板式冷凝器傳熱性能的研究進展

點擊次數：?? 更新時間:2018-07-06?? ??【關閉】

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　　換熱器是合理利用與節約現有能源、開發新能源的關鍵設備。在化工生產過程中，傳熱過程大部分是在換熱器中實現的，在現代石油化工過程中，換熱器的投資占30%～40%，所以換熱器的形式結構、參數設計、性能改善對化工過程的節能減排及經濟優化有著十分重要的意義。在傳熱過程中，有相變的潛熱遠遠大于無相變的顯熱，因此蒸汽冷凝放熱比單相換熱負荷高的多。板式換熱器有著結構小巧，傳熱系數高，溫差在2～3 ℃即可實現高傳熱負荷的特點，近幾年已成為化工行業中的“新寵兒”。自板式冷凝器應用在乙烯生產工藝低溫熱回收裝置以來，L10-J型板式冷凝器在化肥行業變換系統、冷庫氨制冷系統、板式蒸發裝置中相繼成功應用，這些都證明了板式冷凝器其傳熱效率高、運行可靠以及節能降耗效果明顯，極具廣泛的應用前景。雖然我國板式冷凝器已被應用到很多回收余熱的化工生產過程，然而我國在板式換熱器的研究和設計水平上與國外有很大的差距，特別是對有相變的板式冷凝器新式板型的開發、強化傳熱的研究非常少。
　　1 板式換熱器結構及工作原理板式換熱器是由一組金屬薄板、相鄰薄板之間襯以墊片并用框架夾緊組裝而成。板片四角開有圓孔，形成流體通道。冷熱流體交替地在板片兩側流過，通過板片進行換熱。板片厚度為0.5～3 mm，通常壓制成各種波紋形狀，既增加剛度，又使流體分布均勻，加強湍動，提高傳熱系數。板片尺寸常見的寬度為200～1000 mm，高度最大可達2 m。兩塊板片之間的距離通常為4～6 mm。板片數目可以根據工藝條件的變化，增加或減少。板片材料一般用不銹鋼，也有用其它耐腐蝕合金材料的。板式換熱器結構原理圖
　　2 板式換熱器特點板式換熱器比傳統換熱器有著明顯的優點如下。（1）傳熱系數大。由于流體在板片間湍動程度非常高，而且板片厚度又薄，故傳熱系數K大。一般的板式換熱器水對水的傳熱系數可達1500～4700 W/(m2·K)。（2）結構緊湊。單位體積設備提供的傳熱面積大，每立方米體積可達250 m2以上的傳熱面積。（3）操作靈活性大。可以進行多段操作或幾種操作，只需在適當位置安設中間隔板，便可使一臺設備當幾臺用。又可根據需要調節板片數目以增減傳熱面積；或以調節流道長短的辦法，適應冷熱流體流量和溫度變化的要求，均較方便。此外，板式換熱器還有金屬材料消耗低，板片加工制作容易，檢修清晰方便等優點。同時，板式換熱器因其特殊的結構也有著自身的缺點。因墊圈種類和墊圈溝槽結構的限制，其允許操作壓力比較低，一般要求低于1.5 MPa，最高不超過2.0 MPa，否則會壓力過高引起泄漏。因受墊片耐熱性能的限制，又要求操作溫度不能太高，如橡膠墊圈不超過130 ℃，壓縮石棉墊圈應低于250 ℃。因板間距離僅幾個毫米，流通面積小，因此處理量不大也是板式換熱器的一個局限性。 3 板式冷凝器的板型現國內外對專用板式冷凝器板型設計研究非常少，大多場合仍采用液體無相變的板式換熱器來代替板式冷凝器使用，這就有兩個較大的缺點。（1）由于板式換熱器的流體流通總管是由各板片上的角孔組成。對于液液換熱來說，此角孔的直徑是根據液體的流量來設計的。但當用于冷凝蒸汽時，蒸汽的體積流量很大，故流速往往太高，使冷凝器的壓力損失過大。（2）普通的板式換熱器，其板片的波型主要通過促進流體湍動實現無相變的強化傳熱；而冷凝時為了提高傳熱速率，通常要求減薄冷凝液膜厚度，使冷凝液能迅速排走，避免在傳熱面上形成過厚的液膜。朱曾用[7]對我國專用板式冷凝器的板型進行了總結，我國現目前仍只有3類主流板型：CP-3型，PCD型，YX-80型，其中主要采用人字形CP-3型。CP-3板型圖3 PCD板型圖4 YX-80板型近幾年，板式冷凝器板型的發展也僅僅局限在原有基礎上稍作尺寸上的改進，在CP-3板型的基礎上進行了角孔的改進，對板式冷凝器進行了板片尺寸參數的改動使其更適用于實際中的應用場合。
　　4 板式冷凝器的設計計算由于板式冷凝器結構沒有統一的標準，因此造成其計算模選和方法的差異。板式冷凝器的選型多由國外公司用計算機模擬完成，但由于技術保密，很難得到模擬軟件，對板型的設計和研究帶來了困難。目前常采用工程設計手冊給出的計算步驟來進行供熱用及定蒸氣加熱工藝流體兩種設計型計算。近幾年，在板式冷凝器被廣泛應用于實際工業的背景下，許多學者、工程師在實踐設計計算中得到了很多寶貴的經驗。實踐總結了在熱泵機組用板式蒸發器與冷凝器的計算選型，經國家空調設備檢測中心測試，效果較好，達到了設計要求。也通過工程實例對熱泵機組用板式蒸發器及冷凝器進行了計算選型。在制冷系統中給出了壓降的計算及分析方法，對板式冷凝器在制冷系統中的工程應用進行了實例對比分析，提供了一些依據。介紹了一種較為實用的板式冷凝器在設計中的選型計算方法，并結合工程實例對其在冷凍制冷系統中的詳細應用做了比較，得出了其具有較好的結果。總結歸納出一種較為實用的板式冷凝器設計選型計算方法和程序編制流程。據此設計的程序計算結果正確，并在實際工程中得到應用，具有一定的借鑒意義。
　　5 板式冷凝器的最新研究現在國外大多數的研究主要是以空調制冷為背景，針對人字形波紋板片進行研究的。主要內容是通過測量不同流量下的實際板式冷凝器冷熱兩側的壓降和進出口溫差，擬合回歸出一個板式冷凝器性能的關聯式，用于設計選型參考或性能的評價。

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