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提高冷却器换热效率的若干办法

一、板式冷却器优化设计方向 

近年来,板式冷却器技术日益成熟,其传热效率高,体积小,重量轻,污垢系数低,拆卸方便,板片品种多,适用范围广,在供热行业得到了广泛应用。板式冷却器按组装方式分为可拆式、焊接式、钎焊式、板壳式等。由于可拆式板式冷却器便于拆卸清洗,增减冷却器面积灵活,在供热工程中使用较多。可拆式板式冷却器受橡胶密封垫耐热温度的限制,适用于水一水传热。本文对提高可拆式板式冷却器效能的优化设计进行研究。

提高板式冷却器的效能是一个综合经济效益问题,应通过技术经济比较后确定。提高冷却器的传热效率和降低冷却器的阻力应同时考虑,而且应合理选用板片材质和橡胶密封垫材质及安装方法,保证设备安全运行,延长设备使用寿命。

二、板式冷却器优化设计方法

2.1提高传热效率

板式冷却器是问壁传热式冷却器,冷热流体通过冷却器板片传热,流体与板片直接接触,传热方式为热传导和对流传热。提高板式冷却器传热效率的关键是提高传热系数和对数平均温差。

① 提高冷却器传热系数只有同时提高板片冷热两侧的表面传热系数,减小污垢层热阻,选用热导率高的板片,减小板片的厚度,才能有效提高冷却器的传热系数。

a.提高板片的表面传热系数

由于板式冷却器的波纹能使流体在较小的流速下产生湍流 (雷诺数一 150时 ),因此能获得较高的表面传热系数,表面传热系数与板片波纹的几何结构以及介质的流动状态有关。板片的波形包括人字形、平直形、球形等。经过多年的研究和实验发现,波纹断面形状为三角形 (正弦形表面传热系数最大,压力降较小,受压时应力分布均匀,但加工困难? )的人字形板片具有较高的表面传热系数,且波纹的夹角越大,板间流道内介质流速越高,表面传热系数越大。

b.减小污垢层热阻

减小冷却器的污垢层热阻的关键是防止板片结垢。板片结垢厚度为 1 mm时,传热系数降低约 10%。因此,必须注意监测冷却器冷热两侧的水质,防止板片结垢,并防止水中杂物附着在板片上。有些供热单位为防止盗水及钢件腐蚀,在供热介质中添加药剂,因此必须注意水质和黏 *剂引起杂物沾污冷却器板片。如果水中有黏性杂物,应采用专用过滤器进行处理。选用药剂时,宜选择无黏性的药剂。

c.选用热导率高的板片

板片材质可选择奥氏体不锈钢、钛合金、铜合金等。不锈钢的导热性能好,热导率约14.4 W/(m•K) ,强度高,冲压性能好,不易被氧化,价格比钛合金和铜合金低,供热工程中使用最多,但其耐氯离子腐蚀的能力差。

d.减小板片厚度

板片的设计厚度与其耐腐蚀性能无关,与冷却器的承压能力有关。板片加厚,能提高冷却器的承压能力。采用人字形板片组合时,相邻板片互相倒置,波纹相互接触,形成了密度大、分布均匀的支点,板片角孑 L及边缘密封结构已逐步完善,使冷却器具有很好的承压能力。国产可拆式板式冷却器最大承压能力已达到了 2.5 MPa。板片厚度对传热系数影响很大,厚度减小 0.1mm,对称型板式冷却器的总传热系数约增加 600W/(m •K),非对称型约增加 500 W/(m •K) 。在满足冷却器承压能力的前提下,应尽量选用较小的板片厚度。

② 提高对数平均温差

板式冷却器流型有逆流、顺流和混合流型 (既有逆流又有顺流 )。在相同工况下,逆流时对数平均温差最大,顺流时最小,混合流型介于二者之问。提高冷却器对数平均温差的方法为尽可能采用逆流或接近逆流的混合流型,尽可能提高热侧流体的温度,降低冷侧流体的温度。

③ 进出口管位置的确定

对于单流程布置的板式冷却器,为检修方便,流体进出口管应尽可能布置在冷却器固定端板一侧。介质的温差越大,流体的自然对流越强,形成的滞留带的影响越明显,因此介质进出口位置应按热流体上进下出,冷流体下进上出布置,以减小滞留带的影响,提高传热效率。

2.2降低冷却器阻力的方法

提高板问流道内介质的平均流速,可提高传热系数,减小冷却器面积。但提高流速,将加大冷却器的阻力,提高循环泵的耗电量和设备造价。循环泵的功耗与介质流速的 3次方成正比,通过提高流速获得稍高的传热系数不经济。当冷热介质流量比较大时,可采用以下方法降低冷却器的阻力,并保证有较高的传热系数。

① 采用热混合板

热混合板的板片两面波纹几何结构相同,板片按人字形波纹的夹角分为硬板 (H)和软板 (L),夹角 (一般为 120。左右 )大于 90。为硬板,夹角 (一般为 70。左右 )小于 90。为软板。热混合板硬板的表面传热系数高,流体阻力大,软板则相反。硬板和软板进行组合,可组成高 (HH)、中 (HL)、低 (LL)3种特性的流道,满足不同工况的需求。