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板式冷凝器传热性能的研究进展

作者:PANSTAR 发布于:2013-04-12 18:39:36 点击量:

  换热器是合理利用与节约现有能源、开发新能源的关键设备。在化工生产过程中,传热过程大部分是在换热器中实现的,在现代石油化工过程中,换热器的投资占30%~40%,所以换热器的形式结构、参数设计、性能改善对化工过程的节能减排及经济优化有着十分重要的意义。 在传热过程中,有相变的潜热远远大于无相变的显热,因此蒸汽冷凝放热比单相换热负荷高的多。板式换热器有着结构小巧,传热系数高,温差在2~3 ℃即可实现高传热负荷的特点,近几年已成为化工行业中的“新宠儿”。 自板式冷凝器应用在乙烯生产工艺低温热回收装置以来,L10-J型板式冷凝器在化肥行业变换系统、冷库氨制冷系统、板式蒸发装置中相继成功应用,这些都证明了板式冷凝器其传热效率高、运行可靠以及节能降耗效果明显,极具广泛的应用前景。 虽然我国板式冷凝器已被应用到很多回收余热的化工生产过程,然而我国在板式换热器的研究和设计水平上与国外有很大的差距,特别是对有相变的板式冷凝器新式板型的开发、强化传热的研究非常少。
  1  板式换热器结构及工作原理 板式换热器是由一组金属薄板、相邻薄板之间衬以垫片并用框架夹紧组装而成。板片四角开有圆孔,形成流体通道。冷热流体交替地在板片两侧流过,通过板片进行换热。板片厚度为0.5~3 mm,通常压制成各种波纹形状,既增加刚度,又使流体分布均匀,加强湍动,提高传热系数。板片尺寸常见的宽度为200~1000 mm,高度最大可达2 m。两块板片之间的距离通常为4~6 mm。板片数目可以根据工艺条件的变化,增加或减少。板片材料一般用不锈钢,也有用其它耐腐蚀合金材料的。 板式换热器结构原理图
  2  板式换热器特点 板式换热器比传统换热器有着明显的优点如下。 (1)传热系数大。由于流体在板片间湍动程度非常高,而且板片厚度又薄,故传热系数K大。一般的板式换热器水对水的传热系数可达1500~4700 W/(m2·K)。 (2)结构紧凑。单位体积设备提供的传热面积大,每立方米体积可达250 m2以上的传热面积。 (3)操作灵活性大。可以进行多段操作或几种操作,只需在适当位置安设中间隔板,便可使一台设备当几台用。又可根据需要调节板片数目以增减传热面积;或以调节流道长短的办法,适应冷热流体流量和温度变化的要求,均较方便。 此外,板式换热器还有金属材料消耗低,板片加工制作容易,检修清晰方便等优点。 同时,板式换热器因其特殊的结构也有着自身的缺点。因垫圈种类和垫圈沟槽结构的限制,其允许操作压力比较低,一般要求低于1.5 MPa,最高不超过2.0 MPa,否则会压力过高引起泄漏。因受垫片耐热性能的限制,又要求操作温度不能太高,如橡胶垫圈不超过130 ℃,压缩石棉垫圈应低于250 ℃。因板间距离仅几个毫米,流通面积小,因此处理量不大也是板式换热器的一个局限性。 3  板式冷凝器的板型 现国内外对专用板式冷凝器板型设计研究非常少,大多场合仍采用液体无相变的板式换热器来代替板式冷凝器使用,这就有两个较大的缺点。 (1)由于板式换热器的流体流通总管是由各板片上的角孔组成。对于液液换热来说,此角孔的直径是根据液体的流量来设计的。但当用于冷凝蒸汽时,蒸汽的体积流量很大,故流速往往太高,使冷凝器的压力损失过大。 (2)普通的板式换热器,其板片的波型主要通过促进流体湍动实现无相变的强化传热;而冷凝时为了提高传热速率,通常要求减薄冷凝液膜厚度,使冷凝液能迅速排走,避免在传热面上形成过厚的液膜。 朱曾用[7]对我国专用板式冷凝器的板型进行了总结,我国现目前仍只有3类主流板型:CP-3型,PCD型,YX-80型,其中主要采用人字形CP-3型。CP-3板型  图3  PCD板型 图4  YX-80板型  近几年,板式冷凝器板型的发展也仅仅局限在原有基础上稍作尺寸上的改进,在CP-3板型的基础上进行了角孔的改进,对板式冷凝器进行了板片尺寸参数的改动使其更适用于实际中的应用场合。
  4  板式冷凝器的设计计算 由于板式冷凝器结构没有统一的标准,因此造成其计算模选和方法的差异。板式冷凝器的选型多由国外公司用计算机模拟完成,但由于技术保密,很难得到模拟软件,对板型的设计和研究带来了困难。目前常采用工程设计手册给出的计算步骤来进行供热用及定蒸气加热工艺流体两种设计型计算。 近几年,在板式冷凝器被广泛应用于实际工业的背景下,许多学者、工程师在实践设计计算中得到了很多宝贵的经验。 实践总结了在热泵机组用板式蒸发器与冷凝器的计算选型,经国家空调设备检测中心测试,效果较好,达到了设计要求。也通过工程实例对热泵机组用板式蒸发器及冷凝器进行了计算选型。在制冷系统中给出了压降的计算及分析方法,对板式冷凝器在制冷系统中的工程应用进行了实例对比分析,提供了一些依据。介绍了一种较为实用的板式冷凝器在设计中的选型计算方法,并结合工程实例对其在冷冻制冷系统中的详细应用做了比较,得出了其具有较好的结果。总结归纳出一种较为实用的板式冷凝器设计选型计算方法和程序编制流程。据此设计的程序计算结果正确,并在实际工程中得到应用,具有一定的借鉴意义。
  5  板式冷凝器的最新研究 现在国外大多数的研究主要是以空调制冷为背景,针对人字形波纹板片进行研究的。主要内容是通过测量不同流量下的实际板式冷凝器冷热两侧的压降和进出口温差,拟合回归出一个板式冷凝器性能的关联式,用于设计选型参考或性能的评价。

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