换热器形式的选择

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：