在板式换热器中,换热板效率的提高可以大大地改善换热器的效率。SWEP新型的板纹设计,提高了换热器的性能和效率。
工业领域是换热器应用最广泛的领域。每个应用都有其独特的条件,为了使系统发挥最佳性能,对每个组件也都有特定的要求。板式换热器因为其高效、紧凑和灵活的特点在工业领域得到广泛的应用。
钎焊式板式换热器(BRAZED PLATE HEAT EXCHANGER,简称BPHE)是板式换热器中的一种。BPHE的概念始于20世纪70年代,创立这个概念的几位工程师后来创立了SWEP公司。
SWEP的BPHE设计灵活,可以按客户要求利用标准化板片、接口和焊料为客户提供定制产品,这为 BPHE提供了传统换热器所无法比拟的优越性能。BPHE的典型工业应用是各种油冷却和各种高温高压气体的热交换,如船用和火车发动机内润滑油的冷却,机械和冶金行业的液压油冷却、传动油冷却、化工中的燃料油的预热、压缩气体冷却/加热以及反应釜夹套恒温等等。
为达到工业应用的高可靠性,SWEP换热器的开发和生产符合欧洲严格的PED标准,经过严格的热疲劳和机械疲劳测试,换热器在出厂前经过100%的压力和泄漏检测。
钎焊式板式换热器
典型的钎焊式板式换热器(BPHE)是由前、后承压板和中间带波纹状的通道板所组成(见图1)。
板片由钎焊料在高温真空焊接炉中焊接而成。钎焊式板式换热器的这种结构非常适合将标准化的部件,根据客户个性化的要求组合成客户个性化的产品,即“批量化定制生产”。SWEP可以根据以下部件进行变化:
板片大小;
板片数量;
板片波纹;
传热板的材质;
承压板的材质;
焊接材料材质;
接口形式及尺寸。
我们通常根据钎焊式板式换热器的材料、承压等级和应用将其分为不同的类型。换热器的工业压力从真空到140bar(1.4×107Pa),工作温度范围为-196~325℃。
为了达到满意的换热效果和满足实际应用中对于换热器外形尺寸和阻力的要求,BPHE通常会有典型的三种板纹设计(如图2所示):
High板纹:高阻力板纹,有较高的换热性能。
Low板纹:低阻力板纹,换热性能低于High板纹。
Extra Low板纹:超低阻力板纹,换热性能低于Low板纹。
由于钎焊式板式和结构,其换热效率极高,基本上所有的组成材料都参与到了换热中,从而大大降低了换热材料的浪费。
从图3中可以看出,冷热流体通过通道板进行换热,有效地换热取决于流体在通道板中的分布情况。不均匀地分布会让实际参与换热的板片面积减少,同时因为局部区域的低流速还会导致流体中的杂质沉积下来,形成污垢,污垢形成的地方会成为各种离子富集的地点,最终导致局部腐蚀的发生。
因此,为了保证高效的换热能力和提高换热器的抗结垢能力,设计流体分布能力好的通道板成为板式换热器设计中的重点。
SWEP的BPHE的研发采用先进的计算机流体模拟设计(CFD),通过计算机模拟通道板中流体的流动情况,来了解所设计的板纹中流体的流动是否均匀,并不断修正,以取得最佳的流体分布效果板纹设计。
通过CFD认可的板纹在投产前还需要在SWEP的热工实验室内进行测试,并通过红外摄像机了解板纹在实际运行中流体分布的效果。如果实际测试中的结果与CFD的模拟有差别,还要进一步进行修正,直到达到满意的效果。
而流体在通道板上的分布,难点是角孔区域,如图4所示,蓝色越深的区域,意味着流体的流速越慢。
通过SWEP开发人员的不断努力,SWEP人员开发出了新的“拐角绕流”技术,如下图5所示。这种设计明显地减少了低速区域。
在SWEP热工实际室中的测试,证实设计的可靠性(图6是红外摄像照片)。
因为气体和液体在比热和密度上的差别,一般气体/液体换热中,气体的体积流量会远大于液体。在传统的对称通道设计中,会造成气体侧阻力太大,而液体侧阻力太低,不能形成紊流。这样造成板片的高效率在气液换热中体现不出来,同时又易在液体侧形成滞流区,导致结垢和腐蚀,影响换热器的使用寿命。
SWEP通过独特的非对称设计,得到非常适合于气体和液体换热的板形(如图7所示)。蓝色流动方向表示低阻力通道(流体流动方向和板纹的夹角较小),适合于体积流量相对较大的气体。红色流动方向表示高阻力通道,适合于体积流量较小的液体。这样气体和液体都可以得到合适的流速,形成紊流状态,达到满意的换热效果。
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