换热器形式的选择
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3.1 换热器形式的选择
随着科技的发展和生产的需要,传统的管壳式换热器已经达不到要求,这种换热器不仅仅传热能力不足,而且体积较大,运输和维修都比较费力,所以说此次研究中选择的是可拆式换热器。在换热器的发展史上,最典型的就是板式换热器,这种换热器最早出现在20世纪早期,通常都是由金属薄片压缩构成的,后来渐渐的被大家所认可,它最大的特点就是体积小性能高。对于板式换热器来讲,通常我们都会将其划分为焊接式与可拆式两大类,其中钎焊式板式和激光全焊式构成了焊接式,这样的换热器造价比较昂贵,并且没有拆检的功能。随社技术的发展,研制成功了可拆的换热器,该换热器没有了前者的缺陷,往往都是由薄的金属片构成的,存在着大量的小孔,方便了设备的散热,提高了使用的寿命。构成的金属板往往都组装在一个框架内部,用螺丝将它们固定。连接在一起的板片完全对称分布,构成了介质流通的通道。并且其上存在密封良好的垫片,将流体通道堵塞,保证不同的介质处于不同的通道之内,避免出现混流的现象。通常情况下为了保证拥有良好的传热性能,不同的温度的介质往往是逆向流动。按照工艺的要求,流体通道可以设计为单个也可以设定为多个。一般的换热器中,介质接口往往位于固定的板侧,如果是比较特殊的多通,也可以位于压力板一侧。图13是可拆式换热器的结构示意图:
图13
对比落后的管壳式换热器,其拥有以下几个优势之处:
(1)传热性能良好,体积较小。对于板式换热器而言,它的板片往往不规则形的,液体在其内部流动时形成的是特殊结构的三维流动,不管是流动的方向还是速度,都不是稳定不变的,所以就会出现较大的流动,从而形成湍流。介质的流动性强时,避免出现由于杂质存在而导致的沉淀,有效的降低了污垢热阻,另外制造时采用的板片厚度较小,热阻几乎可以忽略不计。除此之外,所有的流通都是按照设定好的通道在流动,不会出现其他情况,所以说总的传热性能良好,在相同的条件下,两者之间的差值达到了3-5倍之多,可是其占地面积仅仅是管壳式的三成左右。
(2)传热效率非常高。对于板式换热器来讲,目前已经出现了高标准的换热器,其传热效率比较高,国外一些先进的公司已经将换热器的平均温差控制在m T =1℃范围内。但是温度过低时,换热器的面积又会变大,所以必须找到一个平衡点,满足工程的需要。
(3)对数平均温差大。为了提高传热的效率,通常情况可以选择增大传热对数平均温差,实际的换热器内部,不仅仅是流体的流动方式,还有流动方向都会干扰到温差。按照流体力学进行研究,发现板式换热器内部流体往往是以并流或者逆流的形式进行流动,温差的修正系数往往是0.95。但是在管壳式换热器中,不同的流通往往按照管程和壳程来流动,基本上都是采用的错流的形式,也就是说管程属于混合流动,壳程属于并排流动,导致其温差的修正系数小,通常情况为0.8左右。
(4)安装方便,可操作性强,检查维修简单。板式换热器最主要的结构就是多组板片,那么在实际的应用过程中,相关的操作者仅仅提高控制板片的数量就可以实现对温度的调节,所以安装方便,可操作性强,没有复杂的结构。对于可拆式换热器来讲,不需要其他复杂的操作,就可以实现检查维修,所以比较方便。
3.2 板式换热器板形选择
当下,主流的板式换热器中最常见的是人字形波纹板,它的热力学特征一般都是波纹的倾斜角决定的,也就是常说的人字角。对于板式换热器来讲,相关的系数确定时,倾斜的角度越大,那么放出的热量也就越多,导致阻力也变大,这就是典型的H 板片;反之倾斜角越小,放出的热量越少,导致阻力也相应的减少,这就是典型的L 板片。那么在换热器内部确定其他所有的系数和参数,将H 板片和L 板片叠加起来,就变成了一种新的通道,它的性能介于两者之间。如果是站在性能的角度分析,完全可以将其划分为第三种板片,这就是典型的 M 板片。具体的结果如图12表示,一般的换热器中,将H 板片的倾斜角确定为 60°,L 板片的倾斜角确定为30°。
3.3 板式换热器设计方法
衡量板片和流道特点的物理量一般是传热单元数(NTU )。参数一样的板片传热单元数也相同,形成的是比较简单的流体通道,达不到实际工程中相关的要求,所以在设计换热器时,往往会出现下列情况:
(1) 冷热流道内部流体速度存在差异,尤其是低速流体测压力偏小,为了解决问题只能是采取串联的办法,就会出现换热面积变大的情况。
(2) 当同时满足流体两侧的压力时,就会出现换热面积过小,热量不足的情况。为了应对出现的问题,ALFA -LAVAL 公司找到了热混合的解决办法,最终成功的克服了上述难题。
热混合工作原理是:假设在板式换热器内部,拥有两个完全不相同的流道,假设为H 和M 流道,具体情况如图3所示。当流体在换热器内部流动时,热流体从进口处流入到板间流道内,也就是假设的H 和M 流道,随后都进入到出口的角孔流道内部,流出的流体温度会存在差别,通常表现出来的是M 流道的要略高于H 流道的温度,也就是两者都不适合实际的操作,那么我们完全可以设计一种方案,将两种流体按照一定的配比进行搭配,当两者从新混合时,就有可能达到我们需要的温度。反过来讲,处于冷测情况是将H 流道中温度较高的流体与M 流道中温度较低的流体进行混合,就可以满足现实操作中的需求。综上所述,我们完全可以采用热混合的办法,不仅仅满足了换热器工作中温度的需要,还可以满足相关的压力降需求,另外通过研究发现,上述两种办法可以有效的降低换热的面积。所以说,本次研究中我们选择了热混合法来作为设计板式换热器的基本理论。
3.3.1 热混合设计法原理
设计的原理是:一块单板(换热面积0A )放入到换热器内部形成两个挨着的通道,然后热流体(流量1q (kg/s ))会流入到其他的通道,并且其进口是温度为1i t ,到达出口处的温度为t ;冷流体(流量2q (kg/s ))也会导入通道内部,并且进口是温度为2
i t 。具体的温度分
布情况如图所示:
假设热流体侧由H n 个高阻H 流道和M n 个中阻M 流道并联构成,按照质量平衡原理,总流量必须满足下面的方程:
H Hi M Mi q n q n q =+
式中:
Hi q 、Mi q ——表示的是流过单个 H 流道与和M 流道的质量流量,kg/s 。
那么总的换热量通常为全部的H 流道和M 流道换热量的和,即
p H Hi p H M Mi i M qc t n q c t n q t R δδ+=∆
式中:
(1)
(1)
1H H NTU H NTU e R e γγγ---=- (1)
(1)1M M NTU M NTU e R e
γγγ---=- H NTU 与M NTU 表示的是 H 通道与和M 通道处于给定条件下的传热单元数。综合上面的
公式,得到下来方程: