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船用板式换热器板片的结构对换热效果的分析
发布日期:2012-04-20

船用板式换热器作为船上的主要换热设备对全船的安全运行起到关键的作用。它的结构相对其他设备较为简单,主要由螺杆、压板、底座、板片等组成。它广泛地作为大型舰船主机缸套水、滑油冷却器以及中央冷却器。几十年来得到了很大的发展。各大厂家都将精力放在如何提高板式换热器的换热效果上。

由于船用板式换热器的板片结构直接影响了换热器的性能。本文将对现有的船用板式换热器的一系列板片参数对换热器性能的影响进行探讨,以求为进一步的研究提供一些借鉴。

1 换热系数的计算

船用板式换热器为了其维修性,板片之间均为U型连接,为逆流方式,两侧流体为冷水与热水或滑油。板间的换热形式可抽象为平壁传热。  

其中:λ为水的导热系数,dε为板片的特征尺寸。由流体力学可知,当水的流动开始由层流向紊流过渡后,即Re≥2200后,Nu数随着Re数的增加而增加。而Re数的增加取决于水流速的增加或板片表面的波纹形状,由此我们可以看出增大流体的流速和研究出高效的板片波纹将是强化板换热的重要手段。

由于船用板式换热器流道中流体的流量是由主机柴油机滑油或缸套水的换热量决定的,所以研究的重点可以放在板片形式上。

2 板片主要影响换热效果的因素

2.1板片厚度

由传热系数的表达式可知,板片的厚度δ越小,换热器的传热效果越好,船用板式换热器的标准,提出换热器的板片厚度在0.6~0.8mm,目前行业最薄的钛板板片已经达到0.4mm。板片再做薄对提高换热效果不会太明显,而主要的是为了减少成本,降低材料的消耗,但薄板片在压制后强度会相对减小。

2.2板片的夹角

船用板式换热器提高k值的主要方法之一是提高板片两侧换热介质表面的流体扰动程度。船用板式换热器的板片通常加工成人字波纹板。对于人字形波纹板片,人字角的大小对传热和流体阻力影响很大。人字角大的板片传热系数高、流体阻力亦大;反之人字角小的板片传热系数和阻力都低。   

在船用滑油冷却器中,由于滑油的粘度高于水的粘度,如果全使用120°大夹角的板片会造成流体阻力大,而60°小夹角板片的传热系数低。因此滑油冷却器往往使用2种板片混装的方式,在充分利用允许压降的情况下,这种称之为换热混合设计,其换热面积可达到最优效果。

2.3板间流速

流体在板间流动,其流速是不均匀的,在主流线上的流速,约为平均流速的4~5倍,在一个流程内每个流道的流速也不均匀。为使流体在板间流动时,出于充分湍流状态,宜取板间的平均流速0.3~0.8m/s。在阻力降容许的情况下取大值,以提高对流传热膜系数,从而减小换热面积,提高换热效率。通常按照给定的流速选择出板片恰当的单片面积与长宽比,这样的选型方法是控制板间流速的关键因素。

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