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船用板式換熱器板片的結構對換熱效果的分析點擊：2266 日期：[ 2014-04-26 21:35:26 ] |
| 船用板式換熱器板片的結構對換熱效果的分析 吳延嘉 王大為 （中船重工集團第七○四研究所上海200031） 摘要：通過建立板式換熱器的平面傳熱模型，分析出影響換熱器傳熱效率的主要原因并結合船用的特點，著重分析換熱板片結構對換熱器的影響，為今后船用板式換熱器的設計和改進研究提供理論依據。 關鍵詞：船用板式換熱器 換熱效果 板片 中圖分類號：TK172文獻標識碼：A文章編號：1672-9064(2011)04－0062－02 船用板式換熱器作為船上的主要換熱設備對全船的安全運行起到關鍵的作用。它的結構相對其他設備較為簡單，主要由螺桿、壓板、底座、板片等組成。它廣泛地作為大型艦船主機缸套水、滑油冷卻器以及中央冷卻器。幾十年來得到了很大的發展。各大廠家都將精力放在如何提高板式換熱器的換熱效果上。 由于船用板式換熱器的板片結構直接影響了換熱器的性能。本文將對現有的船用板式換熱器的一系列板片參數對換熱器性能的影響進行探討，以求為進一步的研究提供一些借鑒。 1·換熱系數的計算 船用板式換熱器為了其維修性，板片之間均為U型連接，為逆流方式，兩側流體為冷水與熱水或滑油。板間的換熱形式可抽象為平壁傳熱［1］，如圖1。 根據傳熱模型，板式換熱器的換熱量為： 通常在板式換熱器選型計算時，板式換熱器的換熱面積為： 式中Q為換熱器需要交換的熱量，這由船上的各個設備所決定；Δt由當時的環境所決定，研究者主要的研究方向為k值。 其中：λ為水的導熱系數，dε為板片的特征尺寸。由流體力學可知，當水的流動開始由層流向紊流過渡后，即Re≥2200后，Nu數隨著Re數的增加而增加。而Re數的增加取決于水流速的增加或板片表面的波紋形狀，由此我們可以看出增大流體的流速和研究出高效的板片波紋將是強化板換熱的重要手段。 由于船用板式換熱器流道中流體的流量是由主機柴油機滑油或缸套水的換熱量決定的，所以研究的重點可以放在板片形式上。 2·板片主要影響換熱效果的因素 2.1板片厚度 由傳熱系數的表達式可知，板片的厚度δ越小，換熱器的傳熱效果越好，船用板式換熱器的標準，提出換熱器的板片厚度在0.6～0.8mm，目前行業最薄的鈦板板片已經達到0.4mm。板片再做薄對提高換熱效果不會太明顯，而主要的是為了減少成本，降低材料的消耗，但薄板片在壓制后強度會相對減小。 2.2板片的夾角 船用板式換熱器提高k值的主要方法之一是提高板片兩側換熱介質表面的流體擾動程度。船用板式換熱器的板片通常加工成人字波紋板。對于人字形波紋板片，人字角的大小對傳熱和流體阻力影響很大。人字角大的板片傳熱系數高、流體阻力亦大；反之人字角小的板片傳熱系數和阻力都低，如圖2。 由圖2可見120°人字角的波紋傳熱效果最好，角度越小或者變大，傳熱效率都會變低［2］，通常的中央冷卻器與缸套水冷卻器采用120°人字角板片，以達到最大的換熱效果。 在船用滑油冷卻器中，由于滑油的粘度高于水的粘度，如果全使用120°大夾角的板片會造成流體阻力大，而60°小夾角板片的傳熱系數低。因此滑油冷卻器往往使用2種板片混裝的方式，在充分利用允許壓降的情況下，這種稱之為換熱混合設計，其換熱面積可達到最優效果。 2.3板間流速 流體在板間流動，其流速是不均勻的，在主流線上的流速，約為平均流速的4~5倍，在一個流程內每個流道的流速也不均勻。為使流體在板間流動時，出于充分湍流狀態，宜取板間的平均流速0.3～0.8m/s。在阻力降容許的情況下取大值，以提高對流傳熱膜系數，從而減小換熱面積，提高換熱效率。通常按照給定的流速選擇出板片恰當的單片面積與長寬比，這樣的選型方法是控制板間流速的關鍵因素［3］。 3·結語 （1）通過換熱器的傳熱模型分析出了影響換熱器傳熱系數k值的幾個關鍵因素：傳熱膜系數α、板厚δ。而板片的特征長度與板間的雷諾數Re決定著傳熱膜系數α的大小。 （2）具體分析了目前船用板式換熱器板片（板片厚度、板片夾角和板間流速）的研究方向。 （3）經過分析,在后續的工作中還需要依據傳熱學和流體力學的相關原理對船用板式換熱器進行改進和優化。 參考文獻 1·王峰.板式換熱器高效傳熱新思路.區域供熱，2010（1） 2·錢頌文.換熱器設計手冊（第1版）.化學工業出版社，2002 3·蘭州石油機械研究所.換熱器（下冊）.北京：烴加工出版社，1990 |
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