板壳式换热器的强化传热设计

板壳式换热器的强化传热设计

板壳式换热器是一种由板束和壳体组成的换热装置，在中国很少见。其早期型式与管壳式很相似,只是用平板缝焊成的扁平板管代替圆管而已。这种换热器比管壳式换热器紧凑,但因板管还是平滑直管,强化传热效果不好。因此设计一种强化传热的板型传热面结构,例如与板式换热器类似的波纹板传热面,就成了这类换热器改进的重点。板式换热器是工业流程中应用较为广泛的换热设备之一。但由于密封垫片的原因,使其工作温度、压力和密封性能受到限制,不适合体积流量相差太大的场合,更无法应用于降膜传热和传质的过程。近年来出现了一种焊接式板式换热器,但制造工艺要求高,难以推广应用。为此笔者设计了一种适合国内技术水平的新型板壳式换热器。1相邻传热板片的制备新型板壳式换热器用于液-液传热的基本构造见图1。这种换热器由矩形波纹板片和壳体组成,在板片的2个对角上各设置1个导通孔,作为板内流体的进出口。在叠置的相邻传热板片的四周和导通孔处相间地用电阻缝焊(亦称滚焊)焊接,形成封闭的平行板内通道。板外流体需要由壳体来包容,其进出口设置在壳体上。2优势和劣势(1)道内流体传播特性流动形式与板式换热器类似,在网流状波纹通道中,流体受到强烈扰动,临界雷诺数只有20~50,在很低的流速下就呈湍流特性,传热系数很高。并且可实现逆流传热,热回收率高。(2)规格型号的使用在同一壳体内,可并联或串联布置若干个板片组,只需2~3种板片就可满足从几个m2到上千m2规格型号的使用,并与用户所需的物料相匹配,以保证最小传热表面与最低输运成本两者的最佳结合。(3)供热介质对比板片间采用焊接密封,能严格保证2种换热介质不相混合。实际研制表明,电阻焊接方式的质量可靠,机械化程度较高,且不用消耗焊条、焊剂和惰性气体。(4)腐蚀和长期生活板片由耐腐蚀的不锈钢材料制造,对于含氯介质,可用钛板制造,确保换热器使用寿命。(5)纵向缝焊平面除了和板式换热器一样采用能提高强度和刚度的层叠布置波纹板片,形成网状交叉接触点,使板片受力条件合理外,还在板片中间设置了一道纵向缝焊平面(图2),以减小板内流体压力将板片通道撑开而传递给壳体板的压力,所以只需较薄的板片(0.6mm左右)就可承受较高工作压力。较薄的板片还可弥补不锈钢材料导热系数小的不足。对于由多个板片组构成的大型换热器,可在壳体内设置隔板或筋板,使换热器形成蜂窝状结构,因而壳体钢板无需很厚,板壳式换热器平均质量和体积只有管壳式或螺旋板式的25%~40%。(6)钢绞线换热器虽然采用耐腐蚀优质不锈钢材料制造板壳式换热器,但其制造成本却与碳钢螺旋板式换热器相当。其原因在于:①板材的轧制过程比无缝管的挤制过程简单,能量消耗较低,材料成本低得多。②由于板片较薄,按面积算,0.6mm厚不锈钢板与4mm厚碳钢卷板的材料价格几乎相当,而低于3mm厚的钢管。③板壳式换热器的传热效率高于管壳式和螺旋板式,完成相同任务换热器的传热面积可减少。④板壳式换热器的模具较简单,费用低,并且只需2~3副模具就可用于常用的规格,初期设备投资少,生产效率高。⑤电阻缝焊的单位成本只有氩弧焊的10%~20%。(7)运输流体所需的功率虽然波纹板通道内的局部阻力比光滑表面要大,但由于板片数目多,并列的通道数目较多(螺旋板式换热器是一条通道到底),因而流动速度并不高,再加上通道长度较短,所以其总体阻力损失反而比其它型式的换热器更小,因此可使运输流体所需的功率减小。(8)减少了悬浮水结垢流过此换热器网流形波纹通道的湍流使固形物保持悬浮状态,减少了诸如二氧化钛、氧化钙或含有大量泥沙冷却水等悬浮水的结垢。另外,对于某些一侧流体较脏,容易结垢的场合,还可以将壳侧做成可拆型,用机械清洗。(9)汽流通道、喷淋系统板壳式换热器不仅可以用于液-液热交换,还可采用在壳体上留出气液分离和储液空间,或留出汽流通道,或在板片上方设置喷淋装置等措施使其用于蒸发、冷凝、发生和吸收等传热传质过程。例如,双效蒸汽型溴化锂吸收式制冷机的全部换热器都可用板壳式换热器,见图3。3合同主体的要求新型板壳式换热器集中了管壳式和板式换热器的优点,其独特的结构为采用质量可靠、成本较低廉的电阻缝