全面讲解：板式换热器的构造与原理

    本期我们一起来了解下板式换热器的原理和构造 。             

 

一、 板式换热器的运行原理      

         

1.1 换热原理  
板式换热器的核心部件是由一系列波纹板片组成的板片组。冷热流体在相邻板片形成的狭窄流道内呈交错流动,通过导热的金属板片实现热量传递。由于板片的波纹形状,流体在流道内呈现湍流状态,换热系数高,传热效率好[1]。

1.2 流动原理  
板式换热器中冷热流体的流动方式主要有以下三种[2]:
(1)完全逆流:冷热流体在相邻流道内呈反向流动,温度梯度大,平均温差高,传热效果最佳。
(2)完全并流:冷热流体在相邻流道内同向流动,出口温差大,热回收率低,传热效果较差。
(3)错流:部分板片开有通孔,使冷热流体在板组不同区域呈多次交错流动,温差分布更均匀,传热性能介于并流和逆流之间。

 

一、 板式换热器的结构组成      

         

2.1 框架  
板式换热器的主体是由前后固定板、上下导向杆、立柱、压紧螺栓等构成的框架。框架起支撑固定作用,并通过压紧装置将板片组紧密压合在一起,防止泄漏。活动压板可沿导向杆自由滑动,便于拆装清洗[3]。

2.2 接口  
固定板上设有进出口接管,与外部管路连通。接口的尺寸、形式应与介质的种类、流量、温度、压力相适应。常见的接口形式有法兰式、螺纹式、快速接头式等[4]。

2.3 密封  
为防止介质泄漏,在板片四周和进出口处设置密封材料。常用的密封有胶条式、粘贴式、嵌入式等。密封材料应耐腐蚀、耐高温,并具有良好的弹性和压缩永久变形小等特点[5]。

2.4 板片组  
板片是换热器的核心部件,由波纹板片交错叠置而成。板片数量可根据换热负荷和尺寸要求灵活调整。相邻板片间用支撑点或胀型保持适当间隙,形成流道。板片组置于框架内,与固定板、活动压板接触[6]。

 

三、 板片与流道      

         

3.1 板片的种类与特点    
板片按材质可分为不锈钢、钛、高镍合金等;按强度可分为硬板和软板;按波纹形式可分为人字形、V形、菱形等。不同板片具有不同的承压能力、抗腐蚀性和传热性能[7]。

板片表面经过压印、拉伸等工艺加工出各种波纹形状,通过扰流、分离、再附等机理强化传热,并起到支撑、导流的作用。板片的波纹角度、波距、波深等几何参数对流道的水力和传热特性有显著影响[8]。

3.2 流道的特点与分类    
板片组装后,相邻两片之间形成狭长的流道,高度一般为2~5mm。流体在流道内受到板片波纹的扰动,产生强烈的紊流和二次流,边界层变薄,对流换热加强。

根据冷热流体的流向,流道可分为以下三类[9]:
(1)冷流道:只有冷流体单向流过,起吸热作用。
(2)热流道:只有热流体单向流过,起放热作用。
(3)混合流道:冷热流体交替流过,既吸热又放热。在多通道板换中用于提高温差利用率。

 

 

四、 板式换热器在暖通领域的应用      

         

4.1 用于空调系统    
板式换热器可用作空调系统的冷热源侧换热器,如冷冻水换热器、冷却水换热器等。与壳管式相比,板式换热器换热系数高,设备尺寸小,有利于机房布置。并且便于拆洗,可有效控制水垢、污垢的影响[10]。

4.2 用于新风处理    
新风处理过程中需要大量新风与回风进行热湿交换,传统的纸质热交换芯体效率低、易损坏。采用全铝制新风板式换热器,既可显著提高换热效率和除湿量,又具有材质轻、耐腐蚀、清洗方便等优点,是现代暖通系统的理想选择[11]。

4.3 用于热回收    
暖通系统的排风、废水中含有大量可再利用的低品位热量。采用板式换热器对这些废热进行回收利用,可大幅降低系统的运行能耗。如用于空调冷凝水热回收、灰水热回收、烟气余热回收等,经济效益显著[12]。

4.4 用于地源热泵    
地源热泵系统需要将土壤、地下水、地表水等自然冷热源与空调冷热水进行热交换。采用高效紧凑的板式换热器,可减小埋管换热器的尺寸,降低打井成本。同时由于水力损失小,也可降低循环泵的能耗[13]。

 

五、 板式换热器 的设计原则与参数      

         

5.1 设计原则  

板式换热器的设计应遵循以下原则[14]:
(1)满足工艺要求的前提下,尽量实现紧凑化、小型化。
(2)选择高效率、低阻力的板型,减小设备尺寸和运行费用。
(3)结构设计应考虑制造、安装、检修等因素,提高装配和清洗的便利性。
(4)防腐防垢设计,延长使用寿命,降低维护成本。
(5)合理配置板片数量和通道布置,兼顾传热性能与机械强度。

5.2 主要设计    

参数
板式换热器的设计计算涉及多个热工和水力参数,主要包括以下几类[15]:
(1)热负荷参数:换热量、进出口温度、温差、热流密度等。
(2)板片参数:材质、尺寸、厚度、波纹形式、波纹角度、波距、波高、压花率等。
(3)流道参数:当量直径、长度、宽度、高度、数量、布置形式等。
(4)流体参数:流量、流速、密度、比热容、导热系数、黏度、雷诺数等。
(5)传热参数:表面传热系数、污垢热阻、总传热系数、对数平均温差、传热面积、温度效率等。
(6)水力参数:流道压力损失、局部压力损失、泵功、分配系数等。

以上参数相互关联,在设计时需要通过计算机程序进行反复迭代优化,才能得到满足工艺要求、节省投资和运行费用的最佳设计方案。

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