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板式换热器的结构和参数

  • 板式换热器是由数十块(或更多)平板式换热片叠在一起压紧构成。板片是优质不锈钢板或钛板,厚0.6~0.8mm,用大型液压机在其表面上压出特殊设计的波纹。在板片的一侧表面上紧贴着用有机材料(丁晴橡胶、氟橡胶等)制造的垫片,以保持板片间的密封性。这些板片的两侧用刚性的端盖及用多个(6~12个)螺栓压紧,成为一个整体(与板框式压滤机相似)。每两件板片之间的空隙与垫片共同构成流体的通道,物料由上而下或由下而上连续流动。每块板片的两侧分别流过冷的和热的流体,通过板片进行热交换,如下图所示。

    板片的波纹型式很重要,它决定了板片的工作特性。主要的波纹型式有:水平平直式(或称洗衣板形)、斜纹式、人字式(V字形)和双人字型(W字形),斜形的波纹又有不同的斜角。换热板片波纹的设计和制造是板式换热器的技术关键。
      板片的波纹深度一般为5~6 mm ,垫片在压紧后的厚度和它相同,这样垫片与板片波纹的顶部是在同一平面上,互相紧贴。板片的四角各有一个大圆孔,分别作为冷热流体的进出通道。板片的波纹有两个很重要的功能:
      1、提高传热性能。物料在两件波纹板之间的缝隙通过,这些波纹使流体不断改变流动方向,产生旋转和扭转,形成许多微细的涡流,从而使流体内各部分的质点不断迅速转移,使热交换迅速进行;流体的强烈湍流还减少了悬浮微粒在换热面上的沉积和结垢,故被称为“自洁式换热器”;表面压成波纹也使实际换热面积增大了百分之几十;所有这些因素都显著加强了传热过程,使它的传热系数比一般管式加热器提高几倍。

    2、提高板片的刚性和受压能力。在板片组合压紧以后,相邻两板间有很多波纹的突出点互相接触,形成很多支承点,从而大大增强了板片的刚性。因此,虽然板片的厚度很薄而面积又很大,也能承受相当高的压力。换热面的厚度比用加热管小得多,就大幅度减少了材料消耗和设备重量。
      板式换热器的型号以板片的型号来代表,每种型号的板片有一定的换热面积和传热特性。每台换热器所用板片的数量视所需的总面积而定,变化幅度可以很大。换热器的框架长度则按安装板片的需要,每种型号均有几个不同长度的等级。
      板式换热器的板片是垂直放置的,物料从上方入,下方出;或从下方入,上方出;冷和热的物料安排成反方向流动,以取得最大的有效温度差,达到最高的效率。如果用蒸汽加热,应从上方进汽,下方排出凝缩水,被加热的物料则从下方入,上方出。
      板式换热器通常用单程的工作方式,这对板片和连接管路的布置是最有利的。在大多数情况下,适当地选择板片的型式和参数,可以用单程达到所需的热交换参数。但在某些特殊情况下,也可用双程或四程的方式(但绝不需要象管式加热器那样用很多程)。

    现在国内外都有很多生产板式换热器的制造厂,如瑞典Alfa-Laval公司,英国的APV公司和德国的GEA公司等;国内如兰州石油化工机器厂、天津板式换热器厂、广州龙归换热器总厂、上海饮料机械厂、南京船用辅机厂等。他们都有多种规格的产品,其具体样式和参数也是多样化的。

    这类产品的主要参数是:单片换热面积(m2),最大装机面积(m2),通道直径(mm),最大物料量(t/h),每通道流量(kg/s),传热系数K值(W/m2.k),以及框架的尺寸等。有些设备还表明它的热力参数,如θ值和Je(kPa/HTU)等。K值通常是以水对水在40℃下、压力降为50kPa时测出的数值;θ和Je值均随通过流体量而变化。在产品资料中还标明其容许的使用压力和温度。

    关于板式换热器的选用,国外的生产厂家通常是根据用户提出有关的数据,主要是冷热两种物体的种类、数量和性质,以及工作的条件,由他们通过计算选择最佳方案,提供用户决定。但国内的制造厂,对某些行业较有经验,对某些行业仍经验不足,有时需由用户自行选定。这时要注意如下几点:

    1、加热面积不可按照原有管式加热器的面积,一般只需后者的30%~50%。应通过有关传热的计算来决定(这种计算比较复杂,此处难以列出)。

    2、注意设备的通道直径即角孔和连接管的直径,它决定了物料的最大通过量。如选用了较大的通道直径,在以后有需要时可以增加板片数量来提高物料处理量。直径不足会限制物料的流量。特别是在使用低压蒸汽作热源时,管径不足会使进汽量不足,严重降低换热器的性能。例如,管径为200mm的换热器,如管中蒸汽流速为30m/s,当蒸汽温度为100℃时, 通过的蒸汽量只为2t/h,

    110℃的蒸汽量为2.8t/h,120℃的蒸汽量为3.8t/h。它们不一定能满足加热糖汁的需要,这就会明显降低板式换热器的性能。国内某糖厂新购的设备就因为这个问题(通道直径不足)而性能很差。

    3、板片之间的间距(缝隙宽度)也很重要,多数板式换热器的这一数值为5~6mm,可应用于液体,也可使用略有正压的水蒸汽(汽压0.03~0.1MPa)。有些产品的这一数值小于4mm,只能用于液体或压力较高的蒸汽;如使用低压蒸汽,则因通道面积不够限制了进汽量,也降低了换热器的性能。

    4、如果设备的性能参数提供了θ值,应复算它是否适当。

    目前通用的换热器的板片,由于片间的缝隙和空间较小,用于含有固体杂质(特别是纤维状物)的液体时易堵塞,而且不适宜使用压力很低(有真空)的水蒸汽为热源(因为它的比容和体积很大)。80年代末以后,开发制成了一种“宽缝”(wide-gap)的、亦称自由流动(free-flow) 的板式换热器,板片间的宽度较大,平均宽度约12mm,板片之间的空间大很多,可用于含有纤维类杂质的液体,也可使用低压(有较高真空度)的、比容很大的蒸汽。这种板片的波纹深度大,用特殊设计的波纹形状来加强板片的刚性,板片之间的接触点较少。这种板片较难制造,价格也较高。