板式换热器传热与流动分析

宋清丽(辽宁省本溪市化学工业学校，辽宁 本溪 117000)

当今，越来越严重的世界能源危机有力的促进了传热强化技术的发展，为了节能降耗，减少工业成本，加快工业的生产效率，提高工业的经济产值，开发适用于各行工业作业过程中所需要的高效能换热设备是极其有必要的。因为随着越来越明显的能源短缺问题，可利用热源的温度越来越低，热板允许的温差会逐渐变得更小，这样一来对换热技术和换热器的性能要求也就更高了。板式换热器的基本发展趋势是提高换热器的传热效率、提高换热器的结构紧凑性、降低材料消耗，增强换热器承受高温、高压、超低温以及耐腐蚀的能力，保证换热器互换性及扩大容量的灵活性。

近些年，板式换热器技术日渐成熟，它的传热效率高、体积较小、重量轻、污垢系数低、拆卸方便、板片品种多样性且适用范围广，在各行各业中得到广泛应用。炼油化工厂的生产中常常会产生出大量温度稍高的废水，可应用板式换热器将废水中的热量回收；在纯碱厂中应用换热器代替喷淋冷凝器不仅能够减少投资成本，而且还能够节约大额的水费和维修费；板式换热器在化学工业中，可以用于加热、冷却、蒸发各种酸、碱、盐类化学品；在食品加工工业中，可利用板式换热器对食品进行加热、冷却、杀菌等；板式换热器也可应用于供暖中，如暖气就是依据板式换热器原理所生成一种简单的板式换热器；同理，板式换热器也可用于制药工业中，在药品加工过程中对药物进行加热、冷却、结晶以及杀菌等；板式换热器也可用于机械制造工业中对各种淬火液进行冷却，还能够冷却压力机、工业母机润滑油，还可以加热发动机用油；除此之外，换热器在纺织工业、油脂工业、电力工业等等各行业也都发挥着至关重要的作用。

1 对板式换热器传热与流动分析和研究

1.1 板式换热器的工作原理及优越性

板式换热器的换热性能是依据热学定律：“热量能够自主的从温度高的物体传给温度相对较低的物体，但是不能自主的从温度低的物体传递给温度相对较高的问题”,热量在存在温差的两种物质之间进行热传递，由于热传递板表面采用特定接触面结构设计，使得板式换热器的热传递率在百分之九十五以上，即使换热器中的液体的流速在雷诺准数值以下，液体在板片之间做的运动也是空间性运动，这种运动就能够加速液体的剧烈运动，减少边界层对热量传递的阻碍，增大热量传递效率。板式换热器由于其所特有的优越性因而被广泛应用。板式换热器具有传热系数高的特点，其板片所特有的波纹结构能够使流体即使在小流速的换热器中产生急流，从而使流体能够高效率传递热量。板式换热器的体积小使得它的占地范围也很小，但是它的传热面积大，因为换热器中的流体的剧烈运动使得换热器具有极强的传热能力。板式换热器的热量传递主要是通过换热器中的流体剧烈运动，流体运动过程中就会对换热器内部造成冲洗，因此板式换热器内部不易沉积污垢，使得板式换热器具有一定的自我清洁功能。此外，板式换热器质量轻便于安装而且价格低，所以被广泛应用于各工业生产中。

1.2 板式换热器的热传递与流体流动

板式换热器中流体间热传递的热量交换通常都是通过流体的对流方式交换热量或者改变流体形态方式交换热量以及通过换热器的板片导热来进行的。

1.2.1 对流方式板式换热器中的对向流体交换热量方式是指导热介质都是液体的热量传递方式。对流换热的传热过程就是液体把热量传递给板片，或者板片把热量传递给液体的热量传递过程，这种热传递方式主要是通过液体的运动以及液体间热量传递来进行的，因此这种热量传递方式的传热效率与液体的运动状况相关联。对流导热方式分为自然对流热传递和强制对流热传递两种方式，自然对流热传递是依据液体间不同位置温度不同所产生的的温度差而使得液体间进行热量交换的热传递；强制对流换热是液体在机械外力对其做功的情况下所产生的流动时引起的热量传递，通过泵的作用力下液体在板式换热器中流动时的热传递都属于强制对流换热。一般情况来说，板式换热器中液体在外力作用下的流动流速都会大大超过流体自然流动时的流速，所以强制换热方式的传热性能以及传热效率都会远远超出自然换热方式时的传热性能和传热效率。影响对流热传递的因素具有多样性的，如换热期中液体的粘稠度、液体的密度、液体的导热性能等，也与板式换热器中板片的大小、形状等有关。

1.2.2 形态改变方式在对流热传递中液体蒸发所形成的蒸汽发生冷却凝结或者液体出现沸腾这种现象的过程，通过改变液体形态来进行热传递的方式也被称为相变热传递。这种热传递方式分为凝结热传递和沸腾热传递。当变为蒸汽形态的液体和此环境下温度低于蒸汽的板片表面接触时，蒸汽就会在板片上发生冷却凝结，这时蒸汽就会释放自身热量而冷却成液体形态，冷却形成液体则成为新的热传递介质。在这个热量传递过程中，蒸汽的流动速度会对换热器的热量传递效率具有一定影响，因为在蒸汽运动的过程中，蒸汽与液体表面层之间会有一定的相互间作用力，这种作用力在蒸汽和液体流动方向相同时，会使液体表面的液膜逐渐变薄，能够增强热传递效率。而当蒸汽与液体表面的流动方向相反时，二者之间的作用力则会阻碍表面液体的流动，这时就会阻碍液体间的相对流动速度；换热期中液体在受热温度达到一定高度的情况下会发生沸腾或者蒸发现象，这种换热方式则称为沸点换热。这种换热方式的有两种沸腾换热方式，一种是液体的核心温度小于同环境下的饱和温度所发生的换热，还有一种是液体的核心温度与同环境下的饱和温度相同时发生的换热。

1.2.3 边缘体导热在板式换热器的换热工作中，板片和板片表面的污垢层所进行的热传递都属于导热。板片表面的污垢层传热效率较低，传热能力比较弱，所以板片表面的污垢层即便厚度极薄，但污垢层的导热性能依旧很弱。而由于板式换热器中液体为了能够高效率热传递进行换热工作，所以液体具有较高的流动速度，这样就会对板片表面的污垢层进行冲刷，这样不但能够减少污垢的聚集量，又能够对换热器起到清洁作用，所以板式换热器中垢层一般都比较薄，换热器运行时的导热性能也比较好。

2 结语

板式换热器具有高效节能、结构紧凑、容易清洗拆装方便、使用寿命长、适应性强且不串液等优点，板式换热器作为一种高效紧凑式的换热器，在其加热、冷却、凝结、蒸发和热传导过程中，与管壳式换热器相比具有低廉价格和更高传热效率的优点，因而得到了各个工业领域的广泛应用。板式换热器的应用不仅能够起到节能减耗的作用，而且对工业生产能够降低成本，增加工业生产经济效益，对工业的生产经济具有促进作用。

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