（安全技术及工程专业论文）酒窝板换热特性的实验研究.pdf

s u b j e c t ：e x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho fh e a tt r a n s f e ro fh e a t e x c h a n g e r s p e c i a l t y：s a f e t yt e c h n o l o g y a n de n g i n e e r i n g n a m e ：w a n g x i a o x i a i n s t r u c t o r ：j ic h a n g f a a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) w i t ht h er e q u i r e m e n to fm a n u f a c t u r ea n ds c i e n c et e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r s ，t h e t e c h n i q u eo fe n h a n c i n gh e a tt r a n s f e rh a sb e e nd e v e l o p e dg r e a t l y , a n dh a sb e e nw i d e l yu s e di n m a n ya r e a ss u c ha so i l ，c h e m i s t r y , d y n a m i ca n dr e f r i g e r a t i o n ，a n ds oo n i tc a l li m p r o v eh e a t t r a n s f e rp e r f o r m a n c eb yi m p r o v i n gh e a te x c h a n g e r ss t r u c t u r e i ti sn o to n l yas u b j e c tt ob e f i g u r e do u ti nm o d e r ni n d u s t r yb u ta l s oa nu r g e n tt a s ki nn e we n e r g ye x p l o r a t i o na n de n e r g y c o n v e r s a t i o nt od e s i g nn e wh i g h - e f f i c i e n c yh e a te x c h a n g e r sb yr e s e a r c h i n ga l lk i n d so fh e a t t r a n s f e re n h a n c e m e a t t h ep a p e ri sb a s e do ne x p e r i m e n t a lm e a n so fan e wt y p eo fs e l f - d i m p l ed e s i g n e dp l a t e h e a te x c h a n g e r , a n di ts t u d i e st h eh e a tf l o wc h a r a c t e r i s t i c s t h e r ei sad e t a i l e d ，i n - d e p t h a n a l y s i sa n dr e s e a r c hf o rt h ed i m p l ep l a t e ，f r o mt h ep r o d u c t i o no ft h ee x p e r i m e n t a ls t a t i o n t h e r m a ls y s t e m ，h y d r a u l i cs y s t e m , m e a s u r e m e ms y s t e m ，a n dc o n t r o ls y s t e md e s i g n , a n di s a l s oe s t a b l i s ha ne a s yt e s t ，h i g hp r e c i s i o np e r f o r m a n c eo fp l a t eh e a te x c h a n g e re x p e r i m e n t a l d e s k t h r o u g hp r a c t i c e ，i tp r o v i d e s af u r t h e r i m p r o v e m e n t t o t h ec o n s t r u c t i v e r e c o m m e n d a t i o n sw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld e v i c e i nt h i sp a p e r , e x p e r i m e n ta n ds t u d yi sf o rc o m m o np l a t ea n dd i m p l ep l a t e a tt h ef i r s t , t h e r ei sat h e o r e t i c a la n a l y s i sf o rt h et w ow a t e rm e d i u mf o rp l a t eh e a te x c h a n g e rw i t h i nt h e d i f f e r e n tc i r c u m s t a n c e sv e l o c i t yc o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e rp r o b l e m s ，a n dt h e no nt h e e s t a b l i s h e de x p e r i m e n t a ls t a g e ，t h ep a p e rd oam o b i l el a b o r a t o r yt e s t sf o rt h eh e a tt r a n s f e r p e r f o r m a n c eb e t w e e n t h ed i m p l ep l a t eh e a te x c h a n g e ra n dt h ef l a t p l a t eh e a te x c h a n g e rw h i c h e x i s t sc o m m o n l ya n dw i d e l yu s e di nt h ea c t u a lp r o d u c t i o n , a n dt h e ng i v ead a t ac o m p a r i s o n a n de r r o rd a t aa n a l y s i sb e t w e e nt h et w o ，a n dt h e no b t a i n e dt h eo u t l e tt e m p e r a t u r eo fd i m p l e p l a t ea n dt h ep l a t eu n d e rd i f f e r e n ti n l e tt e m p e r a t u r e ，t h ew a l ls u r f a c eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t t h eh e a tt r a n s f e rq u a n t i t yc o r r e l a t i o nc u r v es e p a r a t e l y ，t h u si th a sa n a l y z e dt h eh e a tt r a n s f e r p e r f o r m a n c eo fd i m p l ep l a t e ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ： ( 1 ) i nt h e $ r m ei n l e tt e m p e r a t u r e ，t h eh e a tt r a n s f e ri sc l o s e l yr e l a t e dw i t ht h er e y n o l d s n u m b e r , a n dg e n e r a l l yt h ed i m p l ep l a t eh e a tt r a n s f e rn u m b e ri sm o r et h a nf l a t ，b u tm e a n w h i l e 、析t ht h ep r e s s u r ei n c r e a s i n g ( 2 ) i nt h es a m ei n l e tt e m p e r a t u r e ，w i t hal o w e rv e l o c i t y , t h ee x c h a n g e re f f e c t so ft h e d i m p l ep l a t eh e a ti sn o ts oo b v i o u s a l o n g 、析t l lt h ei n c r e a s i n go fr e y n o l d sn u m b e r , t h ew a l l p l a t eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to fd i m p l ea l s oh a sa l li n c r e a s i n gt r e n d , a tt h es a m et i m et h e t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e n i t si m p o r ta n de x p o r ti ss m a l l e ra n ds m a l l e r i ti sb e c a u s ew i t h t h et o ob i gv e l o c i t y , t h eh e a te x c h a n g e r si nt h ew a t e rt a n k sw i l lt o of a s t ，s ot h et i m ew h i c ht h e h e a te x c h a n g e rc a nu s ei st o os h o r t ，t h e ni ti sn o te n o u g ht oa t t a i nt h er e q u i r e dh e a tt r a n s f e r t e m p e r a t u r e ； ( 3 ) t h r o u g hf u r t h e rc o m p a r i s o nb e t w e e nn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa n de x p e r i m e n t a l r e s u l t s ，t h e np r o v et h ee f f e c t i v e n e s sa n df e a s i b i l i t yo ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nv a l i d a t i o nf o r t h i sn e wt y p eo fp l a t eh e a te x c h a n g e r , a n ds oc a m et ot h ec o n c l u d et h a ts u c had i m p l et ob e c o m p a r e dt of l a tp l a t eh e a te x c h a n g e ri sb e t t e r k e yw o r d s ：h e a te x c h a n g e rd i m p l e dp l a t e h e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 主要符号表 a c p d l h 主要符号表 表面积，m 2 定压比热容，j ( k g k ) 当量直径，m 阻力系数 平均表面传热系数，w ( m 2 k ) 管段长度，m 压差，p a 流体的质量流量，姆s 热力学温度，k 换热量，w 流体的密度，k g m 3 速度，m s 坐标，m 模型常数 湍流脉动动能 湍流脉动动能的耗散率 湍流粘性系数 雷诺数 努赛尔数 w z ， ， v y l 肇t q p “o七占 玑m 要拜技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：王晚霞日期：少彦戽午膏f 5 l i 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：王吃仗 指导教师签名：卅彩髟丝j 町话年牛其| ；b 1 绪论 1 绪论 1 1 选题的背景及研究的实际意义 1 1 1 课题背景 随着能源问题越来越严重和人们对生活工作空间的室内空气质量要求越来越高，使 得空调系统既要创造健康舒适的人居环境又要较少花费能源。全热交换器的使用能够使 空调系统在较少增加能耗甚至不增加能耗的情况下实现大新风量的运行，从而提高室内 空气品质同时达到节能的效果。按工作原理换热器可分为三类：( 1 ) 间壁式换热器一 冷热流体被壁面隔开，热量的传递必须通过壁面进行。如：燃气加热器、冷凝器。( 2 ) 混合式换热器冷热流体直接接触，彼此混合进行换热。如：空调工程中的喷水室、 蒸汽喷射泵。( 3 ) 回热式换热器一它在换热面交替地吸收和放出热量，热流体流过换 热面时换热面温度升高，吸收并储存热量，然后冷流体流过换热面，换热面放出热量加 热冷流体。如：锅炉中回热式空气预热器。板式全热交换器作为全热交换器的一种，具 有热湿交换效率高、没有转动部件等优点，是一种比较理想的能量回收装置。 板式换热器是一种高效、紧凑的换热设备，由于比其它换热设备具有更优异的传热 性能，近几十年来得到了广泛应用和发展。板式换热器是用压制有波纹的薄金属换热板 片叠装而成的一种换热设备，具有传热系数高、结构紧凑、易拆洗等优点，但其流动阻 力比较大【l 2 】。换热器的各板片之间形成许多小流通断面的流道，两种流体通过板片间 的流道进行热量交换。它与常规的壳管式换热器相比，在相同的流动阻力和泵输入功率 情况下，其传热系数要高出一倍左右【3 4 1 。 影响板式换热器传热效果的因素很多，波纹角度，波高，波距是影响板片换热与流 动阻力的三大主要因素【5 6 1 。因此寻求换热，流量和阻力最佳匹配的首要任务就是把三 者的影响及之间的关系搞清楚。但由于波纹板式换热器的流道形状复杂，叠放方式多种 多样，长期以来，其研究只停留在实验和经验基础上，缺乏预见性 7 1 。随着研究的不断 深入和问题本身的复杂化，理论研究受到了限制。实验研究同样也遇到了困难。 由于流体力学n a v i e r - s t o k e s 方程是非线性的，实际问题又比较复杂，因此精确解只 能用于分析流场的某些基本特征和现象，很难用于实际工程l s 】。比如一架飞机在飞行时 压力分布这个实际问题在飞机设计中十分重要，但几乎不可能用解析法得到，长期以来 只能作理论估算，大量问题还是靠风洞实验来解决【9 】。 正是这个原因，实验流体力学得到了很大的发展。实验的研究无疑是比较接近实际 的，但也有不足之处，要实现一个完整的实验过程需要解决一系列复杂的技术问题。对 西安科技大学硕士学位论文 于十分复杂的运动，如板式换热器槽道内结构复杂多变，流动复杂，要想得到它清晰的 流场、压力场及温度场是很困难的，而实验次数总是有限的，尺寸和实验条件的改变困 难大、周期长，所需的费用也很高。因此单凭实验研究也不能完全满足生产实际的需要。 1 1 2 课题研究的实际意义 板式热交换器是一种新型高效的换热设备，它具有传热效率高，结构紧凑，占地面 积小，安装、维修、组合方便等优点，广泛适用于石油、化工、冶金、机械、轻工、食 品、医药、电力、供热等工业部f - i 1 0 1 。在热量交换过程中，必须消耗能量，从而换热器 追求的目标是：如何以最小的功率消耗获得最高的热交换效率。为了达到这一目标，换 热器在设计中采用了各种各样的强化传热形式。 虽然板式换热器传热系数高，但流动阻力大，故寻求换热性能与流动阻力的更加匹 配的换热器一直是板式换热器优化与改进的主要方向。所以针对传统板式换热器的局限 性，开发一种换热与流动更加匹配的新型换热板片具有极大的商业价值和意义。 1 2 本课题研究领域国内外的研究动态和发展趋势 随着新工艺、新技术、新材料的不断发展和日益严重的能源问题，开发新型、高效 换热器成为工业生产领域的当务之急。这是因为换热器在国民经济和工业生产领域中对 产品质量、能量利用率以及系统的经济性和可靠性起着举足轻重的作用。目前在发达的 工业国家热回收率已达9 6 ，换热设备在炼油厂中约占全部工艺设备投资的3 5 0 旷4 0 ， 其中3 0 为各类高效紧凑式换热器、新型热管等设备。随着工业装置的大型化和高效率 化，换热器也趋于大型化，并向低温差设计和低压力损失设计的方向发展。当今换热器 的发展以计算流体力学c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 、模型化技术、传热促进 技术的发展及新型换热器开发等形成了一个高技术系统。 1 2 1 新型高效换热器 ( 1 ) 焊接式板式换热器【1 1 1 2 1 用焊接结构替代橡胶垫密封，全焊式和半焊式板式换热器的出现，消除了由于垫片 材料耐温、耐腐蚀、耐压方面的限制。对于腐蚀介质使用板式换热器，近年来得到很大 发展。德国与日本合作的千代田b a v a r i a 混合焊接板式换热器，操作压力可从真空到 6 m p a ，操作温度2 0 0 9 0 0 ，单台换热面积f 为3 20 0 0 m 2 。可用于气气、气液、液 液的换热和蒸汽的冷凝。 美国v i c a r b 公司在1 9 8 9 年开发c o m p b l o c 焊接式板式换热器，其耐压耐温达 3 2 m p a 和3 0 0 ，单台f 为1 5 - 3 0 0 m ? ，由于克服了因垫片材料而受到温度、压力和介 质的限制，同时操作参数及密封可靠性的提高，在炼油化工中得到推广应用。单台板片 2 1 绪论 数为2 5 5 0 0 ，冷热介质错流排列。 ( 2 ) p a c k i n o x 换热器i l 引 p a c k i n o x 换热器是一种所有部件都焊接且无密封圈的板式换热器。它由压力容器外 壳和传热板束两部分组成。压力容器外壳承受操作介质压力，板束由数百个板片焊接而 成，板片的流道设计呈波纹状人字形排列，相邻板片走向相反，板片间相互交叉的波纹 顶端形成接触点，用以支承冷热介质的压差。这些接触点使各流体在板间交错流动或完 全逆向流动，处于湍流状态，这既保持高的传热效率又产生高剪切力，抑制了板面上污 垢的形成。板束的流道截面可以根据介质性质和操作要求设计成各种当量直径和形状， 板片较薄，一般选用o 3 1 2 r a m 不锈钢( 如s u s 3 2 1 ，3 4 7 和s u s 3 0 4 l ) 或有色金属板 片材质。单板片面积通常在1 0 m ? 以上，单台f 一般大于8 0 0 m 2 ，最大已达1 50 0 0 m 2 。 采用水下爆炸成型，其面积几乎不受限制，爆炸成型的板片表面光滑，板壁厚度均匀， 同时，由于爆炸冲击波的作用消除了相当部分的残余应力，增强了板片的抗腐蚀性能。 由板片焊接组装而成的板束，固定于压力容器壳体内部的支架上，并用波纹膨胀节与壳 体接管连接。 p a c k i n o x 换热器具有如下特点：传热效率高。这是因为冷热两侧流体均有很高的 膜传热系数，一般为管壳式换热器的2 3 倍。流速分布均匀，既无死角，又无旁路，属 纯逆流换热。重量轻，结构紧凑，占地少。压力降小，操作弹性大，无振动。由 于换热过程中处于湍流状态，高剪切力抑制了板面上污垢的形成，结垢倾向远低于管壳 换热器。受压外壳承受介质的压力，即使用于高温高压下操作也非常安全，壳体上没 有设备法兰和管板，消除了连接失效而产生的内外泄漏。壳体上开有人孔，清洗维修 方便。节省了空间，降低了制造成本，减小了企业投资。 p a c k i n o x 换热器自1 9 8 0 年由n o u v e l l e s 应用技术公司发明以来，已于1 9 8 2 年在法 国e l f 石油公司d o n g e s 炼油厂的催化重整装置投入运行，一台p a e k i n o x 换热器可以取 代四台管式换热器，其直径为1 8 m ，长1 3 m ，提供表面积3 0 0 m 2 ，重达到4 5 t ，设计压 力和温度分别为4 4 m p a 和5 3 5 ，其压力差为1 5 5 m p a 。p a c k i n o x 换热器经过近年来 的发展，结构多种多样，应用范围也从催化重整延伸到常减压蒸馏、加氢脱硫、苯乙烯 及合成氨等装置，已适用于低压力损失和对于厚浆迸料必须具备高度的二相流均一分散 要求的场合。由于p a c k i n o x 换热器横向温差小，热回收量增加，从而能解决以前的佛瑟 法和机器故障的发生、化学洗涤法的选择等问题，增加了热回收的经济性和完全逆流， 从而满足了现代石油化工企业对高性能换热设备的要求。 ( 3 ) 薄板型( l a m e l l a ) 换热器【1 4 h 卯 由德国a l f a l a v a l 公司生产的薄板型( l a m e l l a ) 换热器，其每一部件由两个薄 金属片组成，金属片之间用等离子焊接在一起，在边缘形成一长而窄的流动通道，沿金 属片的长度方向有一排凹痕，这些金属片是用凹痕点焊成，利用凹痕可以增加湍流和加 3 西安科技大学硕士学位论文 强薄片强度，以承受很高的操作压力。 薄板型换热器是利用窄的矩形流动通道形成窄条来代替换热器圆柱管，在“管内”， 液体在通道或薄板内纵向流动，而在“壳内”液体在通道间的空间内纵向流动。由于薄板 型换热器无折流板，因此能提供正常的逆向流动，在两板之间的单一纵向流动可以减少 污浊和利用最大许可压力损失。这更适用于对泥浆料和纤维状物料的操作。 薄板型换热器的壳体直径1 2 5 l0 0 0 m m ，其表面积1 10 0 0 m 2 ，最大长度6 m ，最大 操作压力3 5 m p a ，其材料为3 0 4 ，3 1 6 ，3 1 7 不锈钢，耐热耐蚀镍基合金等。薄板型换 热器对低流量液体仍能达到紧凑、轻巧，因此不仅应用于单相流体，而且还可以用于冷 凝和蒸发这样两相流的场合。 ( 4 ) 块式换热器1 1 6 j 块式换热器最早由德国s i 鲥& h o e c h s tc e r a m 技术股份公司发明。它由厚度0 8 m m 的片状材料层叠在一起，然后用热导率为1 2 0 w ( m k ) 的陶瓷材料将其烧结成整体，这 种技术完全象水流经过一样，在烧制陶瓷时，不但将大部分硅渗入碳化硅陶瓷上遗留细 孔，而且完全紧密。通过这种特殊的均匀小孔，能提高耐腐蚀性能和最小灵敏度，并能 在最高温度为2 0 0 的条件下工作。该换热器具有耐高温、耐高浓度、耐氯化、耐氧化 及耐腐蚀的特点，其许用温度可以达到l3 0 叽l4 0 0 ，一般用于超高温和强腐蚀环境 中，并能在骤冷的条件下进行操作。 ( 5 ) 毛细板式换热器【1 7 】 毛细板式换热器是由西德e n k a 公司制造的，它可从平面毛细板中得到传导平面， 例如由聚合磺胺药为毛细直径1 5 m m ，壁厚o 1 m m 且用环氧树脂浇注而成的多层毛细板 叠合所构成，该板间距为2 - 4 r a m ，其特殊的传播平面总数达到7 3 0 m 2 m 了，该换热器用 于从污染物和废气中回收热量的场合，如以水空气介质为例，在板上面热传导系数 为3 7 w ( m 2 k ) ，则0 0 4 6 m ：的细胞核产生3 9 k w 能量的转换。 ( 6 ) 变形翅片管换热器【1 8 】 为了提高翅片管螺旋冷凝蒸发器的效率，俄罗斯推出了一种变形翅片管螺旋冷凝蒸 发器。其方法是将冷压制直翅片管拉过各种直径的定径模具，然后使变形后的翅片表面 成为半封闭腔。在这种翅片表面上，其汽化情况与直翅片的汽化截然不同。汽化过程发 生在翅片表面，而不是象直翅片那样汽泡的生成和逸出都在翅片间隙中出现。由于变形 翅片间隙出口较逸出汽泡直径小，便能维持正常的汽相，从而省去分离相形成分离边界 所需的能量。如此，采用变形翅片管便可以提高单位管子长度上的热函，这样不仅强化 了汽化过程，也扩展了传热面。同时由于形成正常的分离相分离边界，从而缩短了其冷 凝周期。 ( 7 ) s r c t m 空冷式涡轮冷凝器【1 9 j s r c t m 换热器是日本l u m m u s 公司新推出的一种空冷式涡轮冷凝器。它一般用3 4 4 1 绪论 层完全不同的重叠式结构的圆形散片组成，s r c t m 换热器用板材成形，在超扁平片两 侧面焊接有铝制的波纹状散热片，牢固可靠，还可使圆形散热管所产生的管后流死区最 小化，空气流在圆型散热管内流动比直线方式还快，具有高的传热特性和低的压力损失 特性。 s r c t m 换热器的圆型散热管具有以下特点：传热、流动特性优越；没有偏流， 但具有强力的抗冻结性。特殊的扁平单排散热管具有传热促进性能，避免了多排型空气 冷凝器的二相流偏流，解决了由于偏流而引起的性能低下和冻结问题，主要应用于发电 厂，目前应用范围正在迅速扩大。 1 2 2 换热器的技术进展 ( 1 ) 计算流体力学( c f d ) 的发展 传热技术的最新动向是晟初引入的关于热流体分析方面的计算机利用技术，由于计 算机及其软件两方面的迅速发展，对于流体复杂现象的模拟仿真定量成为可能。最近， 关于热流体分析进展已经应用于自然对流、剥离流、振动流、热流传导的直接模拟仿真， 分子水平的传热机理、燃烧、辐射传热、多相流、稠液流等等方面，今后的作用期待在 于促进现象的微细机理的理解，以得到换热器内流体流动的画像处理的新方法等等。 c f d 的大致作用如下：设计的检验和评价；设计模型，设计改进。对于大型装 置的设计，在超过以往的经验和实验范围的领域时，所对应的设计必须使用c f d 。因为 c f d 是性能经验和评价的有效方法。今后，最优化设计的工具一f d 将扩大应用。 ( 2 ) 详细模型化技术 在设计模型、设计改进和设计开发时，采用实验数据和c f d 结果进行相互补充的 研究，国外大学、h t f s ( 热传递和流体应用所) 和h t r i ( 热传递研究公司) 等都立足 于这些观点。对于管壳式换热器领域，壳体侧的流速分布的评价，旁路流密封德拜 ( d e b y e ) 效果的定量评价，壳体侧人口部的流体分布等的使用，还有在空冷式换热器 的领域内，空气侧的流动分析和评价，自然通风时性能分析等应用。 ( 3 ) 传热促进技术的发展 由于低翅片管、空管、带齿管的普遍使用，带来了新的传热促进技术的发展。如利 用在对流、凝缩、沸腾热传导的促进技术所产生的e h d ( 电气流动力学) 效果受到了 极大的关注。所谓e h d 效果即在绝缘性优越的流体( 如氟利昂) 气液界面上当外加高 电压的电极接近时，液体被电极吸引着，由于气液界面的不安定，所以液柱在液面上产 生突起现象。这个技术与以往的传热促进法有所不同，在外部外加能量传热促进时，只 要附加细微的能量，就能得到大的促进效果。该技术可以通过附加能量的调节，以达到 控制促进量的目的。 ( 4 ) 换热器的偏流问题 5 西安科技大学硕士学位论文 由于换热器的大型化，随之低温度差、低压力损失设计的增加，换热器的偏流问题 也明显增加。从而产生了流速分布不均匀、旁路流增加、相分离、局部的高( 低) 流速 或者高( 低) 温度等问题。 这些问题产生的原因如下： 传热性能上的问题：f l 、传热性能和工艺性能的降低；b 、流体固化、冻结、劣化： c 、佛瑟法( f a u s e r ) 循环生长的助长( 化学反应等) 。 机械设计上的问题：a 、软管振动、摩擦；b 、腐蚀的加速、侵蚀；c 、局部的高 ( 低) 温度的材料、机械设计上的问题。 换热器的设计、均一分布的流动模型和壳体侧的流动分析是基于比较简单的流体模 型，可以说是在理想的流体条件前提下计算的。虽然实际的换热器自身结构不复杂，但 流动状态极其复杂，因此在这种程度下不偏流是不可能的。大部分机体对性能的影响比 较小，但大型换热器在低温度差、低压力损失条件下，对其性能的影响不可忽略，设计 时必须仔细的进行研究。 国外研究人员进行长期研究，最近推出的新型换热器p a c k i n o x ，s r c t m ，由于传 热面形状的最优化和传热促进，对于偏流问题从结构上已经得到了很好的解决。 目前世界各国在换热器理论研究、新技术和新产品开发方面已经进入高层次的探索 阶段，涉及领域很广。换热器的新技术得到了实用化，并进一步扩大其适用范围，具有 高效、低耗、性能优越的新型换热器将推广应用，我国应借鉴国外先进换热器技术，努 力赶上国际先进水平【2 0 】。 因此本文酒窝板式换热器的提出相信应该具有划时代的意义。 1 3 板式换热器的工作原理及特点应用 1 3 1 板式换热器的工作原理 板式热交换器是一种新型高效的换热设备，板式换热器由一系列互相平行、具有波 纹表面的薄金属板相叠而成。换热器工作时，冷、热流体在板片两侧各自的流道内流动， 借助于换热器的传热元件进行热量交换而达到加热或冷却任务，以满足生产工艺的要 求。除了作为换热面的金属板片，板式换热器还包括密封垫圈、压紧装置等附属构件。 密封垫圈的作用是防止流体的外漏和两流体之间内漏，它安装于密封槽中，运行中承受 压力和温度，而且受工作流体的侵蚀，因此其性能对于板式换热器的承温承压和使用寿 命有决定性作用；压紧装置包括固定与活动的压紧板及压紧螺栓，其作用是将垫圈压紧， 产生足够密封力，使得热交换器在工作时不发生泄漏【2 。 板式换热器最主要的换热元件就是金属波纹板片。板片按波纹的几何形状区分，有 水平平直波纹、人字形波纹、斜波纹等波纹板片；按流体在板间的流动形貌区分，有管 6 1 绪论 状流动、带状流动、网状流动的板片。时下工业中应用最广泛的波纹板片是人字形波纹 板片和水平平直波纹板片。衡量波纹板片性能优劣，其主要参数有传热效率、流体阻力 和承压能力。一般来说人字形波纹板片的传热效率高、流动阻力大、承压能力好；水平 平直波纹板片，相对于人字形板片，则传热效率、流动阻力、承压能力都低一些。人字 形波纹板片之所以换热效率高、流体阻力大，其根本原因是板间流道截面变化十分复杂， 易引发湍流，同时流体在这种多变的流道中流动( 流道反复扩张、收缩) ，会更多的消 耗能量；而平直波纹板片的流道变化则类似正弦曲线，所以换热系数与流体阻力损失都 较低。 1 3 2 板式换热器的特点 板式换热器与其它类型的换热设备相比有许多优点，主要优点有以下方面瞄】： ( 1 ) 由于冷热流体在传热板狭窄的间隔内流动，不产生短路，压力损失全部用于 有效流动上，因而与管壳式相比在同样压差下具有较高的传热效率，一般其传热系数要 比管壳式高2 4 倍； ( 2 ) 可实现完全或接近于理想的逆流换热，因而有效传热温差要比较大； ( 3 ) 占地面积小，并且不需其他额外的维修场地； ( 4 ) 可以灵活适应生产中热负荷变化的需要，因为传热板片可以随时增加或减少； ( 5 ) 板式换热器在同样的热荷载与材质条件下，要比其他换热器的价格便宜。有 时甚至在相同热荷载条件下，不锈钢的板式换热器比炭钢的其它型式更便宜； ( 6 ) 板式换热器可以方便地在同一个换热器完成两种以上流体之间的换热； ( 7 ) 其主要部件砖热板片是由金属薄板冷压而成，可以不需其他焊接等热加 工，因此许多热加工性能不好的材料也可用来制造板式换热器； ( 8 ) 由于传热板片很薄，一般在0 5 r a m 1 2 r a m 内，因此重量很轻，在相同热荷载 条件下比管壳式要轻2 5 倍； ( 9 ) 由于传热系数高，所以传热温差可以选用得很低，因此很适合于低位能热量 的回收，一般来说在经济有利的条件下，管壳式的热回收率通常只能达到5 0 ，而板式 换热器可以高至9 0 ； ( 1 0 ) 由于流动通道狭窄，介质的滞留量很小，故很适用于热敏性物料的传热；以 及要求温度响应较快的系统； ( 1 1 ) 一方面由于板式换热器可拆开清洗，另一方面由于波形通道内湍流剧烈，相 同条件下其结垢系数要比管壳式小一个级次( 1 6 x 1 0 6 k m 2 w ) ： ( 1 2 ) 由于流体通道板间隔距离很小( 2 6 m m ) ，因此对于高粘度物料也可起到 传热强化作用。 板式换热器同时也存在着很多问题，主要有以下几个方面【2 3 】： ( 1 ) 传热系数k 增大，可使传热效果增加，但通常增大k ，流动阻力也增加，这 7 西安科技大学硕士学位论文 将使运行费用增加，传热系数与压降之间的优选问题尚待解决。在集中供热领域，用户 反应板式换热器的实际出力与设计值相差较大。在标准温度工况下和正常流速范围内， 现有板式换热器在其连续使用期前期一般都能保证设计要求的供热品质；但在后期，由 于污垢的影响，均不能提供设计要求的二次热水参数例，这一问题的产生，究其原因除 了实际运行条件与工程设计条件以及与产品实验条件有较大差异之外，与设备选型中计 算数据取值不当，其中包括目前根本就缺乏必要的设计资料等不无关系【2 5 】； ( 2 ) 承温、承压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； ( 3 ) 在各工作压力下，满足强度要求的板材强度还不能准确计算，尚要进行节省 材料消耗的进一步研究。目前已有这方面的研究成果，但尚未实现工业应用； ( 4 ) 目前国内各厂生产的板式换热器规格尚不统一，要制定统一的标准； ( 5 ) 冷凝型板式换热器尚需开发； ( 6 ) 开发适于恶劣环境的新型板式换热器。 总的来说，我国在板式换热器的制造及应用上与国外的差距较大，国内目前开发的 板片波纹形式只有三种，即水平波纹、人字形波纹和斜波纹，其规格只有十多个，与国 外的差距较大，今后应加强板片结构的研究与开发。同时应对各种板片最佳使用范围进 行系统的试验分析，避免出现一种新型板片就不加分析地盲目使用。必须指出，在强化 传热的同时，板式换热器的阻力要比相同雷诺数下管式换热器管内流动的流体阻力高 1 0 - - 2 0 倍，某些板型的阻力可高达4 0 0 倍。因此合理地选择板型，并能最经济地利用泵 功率，将是板式换热器优化设计和研究的一个重要课题【2 6 】。 板式换热器被广泛地应用在采暖、生活热水、空调、化工等领域。但是板式换热器 即使同样的波型，几何尺寸相似时，其准则式中各常数也会不同，只能对每一种板片进 行测试与关联，没有一个包含各个参数在内的综合准则方程式，这对换热器的优化和发 展造成了很大的阻力。所以进一步通过对板式换热器中各个参数的综合分析与计算，拟 合出一个综合准则方程式将对板式换热器的开发与应用具有指导性的意义。 1 3 3 板式换热器的重要应用 正是基于上述的优点，近年来板式换热器得到了迅速的发展，已被应用于诸多行业， 如化工、制冷及我们熟知的暖通空调系统【2 2 8 1 。现仅做一简要介绍。 ( 1 ) 板式换热器在化工产业的应用 在化工生产中，换热器是主要的工艺设备之一，各种化工生产工艺几乎都要用到它。 原油的处理：运行费用低的钛制板式换热器，在原油处理中深受欢迎。高腐蚀性 原油、自来水、淡水、含盐水及海水等冷却剂对钛制板式换热器的腐蚀影响很小。在这 些苛刻的操作条件下，其结垢系数仅为管壳式换热器的1 1 0 ，且显得特别可靠。 8 1 绪论 气体吸收系统：许多板式换热器已在气体吸收系统中安装使用，例如胺水、胺 胺热交换就是常见的用例。在气体吸收装置中，象普通的胺，如甲基乙胺( m l a ) 、二 乙醇胺( d l a ) ，以及有专利权的吸收剂如二甘醇胺( d g a ) 、s u l f m o l 和s e l e x o l 等都可 以用板式换热器处理。有些情况要求冗长的温度变化程序，例如把s e l e x o l 从9 9 c 冷却 到1 2 需要十三台两流程管壳式换热器，但若用板式换热器，则需两台即够。这些板式 换热器在每一流程有9 个通道。用海水作冷却剂时需要用钛制换热器，因为传统的管壳 式换热器不耐腐蚀。 能量回收：许多炼油厂生产任务不足，产品变换频繁，因此多数工艺师都非常注 意产品的经济性，目前一种有效的补救办法可考虑进行热回收。冷却水和产品蒸汽是热 回收很有希望的被忽视了的来源。板式换热器由于所花费用较低，设计结构紧凑和重量 轻，因此很适用于不同场合下的余热回收。通常，在现有装置可利用的空间内就能安装 容纳下，能够靠近热源安装，无需庞大而昂贵的结构设施。即使在温差很小的工艺管线 和锅炉进料管线上，它也能有效地进行余热回收。 ( 2 ) 板式换热器在制冷中的应用 在制冷技术中，换热器是不可缺少的制冷设备，冷凝器、蒸发器、回热器以及中间 冷却器等换热设备，不仅在重量、体积和金属耗量上占整个制冷装置的5 0 以上，而且 对制冷性能也会产生重大影响。 与制冷用管壳式换热器相比，除了具有板式换热器的一般特点，制冷用板式换热器 还具有如下特点。 制冷剂充灌量小，有利于环境保护和降低运行成本：管壳式换热器的壳侧和管侧 的容积都很大，要使制冷系统正常上作，必须充灌大量的制冷剂，而且还可能造成环境 污染。而板式换热器一方面体积小，另一方面间距尺寸也小。 冻结倾向少，抗冻性能高：由于水在低流速时，就能在板式换热器中形成高度紊 流，温度分布非常均匀，从而减少了冷冻水的冻结倾向。即使发生了冻结，也更能承受 冻结所产生的压力，而不像管壳式换热器那样容易使热管胀裂，它甚至可以在结冻后继 续使用。 蒸发彻底，经济性高：制冷剂在制冷板式换热器中蒸发时，很容易实现完全蒸发 达到无液态程度，因此在大多数情况下，制冷系统无须设置气液分离器。并且极易实现 单元化，安装简单方便，维护和运输都可以节约费用，降低成本。 ( 3 ) 板式换热器在暖通空调中的应用 随着暖通空调技术和换热器技术的不断发展，暖通空调工程中采用板式换热器的实 例越来越多，系统设计也越来越完善，应用范围越来越广。 区域集中供热站中的应用 板式换热器用于区域集中供热是十分理想的，因为它具有紧凑的结构，运行流量也 9 西安科技大学硕士学位论文 较小，设计选用时具有很大的灵活性和自由度。在一个典型的区域供热网内，建有许多 设置了板式换热器的热力站，主热力站和用户热力站均散布在热力分配网周围。热力网 向热力站供给循环使用的中压高温水，在热力站内加热用户使用的低压低温水。区域集 中供热中采用板式换热器作为一次水加热二次水的热力站设备，在国内外已经越来越普 遍，它将逐步取代壳管式等传统的换热设备。由于板式换热器采用模数化设计，所以当 要求热力站的供热量增大时，只需简单地在原有的板式换热器框架和支承杆上增添一些 相同规格的换热板片就行了。 冷水机组旁路系统 在设计冷却水机组旁路系统时，用板式换热器提供的小温差，就会节约相当大的能 量。该旁路系统是一个开环的冷却水系统。当冷却水的温度降至1 0 1 3 时，就可以关 闭中央空调的冷水机组系统，同时打开旁路系统，依靠板式换热器使闭环的空调水与开 环的冷却水作热交换，可以获得极小的换热温差，既满足空调要求，又利用了自然界的 能源，不仅节能，还避免了将易污染、易腐蚀的冷却水系统自接接人空调水系统而随之 引发的不良后果。采用这种经济节能的系统型式，可使运行和维护费用大大减少。 超高层建筑中央空调水系统 由于超高层建筑的总高度已越过l o o m ，空调水系统管道承受的水静压力也超过了 常规建筑，尤其是建筑物的较低部分水静压力会大于空气处理设备( 如柜式空调器、风 机盘管等) 内铜质管束、甚至冷暖水主机内管束的最高承压能力。现在通常的解决办法 是两种：a 、设立二个相互独立的高、低区空调水系统，在底层( 或地下室) 设低区冷 冻热力机房，在中间层( 或屋顶) 设高区冷冻热力机房，这样高、低二区空调 水系统及空调器的管束最多也只随受大楼高度一半左右的水静压力；b 、只在底层( 或 地下室) 设立冷冻热力机房，将冷( 暖) 水( 一次水) 供给低区空调系统，同时供 给设在中间层的板式换热器，板式换热器内有另一个和一次水系统完全隔开的空调水 ( - - 次水) 系统，该系统与高区空调器相连接，这样高、低二区的空调水系统实际上也 分成了二个相对独立的单元，二个系统通过板式换热器相联系，其最大的优点是高、低 二区共用一个集中的冷暖机房和设备，可省去另一个冷暖机房，经济性好，且维护管理 方便。 以上只是板式换热器很多应用的极小一部分。随着国民