板式換熱器傳熱分析

2021-12-10

次

在板式換熱器的傳熱過(guò)程中，有無(wú)相變對(duì)傳熱有重要影響，流體的流動(dòng)狀態(tài)、流動(dòng)方向、流量大小、流程組合也影響著傳熱的進(jìn)行，凡是影響到流體流動(dòng)的因素都會(huì)影響到真實(shí)的傳熱系數(shù)，影響到換熱量和傳熱效率。根據(jù)傳熱學(xué)基本公式：

Q=KFΔt

由此可見傳熱系數(shù)K與換熱面積F是反比例關(guān)系，提高傳熱系數(shù)，可以提高產(chǎn)品的熱效率，降低換熱面積，減少加工成本。

一：板式換熱器對(duì)流換熱



        對(duì)流和導(dǎo)熱都是傳熱的基本方式。對(duì)于工程上的傳熱過(guò)程，流體總是和固體壁面直接相接觸的。因此，熱量的傳遞一方面是依靠流體質(zhì)點(diǎn)的不斷運(yùn)動(dòng)的混合，即所謂的對(duì)流作用：另一方面依靠由于流體和壁面以及流體各處存在溫差而造成的導(dǎo)熱作用。這種對(duì)流和導(dǎo)熱同時(shí)存在的過(guò)程，稱為對(duì)流換熱。

        由于引起流體流動(dòng)的原因不同而使對(duì)流換熱的情況有很大的差異，所以將對(duì)流換熱分為兩大類。一類是自然對(duì)流（或稱自由流動(dòng)）換熱，即因流體各部分溫度不同引起的密度差異所產(chǎn)生的流動(dòng)換熱，如：空氣沿散熱器表面的自然對(duì)流換熱：另一類是強(qiáng)制對(duì)流（或稱為強(qiáng)迫流動(dòng)）換熱，即流體在泵或風(fēng)機(jī)等外力作用下流動(dòng)時(shí)的換熱，如：熱水在泵的驅(qū)動(dòng)下，在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的換熱。

        一般情況下，強(qiáng)制流動(dòng)時(shí)，流體的流速高于自由流動(dòng)時(shí)．所以強(qiáng)制流動(dòng)的對(duì)流換熱系數(shù)高。如：空氣的自由流動(dòng)換熱系數(shù)約為5-25w /（㎡.℃），而它的強(qiáng)制流動(dòng)傳熱系數(shù)為10-100w /（㎡.℃）。

        影響對(duì)流換熱的因素很多，如流體的物性（比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、密度、粘度等），換熱器表面形狀、大小，流體的流動(dòng)方式．都會(huì)影響對(duì)流換熱，而且情況很復(fù)雜。在傳熱計(jì)算上為了方便，建立了以下的對(duì)流換熱量的計(jì)算公式（牛頓冷卻公式）:

        由該公式可見，影響對(duì)流換熱的因素都被歸結(jié)到對(duì)流換熱系數(shù)中，對(duì)流換熱系數(shù)數(shù)值上的大小反映了對(duì)流換熱的強(qiáng)弱。

         流體在板式換熱器的通道中流動(dòng)時(shí)，在湍流條件下，通常用下面的關(guān)聯(lián)式計(jì)算流體沿整個(gè)流程的平均對(duì)流傳熱系數(shù)af（α=Nu*λ/de）：

如果流體的粘度變化很大，則可采用Sieder-Tate的關(guān)聯(lián)式的形式：



對(duì)于牛頓型層流換熱時(shí)，可采用下面關(guān)聯(lián)式：



[上式中C=1.86~4.50；n=0.25~0.33；x=0.1~0.2]

過(guò)渡流時(shí)所得出的關(guān)聯(lián)式比較復(fù)雜，故通?？筛鶕?jù)Re的數(shù)值，由板式換熱器的特性圖線查得。對(duì)流傳熱系數(shù)的求解也可利用表達(dá)傳熱因子與Re的關(guān)聯(lián)式計(jì)算：





式中jh—柯爾朋傳熱因子，即



對(duì)流傳熱系數(shù)為：



通過(guò)上述分析可見，影響對(duì)流換熱的因素很多，如流體的物性（比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、密度、粘度等），換熱器板片表面形狀、大小，流體的流動(dòng)方式，都會(huì)影響對(duì)流換熱。對(duì)流換熱時(shí)不同的工況的換熱系數(shù)是不同的，要按照不同的計(jì)算公式計(jì)算。

二：板式換熱器相變換熱



        在對(duì)流換熱中發(fā)生著蒸汽的凝結(jié)或液體的沸騰（或蒸發(fā)）的換熱過(guò)程，統(tǒng)稱為相變換熱。由于在這類換熱過(guò)程中，同時(shí)發(fā)生著物態(tài)的變化，情況要比單相流體中的對(duì)流換熱復(fù)雜得多，所以，相變換熱問題成為一個(gè)獨(dú)立的研究領(lǐng)域，而一般的對(duì)流換熱問題也就僅指單相流體而言。

下圖為飽和水在水平加熱面上沸騰的典型曲線。

飽和沸騰時(shí)，壁溫與液體飽和溫度之差（tw-ts）稱為沸騰溫差，沸騰傳熱系數(shù)為αb，則：   q=α b(tw-ts)

飽和水在水平加熱面上沸騰的典型曲線

1：凝結(jié)換熱

       蒸汽和低于相應(yīng)壓力下飽和溫度的壁面相接觸，在壁面上就會(huì)發(fā)生凝結(jié)。蒸汽釋放出汽化潛熱而凝結(jié)成液體，這種放熱現(xiàn)象稱為凝結(jié)換熱。

        按照蒸汽在壁面上的凝結(jié)形式不同．可分為兩種凝結(jié)。一種為膜狀凝結(jié)，即凝結(jié)液能很好地潤(rùn)濕壁面，凝結(jié)液以顆粒狀液珠的形式附著在壁面上，如水蒸汽在有油的壁面上凝結(jié)情況。膜狀凝結(jié)時(shí)所釋放出來(lái)的潛熱必須通過(guò)凝結(jié)膜才能供給較低溫度的壁而，顯然，這層液膜成為一項(xiàng)熱阻。

        而珠狀凝結(jié)時(shí)，換熱是在蒸汽與液珠表面和蒸汽與裸露的冷壁間進(jìn)行的，所以膜狀凝結(jié)傳熱系數(shù)要比珠狀凝結(jié)傳熱系數(shù)低，如：水蒸汽在大氣壓下，膜狀凝結(jié)傳熱系數(shù)約為 6000-10 4/（㎡.℃），而珠狀凝結(jié)時(shí)則為 4·（104-106）W/（㎡.℃）．但是在工業(yè)過(guò)程中，一般都是膜狀凝結(jié)，除非對(duì)壁面進(jìn)行預(yù)處理或在蒸汽中加入促進(jìn)劑。對(duì)于單一介質(zhì)，在層流膜狀凝結(jié)情況下，不考慮液膜內(nèi)流體的對(duì)流，則液膜層中的溫度τ和速度Ψ分布如圖 2 - l 所示：

        蒸汽流速對(duì)凝結(jié)換熱的影響很大，當(dāng)蒸汽以一定的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，蒸汽和液膜間會(huì)產(chǎn)生一定的力的作用。若蒸汽和液膜的流動(dòng)方向相同，這種力的作用將使凝結(jié)液膜減薄，并促使液膜產(chǎn)生一定的波動(dòng)，故使凝結(jié)傳熱增強(qiáng)。

       當(dāng)蒸汽和液膜流向相反時(shí)，力的作用會(huì)阻礙液膜流動(dòng)，使液膜增厚，導(dǎo)致傳熱惡化。但是，當(dāng)這種力的作用超過(guò)重力時(shí)，液膜會(huì)被蒸汽帶動(dòng)面脫離壁面，反而使傳熱系數(shù)急劇增大。在板式換熱器中，由于流道狹窄，蒸汽的流動(dòng)方向宜于自上而下，并且應(yīng)單程布置，以便減小壓峰和有利于凝液的排除。

        由于冷卻介質(zhì)與蒸汽在板式換熱器的通道中是平行地流動(dòng)，兩者相對(duì)的流動(dòng)方向不同影響到凝結(jié)過(guò)程的不同。逆流時(shí)因通道的下部溫差大，所以蒸汽凝結(jié)大部分發(fā)生在通道下部．而順流時(shí)則相反。見圖 2-2 所示：

        所以，逆流時(shí)蒸汽的壓降要比順流時(shí)大，相應(yīng)的飽和溫度下降較多，從而影響到冷凝換熱效果。因此，在滿足熱負(fù)荷的條件下，應(yīng)該首先考慮選擇使用順流布置。

        蒸汽的壓力對(duì)凝結(jié)換熱也有一定的影響，天津大學(xué)的研究表明，在同養(yǎng)殖量的流速下，壓力的提高使密度增大。從而使凝結(jié)換熱得到改善，并降低壓降。蒸汽中不凝性氣體的存在，即使含量很小，傳熱系數(shù)也將大大降低。例如：水蒸汽中不凝性氣體容積的含量?jī)H為 0 . 5 ％時(shí)，傳熱系數(shù)就下降50 ％。在板式換熱器的運(yùn)行系統(tǒng)中，應(yīng)考慮到不凝性氣體的排除。

2 ：沸騰換熱

      液體在受熱情況下產(chǎn)生的沸騰或蒸發(fā)吸熱過(guò)程，稱為沸騰換熱，這是一種流體由液相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀嗟膿Q熱過(guò)程。液體在受熱表面上的沸騰可分為大空間沸騰（池沸騰）和有限空間沸騰（強(qiáng)迫對(duì)流沸騰）。不論哪種沸騰，又都有過(guò)冷沸騰和飽和沸騰之分。

    過(guò)冷沸騰是在液體主流溫度低于相應(yīng)壓力下的飽和溫度而加熱壁面溫度己超過(guò)飽和溫度的條件下所發(fā)生的沸騰現(xiàn)象。

    飽和沸騰則是液體的主流溫度超過(guò)了飽和溫度，從加熱壁面產(chǎn)生的氣泡不再被液體重新凝結(jié)的沸騰。

        飽和沸騰時(shí)，壁溫與液體飽和溫度之差（q=tw-ts）稱為沸騰溫差，設(shè)沸騰傳熱系數(shù)為ab ，則有：

現(xiàn)在應(yīng)用較普遍的沸騰傳熱系數(shù)αb的計(jì)算式為：

[式中λ—導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；σ—表面張力(N/m)；ΔP—對(duì)應(yīng)于Δt =(tw-ts)的蒸汽壓力差(Pa)；R—換算系數(shù)，為9.8(N.m/(s2.N))；γ—熱容量的比]。

[式中Ф—修正系數(shù)，是液體湍流—?dú)怏w湍流時(shí)馬丁尼利參數(shù)] 。

        在板式換熱器內(nèi)所發(fā)生的飛騰過(guò)程屬于有限空間沸騰，流體是在外力驅(qū)動(dòng)下的流動(dòng)過(guò)程中因受熱而發(fā)生的沸騰，故也稱為強(qiáng)迫對(duì)流沸騰，它的沸騰點(diǎn)與流體在垂直管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的沸騰狀況基本相同，見圖2-3 。開始時(shí)是過(guò)冷沸騰，隨著溫度的提高，產(chǎn)生愈來(lái)愈多的氣泡，于是相繼產(chǎn)生泡狀、塊狀、氣塞狀、環(huán)狀以至霧狀的流動(dòng)沸騰。在蒸汽中的液滴蒸發(fā)完后，流體的加熱就屬于單相流的強(qiáng)制換熱了，蒸汽得到過(guò)熱。

板式換熱器配件