板殼式換熱器的強化傳熱設計

板殼式換熱器的強化傳熱設計

板殼式換熱器是一種由板束和殼體組成的換熱裝置，在中國很少見。其早期型式與管殼式很相似,只是用平板縫焊成的扁平板管代替圓管而已。這種換熱器比管殼式換熱器緊湊,但因板管還是平滑直管,強化傳熱效果不好。因此設計一種強化傳熱的板型傳熱面結(jié)構,例如與板式換熱器類似的波紋板傳熱面,就成了這類換熱器改進的重點。板式換熱器是工業(yè)流程中應用較為廣泛的換熱設備之一。但由于密封墊片的原因,使其工作溫度、壓力和密封性能受到限制,不適合體積流量相差太大的場合,更無法應用于降膜傳熱和傳質(zhì)的過程。近年來出現(xiàn)了一種焊接式板式換熱器,但制造工藝要求高,難以推廣應用。為此筆者設計了一種適合國內(nèi)技術水平的新型板殼式換熱器。1相鄰傳熱板片的制備新型板殼式換熱器用于液-液傳熱的基本構造見圖1。這種換熱器由矩形波紋板片和殼體組成,在板片的2個對角上各設置1個導通孔,作為板內(nèi)流體的進出口。在疊置的相鄰傳熱板片的四周和導通孔處相間地用電阻縫焊(亦稱滾焊)焊接,形成封閉的平行板內(nèi)通道。板外流體需要由殼體來包容,其進出口設置在殼體上。2優(yōu)勢和劣勢(1)道內(nèi)流體傳播特性流動形式與板式換熱器類似,在網(wǎng)流狀波紋通道中,流體受到強烈擾動,臨界雷諾數(shù)只有20~50,在很低的流速下就呈湍流特性,傳熱系數(shù)很高。并且可實現(xiàn)逆流傳熱,熱回收率高。(2)規(guī)格型號的使用在同一殼體內(nèi),可并聯(lián)或串聯(lián)布置若干個板片組,只需2~3種板片就可滿足從幾個m2到上千m2規(guī)格型號的使用,并與用戶所需的物料相匹配,以保證最小傳熱表面與最低輸運成本兩者的最佳結(jié)合。(3)供熱介質(zhì)對比板片間采用焊接密封,能嚴格保證2種換熱介質(zhì)不相混合。實際研制表明,電阻焊接方式的質(zhì)量可靠,機械化程度較高,且不用消耗焊條、焊劑和惰性氣體。(4)腐蝕和長期生活板片由耐腐蝕的不銹鋼材料制造,對于含氯介質(zhì),可用鈦板制造,確保換熱器使用壽命。(5)縱向縫焊平面除了和板式換熱器一樣采用能提高強度和剛度的層疊布置波紋板片,形成網(wǎng)狀交叉接觸點,使板片受力條件合理外,還在板片中間設置了一道縱向縫焊平面(圖2),以減小板內(nèi)流體壓力將板片通道撐開而傳遞給殼體板的壓力,所以只需較薄的板片(0.6mm左右)就可承受較高工作壓力。較薄的板片還可彌補不銹鋼材料導熱系數(shù)小的不足。對于由多個板片組構成的大型換熱器,可在殼體內(nèi)設置隔板或筋板,使換熱器形成蜂窩狀結(jié)構,因而殼體鋼板無需很厚,板殼式換熱器平均質(zhì)量和體積只有管殼式或螺旋板式的25%~40%。(6)鋼絞線換熱器雖然采用耐腐蝕優(yōu)質(zhì)不銹鋼材料制造板殼式換熱器,但其制造成本卻與碳鋼螺旋板式換熱器相當。其原因在于:①板材的軋制過程比無縫管的擠制過程簡單,能量消耗較低,材料成本低得多。②由于板片較薄,按面積算,0.6mm厚不銹鋼板與4mm厚碳鋼卷板的材料價格幾乎相當,而低于3mm厚的鋼管。③板殼式換熱器的傳熱效率高于管殼式和螺旋板式,完成相同任務換熱器的傳熱面積可減少。④板殼式換熱器的模具較簡單,費用低,并且只需2~3副模具就可用于常用的規(guī)格,初期設備投資少,生產(chǎn)效率高。⑤電阻縫焊的單位成本只有氬弧焊的10%~20%。(7)運輸流體所需的功率雖然波紋板通道內(nèi)的局部阻力比光滑表面要大,但由于板片數(shù)目多,并列的通道數(shù)目較多(螺旋板式換熱器是一條通道到底),因而流動速度并不高,再加上通道長度較短,所以其總體阻力損失反而比其它型式的換熱器更小,因此可使運輸流體所需的功率減小。(8)減少了懸浮水結(jié)垢流過此換熱器網(wǎng)流形波紋通道的湍流使固形物保持懸浮狀態(tài),減少了諸如二氧化鈦、氧化鈣或含有大量泥沙冷卻水等懸浮水的結(jié)垢。另外,對于某些一側(cè)流體較臟,容易結(jié)垢的場合,還可以將殼側(cè)做成可拆型,用機械清洗。(9)汽流通道、噴淋系統(tǒng)板殼式換熱器不僅可以用于液-液熱交換,還可采用在殼體上留出氣液分離和儲液空間,或留出汽流通道,或在板片上方設置噴淋裝置等措施使其用于蒸發(fā)、冷凝、發(fā)生和吸收等傳熱傳質(zhì)過程。例如,雙效蒸汽型溴化鋰吸收式制冷機的全部換熱器都可用板殼式換熱器,見圖3。3合同主體的要求新型板殼式換熱器集中了管殼式和板式換熱器的優(yōu)點,其獨特的結(jié)構為采用質(zhì)量可靠、成本較低廉的電阻縫