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換熱器是合理利用與節(jié)約現(xiàn)有能源、開發(fā)新能源的關(guān)鍵設(shè)備。在化工生產(chǎn)過程中,傳熱過程大部分是在換熱器中實現(xiàn)的,在現(xiàn)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(jié)構(gòu)、參數(shù)設(shè)計、性能改善對化工過程的節(jié)能減排及經(jīng)濟優(yōu)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(jié)構(gòu)小巧,傳熱系數(shù)高,溫差在2~3 ℃即可實現(xiàn)高傳熱負荷的特點,近幾年已成為化工行業(yè)中的“新寵兒”。 自板式冷凝器應用在乙烯生產(chǎn)工藝低溫熱回收裝置以來,L10-J型板式冷凝器在化肥行業(yè)變換系統(tǒng)、冷庫氨制冷系統(tǒng)、板式蒸發(fā)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(jié)能降耗效果明顯,具有廣泛的應用前景。 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(chǎn)過程,然而我國在板式換熱器的研究和設(shè)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(fā)、強化傳熱的研究非常少。
1 板式換熱器結(jié)構(gòu)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(cè)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(shù)。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(shù)目可以根據(jù)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(jié)構(gòu)原理圖
2 板式換熱器特點 板式換熱器比傳統(tǒng)換熱器有著明顯的優(yōu)點如下。 (1)傳熱系數(shù)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(shù)K大。一般的板式換熱器水對水的傳熱系數(shù)可達1500~4700 W/(m2·K)。 (2)結(jié)構(gòu)緊湊。單位體積設(shè)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??梢赃M行多段操作或幾種操作,只需在適當位置安設(shè)中間隔板,便可使一臺設(shè)備當幾臺用。又可根據(jù)需要調(diào)節(jié)板片數(shù)目以增減傳熱面積;或以調(diào)節(jié)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(yōu)點。 同時,板式換熱器因其特殊的結(jié)構(gòu)也有著自身的缺點。因墊圈種類和墊圈溝槽結(jié)構(gòu)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(xiàn)國內(nèi)外對專用板式冷凝器板型設(shè)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(jù)液體的流量來設(shè)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(xiàn)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(jié),我國現(xiàn)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(fā)展也僅僅局限在原有基礎(chǔ)上稍作尺寸上的改進,在CP-3板型的基礎(chǔ)上進行了角孔的改進,對板式冷凝器進行了板片尺寸參數(shù)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(shè)計計算 由于板式冷凝器結(jié)構(gòu)沒有統(tǒng)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(shù)保密,很難得到模擬軟件,對板型的設(shè)計和研究帶來了困難。目前常采用工程設(shè)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(shè)計型計算。 近幾年,在板式冷凝器被廣泛應用于實際工業(yè)的背景下,許多學者、工程師在實踐設(shè)計計算中得到了很多寶貴的經(jīng)驗。 實踐總結(jié)了在熱泵機組用板式蒸發(fā)器與冷凝器的計算選型,經(jīng)國家空調(diào)設(shè)備檢測中心測試,效果較好,達到了設(shè)計要求。也通過工程實例對熱泵機組用板式蒸發(fā)器及冷凝器進行了計算選型。在制冷系統(tǒng)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(tǒng)中的工程應用進行了實例對比分析,提供了一些依據(jù)。介紹了一種較為實用的板式冷凝器在設(shè)計中的選型計算方法,并結(jié)合工程實例對其在冷凍制冷系統(tǒng)中的詳細應用做了比較,得出了其具有較好的結(jié)果??偨Y(jié)歸納出一種較為實用的板式冷凝器設(shè)計選型計算方法和程序編制流程。據(jù)此設(shè)計的程序計算結(jié)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(xiàn)在國外大多數(shù)的研究主要是以空調(diào)制冷為背景,針對人字形波紋板片進行研究的。主要內(nèi)容是通過測量不同流量下的實際板式冷凝器冷熱兩側(cè)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(guān)聯(lián)式,用于設(shè)計選型參考或性能的評價。