換熱器是一種高效、緊湊的換熱設備。盡管其發(fā)展已有近百年歷史,且在國民經(jīng)濟的少數(shù)部門(如食品、制藥)有著比較廣泛的應用,但是由于 耐溫、耐壓、耐腐蝕能力而制約其在各個部門的全面推廣和應用。進入80年代以來,由于制造技術、墊片材料的不斷進步以及傳熱理論的不斷完善,板式換熱器的應用越來越受到工業(yè)生產部門的重視。
要確定一項強化傳熱新技術是否先進,必須對其進行評價。但在實際的使用中,出現(xiàn)了多種評價強化傳熱的方法與評價指標。有人主張采用換熱量Q與消耗的泵(或風機)的功率N的比值,即能量系數(shù)作為評價指標,類似的也廣泛采用K/ΔP以及無因次化的Nu/ζ來進行評價,為了更準確地反映強化傳熱的性能,進一步也可以使用K/ΔP1/3及Nu/ζ1/3作為指標。隨著傳熱技術的發(fā)展,換熱器日益向體積小、重量輕的方向發(fā)展,同時在提高效率的前提下,要求操作費用降低。在綜合分析的基礎上,提出了一套較為完整的性能評價數(shù)據(jù),即維持輸送功率、傳熱面積、傳熱負荷3因素中的兩因素不變,比較第3因素的大小以評定傳熱性能的好壞。
這些評價都只是分析換熱器的能量在數(shù)量上轉換、傳遞、利用和損失的情況,即以熱力學第一定律為基礎。為了更準確地反映熱量交換過程能量在質量上的損失,在理論研究中也提出了許多基于熱力學第二定律的評價方法,即分析換熱器中火用的轉換、傳遞、利用和損失的情況。而進行技術推廣應用時,還應考慮采用強化換熱技術后管子等價格的增加和運行費用的變化,運用經(jīng)濟核算的方法進行評價,即熱經(jīng)濟學的評價方法。
而在實際的使用過程中,進行強化傳熱新技術、新方法的研究更多采用簡單易用的單一參數(shù)K,ΔP以及單一參數(shù)組合而成的K/ΔP,K/ΔP1/3來進行評價[9～11]。而基于熱力學第二定律的方法在設計過程中可用來判斷換熱器的性能,作為進一步改善的依據(jù),但在工程上缺乏實用性。
a.提高板片的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)
由于板式換熱器的波紋能使流體在較小的流速下產生湍流( 雷諾數(shù)一1 5 0時 )，因此能獲得較高的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)， 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與板片波紋的幾何結構以及介質的流動狀態(tài)有關。板片的波形包括人字形、 平直形、 球形等。經(jīng)過多年的研究和實驗發(fā)現(xiàn)，波紋斷面形狀為三角形 ( 正弦形表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)最大，壓力降較小，受壓時應力分布均勻，但加工困難…) 的人字形板片具有較高的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，且波紋的夾角越大，板間流道內介質流速越高，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)越大。
b.減小污垢層熱阻
減小換熱器的污垢層熱阻的關鍵是防止板片結垢。板片結垢厚度為1mm時，傳熱系數(shù)降低約10％。因此，必須注意監(jiān)測換熱器冷熱兩側的水質，防止板片結垢，并防止水中雜物附著在板片上。有些供熱單位為防止盜水及鋼件腐蝕，在供熱介質中添加藥劑，因此必須注意水質和黏性藥劑引起雜物沾污換熱器板片。如果水中有黏性雜物，應采用專用過濾器進行處理。選用藥劑時，宜選擇無黏性的藥劑。
c.選用熱導率高的板片
板片材質可選擇奧氏體不銹鋼、鈦合金、銅合金等。不銹鋼的導熱性能好，熱導率約14.4W／( m·K)，強度高，沖壓性能好，不易被氧化，價格比鈦合金和銅合金低，供熱工程中使用最多，但其耐氯離子腐蝕的能力差。
d.減小板片厚度
換熱器板片的設計厚度與其耐腐蝕性能無關， 與換熱器的承壓能力有關。板片加厚， 能提高換熱器的承壓能力。采用人字形板片組合時，相鄰板片互相倒置，波紋相互接觸，形成了密度大、分布均勻的支點，板片角孑L及邊緣密封結構已逐步完善，使換熱器具有很好的承壓能力。國產可拆式板式換熱器最大承壓能力已達到了2.5M P a 。板片厚度對傳熱系數(shù)影響很大，厚度減小 0.1mm，對稱型板式換熱器的總傳熱系數(shù)約增加 6 0 0W／( m ·K)，非對稱型約增加500W／( m·K) ¨ 。在滿足換熱器承壓能力的前提下，應盡量選用較小的板片厚度。
總而言之，只有同時提高板片冷熱兩側的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，減小污垢層熱阻，選用熱導率高的板片，減小板片的厚度，才能有效提高換熱器的傳熱系數(shù)。