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板式换热器传热分析

 在板式换热器的传热过程中,有无相变对传热有重要影响,流体的流动状态、流动方向、流量大小、流程组合也影响着传热的进行,凡是影响到流体流动的因素都会影响到真实的传热系数,影响到换热量和传热效率。根据传热学基本公式:

Q=KFΔt

由此可见传热系数K与换热面积F是反比例关系,提高传热系数,可以提高产品的热效率,降低换热面积,减少加工成本。


一:板式换热器对流换热

    

        对流和导热都是传热的基本方式。对于工程上的传热过程,流体总是和固体壁面直接相接触的。因此,热量的传递一方面是依靠流体质点的不断运动的混合,即所谓的对流作用:另一方面依靠由于流体和壁面以及流体各处存在温差而造成的导热作用。这种对流和导热同时存在的过程,称为对流换热。

 

        由于引起流体流动的原因不同而使对流换热的情况有很大的差异,所以将对流换热分为两大类。一类是自然对流(或称自由流动)换热,即因流体各部分温度不同引起的密度差异所产生的流动换热,如:空气沿散热器表面的自然对流换热:另一类是强制对流(或称为强迫流动)换热,即流体在泵或风机等外力作用下流动时的换热,如:热水在泵的驱动下,在管内流动时的换热。

 

        一般情况下,强制流动时,流体的流速高于自由流动时.所以强制流动的对流换热系数高。如:空气的自由流动换热系数约为5-25w /(㎡.℃),而它的强制流动传热系数为10-100w  /(㎡.℃)。

 

        影响对流换热的因素很多,如流体的物性(比热容、导热系数、密度、粘度等),换热器表面形状、大小,流体的流动方式.都会影响对流换热,而且情况很复杂。在传热计算上为了方便,建立了以下的对流换热量的计算公式(牛顿冷却公式):


        由该公式可见,影响对流换热的因素都被归结到对流换热系数中,对流换热系数数值上的大小反映了对流换热的强弱。


         流体在板式换热器的通道中流动时,在湍流条件下,通常用下面的关联式计算流体沿整个流程的平均对流传热系数af(α=Nu*λ/de):

如果流体的粘度变化很大,则可采用Sieder-Tate的关联式的形式:

                          

 

对于牛顿型层流换热时,可采用下面关联式:

                

 

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


过渡流时所得出的关联式比较复杂,故通常可根据Re的数值,由板式换热器的特性图线查得。对流传热系数的求解也可利用表达传热因子与Re的关联式计算:

      

            

式中jh—柯尔朋传热因子,即

 

     

对流传热系数为:

     


通过上述分析可见,影响对流换热的因素很多,如流体的物性(比热容、导热系数、密度、粘度等),换热器板片表面形状、大小,流体的流动方式,都会影响对流换热。对流换热时不同的工况的换热系数是不同的,要按照不同的计算公式计算。


二:板式换热器相变换热

    

        在对流换热中发生着蒸汽的凝结或液体的沸腾(或蒸发)的换热过程,统称为相变换热。由于在这类换热过程中,同时发生着物态的变化,情况要比单相流体中的对流换热复杂得多,所以,相变换热问题成为一个独立的研究领域,而一般的对流换热问题也就仅指单相流体而言。

 

下图为饱和水在水平加热面上沸腾的典型曲线。

饱和沸腾时,壁温与液体饱和温度之差(tw-ts)称为沸腾温差,沸腾传热系数为αb,则:   q=α b(tw-ts)                      

饱和水在水平加热面上沸腾的典型曲线


1:凝结换热


       蒸汽和低于相应压力下饱和温度的壁面相接触,在壁面上就会发生凝结。蒸汽释放出汽化潜热而凝结成液体,这种放热现象称为凝结换热。

 

        按照蒸汽在壁面上的凝结形式不同.可分为两种凝结。一种为膜状凝结,即凝结液能很好地润湿壁面,凝结液以颗粒状液珠的形式附着在壁面上,如水蒸汽在有油的壁面上凝结情况。膜状凝结时所释放出来的潜热必须通过凝结膜才能供给较低温度的壁而,显然,这层液膜成为一项热阻。

 

        而珠状凝结时,换热是在蒸汽与液珠表面和蒸汽与裸露的冷壁间进行的,所以膜状凝结传热系数要比珠状凝结传热系数低,如:水蒸汽在大气压下,膜状凝结传热系数约为 6000-10 4/(㎡.℃),而珠状凝结时则为 4·(104-106)W/(㎡.℃).但是在工业过程中,一般都是膜状凝结,除非对壁面进行预处理或在蒸汽中加入促进剂。对于单一介质,在层流膜状凝结情况下,不考虑液膜内流体的对流,则液膜层中的温度τ和速度Ψ分布如图 2 - l 所示:


 

        蒸汽流速对凝结换热的影响很大,当蒸汽以一定的速度运动时,蒸汽和液膜间会产生一定的力的作用。若蒸汽和液膜的流动方向相同,这种力的作用将使凝结液膜减薄,并促使液膜产生一定的波动,故使凝结传热增强。

 

       当蒸汽和液膜流向相反时,力的作用会阻碍液膜流动,使液膜增厚,导致传热恶化。但是,当这种力的作用超过重力时,液膜会被蒸汽带动面脱离壁面,反而使传热系数急剧增大。在板式换热器中,由于流道狭窄,蒸汽的流动方向宜于自上而下,并且应单程布置,以便减小压峰和有利于凝液的排除。

 

        由于冷却介质与蒸汽在板式换热器的通道中是平行地流动,两者相对的流动方向不同影响到凝结过程的不同。逆流时因通道的下部温差大,所以蒸汽凝结大部分发生在通道下部.而顺流时则相反。见图 2-2 所示:



        所以,逆流时蒸汽的压降要比顺流时大,相应的饱和温度下降较多,从而影响到冷凝换热效果。因此,在满足热负荷的条件下,应该首先考虑选择使用顺流布置。

        蒸汽的压力对凝结换热也有一定的影响,天津大学的研究表明,在同养殖量的流速下,压力的提高使密度增大。从而使凝结换热得到改善,并降低压降。蒸汽中不凝性气体的存在,即使含量很小,传热系数也将大大降低。例如:水蒸汽中不凝性气体容积的含量仅为 0 . 5 %时,传热系数就下降50 %。在板式换热器的运行系统中,应考虑到不凝性气体的排除。

 

2 :沸腾换热  

 

      液体在受热情况下产生的沸腾或蒸发吸热过程,称为沸腾换热,这是一种流体由液相转变为气相的换热过程。液体在受热表面上的沸腾可分为大空间沸腾(池沸腾)和有限空间沸腾(强迫对流沸腾)。不论哪种沸腾,又都有过冷沸腾和饱和沸腾之分。

 

    过冷沸腾是在液体主流温度低于相应压力下的饱和温度而加热壁面温度己超过饱和温度的条件下所发生的沸腾现象。


    饱和沸腾则是液体的主流温度超过了饱和温度,从加热壁面产生的气泡不再被液体重新凝结的沸腾。

 

        饱和沸腾时,壁温与液体饱和温度之差(q=tw-ts)称为沸腾温差,设沸腾传热系数为ab ,则有:


现在应用较普遍的沸腾传热系数αb的计算式为:

   

 


[式中λ—导热系数,W/(m·K);σ—表面张力(N/m);ΔP—对应于Δt =(tw-ts)的蒸汽压力差(Pa);R—换算系数,为9.8(N.m/(s2.N));γ—热容量的比]。

 


[式中Ф—修正系数,是液体湍流—气体湍流时马丁尼利参数] 。


        在板式换热器内所发生的飞腾过程属于有限空间沸腾,流体是在外力驱动下的流动过程中因受热而发生的沸腾,故也称为强迫对流沸腾,它的沸腾点与流体在垂直管内流动时的沸腾状况基本相同,见图2-3 。开始时是过冷沸腾,随着温度的提高,产生愈来愈多的气泡,于是相继产生泡状、块状、气塞状、环状以至雾状的流动沸腾。在蒸汽中的液滴蒸发完后,流体的加热就属于单相流的强制换热了,蒸汽得到过热。
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