热洗浆液等。 h. 纺织工业:粘胶丝碱水溶液冷却,沸腾硝化纤维冷却等。 i. 食品工业:果汁灭菌冷却,动植物油加热冷却等。 j. 油脂工艺:皂基常压干燥,加热或冷却各种工艺用液。 k. 集中供热:热电厂废热区域供暖,加热洗澡用水。 l. 其他:石油、医药、船舶、海水淡化、地热利用。 4. 板式换热器的整体结构 板式换热器是由冲压成形的凹凸不锈钢板组成, 通常用模具将不锈钢, 工业纯钛等材料的薄板进行压制成槽型或波纹型, 由此增加冷热流体 的接触面积,同时增大板片的刚度, 防止板片受压变形。每个板片的 四角各开有一孔,作为介质的通道口,板片四周以及孔的周围压有密 封垫片槽, 并根据需要在孔的周槽中放置有垫片, 起到允许流体或 阻止流体进入板面之间通道的作用。 基础结构是将数个板片按照换热 要求依次排列在支架上, 并用固定压紧板和活动压紧板由压紧螺杆 压紧, 在相邻的板片间就形成了流体通道, 借助板片四角的孔口与 垫片两侧的通道进行传热。板片的数目可根据需要增减。 换热板片的结构及其功效 板式换热器板片是专门用于板式换热器中用来隔离介质和进行热交 换的板片,是板式换热器的重要组成部分。它的主要材质有不锈钢, 钛及钛钯,合金等。换热板片的波纹形式有:人字形波纹水平波纹, 竖直波纹,斜波纹等。我国生产的板式换热器的板片结构形式, 绝大 多数是以人字形波纹为主, 人字形波纹属于典型的网状流动板型结 构, 包括横向人字形波纹和纵向人字形波纹。 其特点是在板间构成的 流体通道中, 错列地布满了触点, 流体在这些触点间环绕流动形成 螺旋形的前进轨道, 从而产生强烈的扰动,增强了流体的湍流程度。 横向人字形波纹板片具有流体顺畅, 流动阻力很小, 压力降低等特 点。 但其换热系数也要比纵向人字形波纹的板片稍低一些, 因此比 较适用于低流速、 高粘度、 流量比较大的场合。 食品工业中用于制盐, 乳品,酱油,醋的杀菌、冷却,动植物油加热、冷却,啤酒生产中啤 酒、麦芽汁的加热冷却,制糖,明胶浓缩,杀菌、冷却,制造谷氨酸 钠等的换热版类型多此类型。 板式换热器的密封结构 在板式换热器设计中, 板片的整体结构与密封强度有十分密切的关系, 合理的密封结构设计不仅能够提高板片的刚度, 提高板式换热器的耐 压性能,也能保证良好的密封性。密封结构是由板片的密封槽和密封 垫片构成的。密封槽的形状确定了密封垫片在密封槽内的位置,影响 到密封垫片在运行中的稳定性, 也直接关系到密封效果。 合理的密封 槽设计应考虑因数主要有两点: (1)安装后形成支撑点; (2)预留密 封垫插扣位置。 支撑点的主要作用是在板片组装后相邻的板片间形成 紧密的, 交替相间的触点, 用以提高板片的刚性以及产品的承压能力。 使密封垫片在受力,受热的条件下,在设计的位置上不发生位移,并 且基本保持原有的压缩比。 密封垫片也是板式换热器的重要组成部分, 在装配时先用粘接剂将垫片贴牢在板片的密封槽中, 而在孔的周槽中 根据流体流动的需要来放置垫片, 从而起到允许或阻止流体进入板片 之间通道的作用,达到热交换的目的。密封垫片的材料一般有合成橡 胶和石棉橡胶两大类,结构形式有矩形,梯形,五边形和六边形等。 这些都直接影响到板式换热器的密封效果。 5.板式杀菌设备的工作流程 现以超高温瞬时(UHT)板式杀菌装置为例,介绍板式杀菌装置的 工作流程。英国的 APV 公司制造的超高温瞬时板式杀菌装置,采用板 式换热器进行加热杀菌,杀菌温度为 130~150℃,加热时间 0.4~4s, 可以杀灭耐热性芽孢、细菌。 其工作流程为: (1)由就地清洗系统(CIP)自动清洗全机。 (2)原料牛乳自贮乳罐流入平衡槽。 (3)通过泵将原料乳送至热回收段, 与杀菌后的产品进行热交换, 使其温度加热到 85℃,进入温度保持槽内,稳定约 5min,使牛乳对 热产生稳定作用以及除臭。 (4)由泵将牛乳送入均质机进行均质。其后进入第一加热段、第 二加热段进行杀菌。 杀菌加热第一段蒸汽压为 20~30kpa, 加热到 85℃; 第二段蒸汽压为 250~450kpa, 牛奶瞬时可达 135~150℃, 保持 2s 后, 被送至分流阀。 (5)由仪表自动控制的分流阀, 将已达到杀菌温度的产品送到第 一冷却段;将未达到杀菌温度的牛乳送至水冷却器,将其降温后回流 到平衡槽中。 (6)产品乳在第一冷却段再流入热回收段, 在冷水或冰水冷却段 中冷却,使温度降至 4℃流出装罐。 6.板式换热器选型时应注意的问题 ——板型选择 板片型式或波纹式应根据换热场合的实际需要而定。对流量 大允许压降小的情况, 应选用阻力小的板型, 反之选用阻力大的板型。 根据流体压力和温度的情况,确定选择可拆卸式,还是钎焊式。确定 板型时不宜选择单板面积太小的板片,以免板片数量过多,板间流速 偏小,传热系数过低,对较大的换热器更应注意这个问题。 7.应用和研究中存在的问题 迄今为止,板式热交换器的应用和研究中还存在以下问题: (1)要充分发挥板式热交换器换热效果好的优势必须要实现换热、 介质流量和阻力三者之间的良好配合, 但现有产品通常在增大传热系 数 K 的同时,流动阻力的增加更为显著,这将使运行费用增加。传热 系数与压降之间的优化问题尚待解决。 (2)已有板片型式几乎全部针对单项介质的换热开发,对于一侧介 质冷凝或蒸发相变换热的情况, 汽相介质侧通常阻力太大因而难以应 用。 (3)有关板式热交换器换热和流动计算方面,尤其是两相流动和换 热方面可靠的有价值的资料仍相对较少, 现有计算准则式缺乏通用性 且很不完善。这主要是因为: a.板式热交换器与其他热交换器不同,即使同样的波型,几何尺寸相 似时,准则式中各常数也会不同,故只能对每一种板片进行测试与关 联,这使得实验工作量巨大。 b.现有板片专利大都属于国际上几个著名板换制造商, 它们一般不对 外公布自己掌握的研究材料,因此由于缺乏数据,很难对板换的换热 和流动规律做有通用价值的归纳。 (4)国内对新型板片的开发能力总体较弱,国产的板式热交换器大 都是专利权已经失效的人字形波纹等传统结构型式, 我国拥有板式热 交换器的知识产权非常有限,产品型式单一,往往不加区分地应用到 各种场合,造成不必要的浪费。 (5)板式热交换器的优化设计程序有待开发,以帮助针对新的应用 领域设计开发板式热交换器。 (6)适于恶劣环境的新型板式热交换器有待开发。 (7)承压承温能力仍然限制其应用范围进一步扩大,耐温、耐压并 可长期使用的密封垫片尚需进一步开发。 (8)如何评价热交换器的动力性和经济性仍是世界上未能较好解决 的问题,其中经济性是指付出一定代价所获得的收益。热交换器的收 益是传热量(有时用传递的可用能量为系数) 。付出的代价一部分靠 泵功率消耗,另一部分是当有温差传热时的可用能的损失。但是,这 两部分损失并不等价。 8.发展 换热器按照传热表面的形状和结构特点可分为管式换热器, 板式换热 器和其他形式换热器三大类。近年来,伴随着制造技术的快速发展和 换热器结构形式的不断优化, 按照板式换热器板片与板片之间密封方 式可分为有垫片密封和焊接密封两种方式。 垫片密封板式换热器即常 见的可拆板式换热器,它具有换热效率高和易拆洗维护,容易扩容等 优点,但工作压力在 2.5MPa 以下,工作温度也不能超过 250°C。而 焊接密封板式换热器整个板片周围采用焊接方式来形成密封, 可用于 与板材兼容的腐蚀性流体,工作压力范围真空至 20MPa,温度范围达 到 200°C~900°C。大大扩宽了板式加热器的使用领域,已广泛应用 于机械,电力,冶金,化工,轻纺,饮料,城镇供热等行业和领域, 表现出很强的竞争力。 参考文献 【1】 马海乐. 食品机械与设备 〔M〕 . 第二版. 中国农业出版社, 2011, 281 【2】 赵晓文, 苏俊林. 板式换热器的研究现状及进展[J].冶金能源, 2011,30(1). 【3】黄庆军,任俊超,苏是,黄蕾. 中国换热器产业现状及发展趋 势[J].石油和化工设备,2010,13(1):5-8. 【4】板式热交换器与管式热交换器的比较分析 雒亚洲,杨军飞,周 春田 【5】 邵拥军,逯凯霄,张文林. 板式换热器的特点与优化设计[J]. 广 州化工,2012,06:120-122. 【6】 朱海舟. 板式换热器传热板片的波纹结构设计分析[J]. 机械研 究与应用,2014,03:130-132. 【7】王雨,赵臣. 板式换热器的板片结构、组合形式及密封结构[J]. 现代制造工程,2007,01:115-117+97. 【8】王旭. 全焊接板式换热器技术经济性能及应用情况概述. 科技 向导,2010,6:158–159 【9】栾辉宝,陶文铨,朱国庆,陈斌,王崧. 全焊接板式换热器发展综 述[J]. 中国科学:技术科学,2013,09:1020-1033.
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