冷卻器是合理利用與節(jié)約現(xiàn)有能源、開發(fā)新能源的關(guān)鍵設(shè)備。在化工生產(chǎn)過程中，傳熱過程大部分是在換熱器中實(shí)現(xiàn)的，在現(xiàn)代石油化工過程中，換熱器的投資占30%～40%，所以換熱器的形式結(jié)構(gòu)、參數(shù)設(shè)計(jì)、性能改善對化工過程的節(jié)能減排及經(jīng)濟(jì)優(yōu)化有著十分重要的意義。 在傳熱過程中，有相變的潛熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無相變的顯熱，因此蒸汽冷凝放熱比單相換熱負(fù)荷高的多。板式換熱器有著結(jié)構(gòu)小巧，傳熱系數(shù)高，溫差在2～3 ℃即可實(shí)現(xiàn)高傳熱負(fù)荷的特點(diǎn)，近幾年已成為化工行業(yè)中的“新寵兒”。 自冷卻器應(yīng)用在乙烯生產(chǎn)工藝低溫?zé)峄厥昭b置以來，L10-J型冷卻器在化肥行業(yè)變換系統(tǒng)、冷庫氨制冷系統(tǒng)、板式蒸發(fā)裝置中相繼成功應(yīng)用，這些都證明了冷卻器其傳熱效率高、運(yùn)行可靠以及節(jié)能降耗效果明顯，極具廣泛的應(yīng)用前景。 雖然我國冷卻器已被應(yīng)用到很多回收余熱的化工生產(chǎn)過程，然而我國在板式換熱器的研究和設(shè)計(jì)水平上與國外有很大的差距，特別是對有相變的冷卻器新式板型的開發(fā)、強(qiáng)化傳熱的研究非常少。
1 板式換熱器結(jié)構(gòu)及工作原理 板式換熱器是由一組金屬薄板、相鄰薄板之間襯以墊片并用框架夾緊組裝而成。板片四角開有圓孔，形成流體通道。冷熱流體交替地在板片兩側(cè)流過，通過板片進(jìn)行換熱。板片厚度為0.5～3 mm，通常壓制成各種波紋形狀，既增加剛度，又使流體分布均勻，加強(qiáng)湍動，提高傳熱系數(shù)。板片尺寸常見的寬度為200～1000 mm，高度最大可達(dá)2 m。兩塊板片之間的距離通常為4～6 mm。板片數(shù)目可以根據(jù)工藝條件的變化，增加或減少。板片材料一般用不銹鋼，也有用其它耐腐蝕合金材料的。 板式換熱器結(jié)構(gòu)原理圖
2 板式換熱器特點(diǎn) 板式換熱器比傳統(tǒng)換熱器有著明顯的優(yōu)點(diǎn)如下。 （1）傳熱系數(shù)大。由于流體在板片間湍動程度非常高，而且板片厚度又薄，故傳熱系數(shù)K大。一般的板式換熱器水對水的傳熱系數(shù)可達(dá)1500～4700 W/(m2·K)。 （2）結(jié)構(gòu)緊湊。單位體積設(shè)備提供的傳熱面積大，每立方米體積可達(dá)250 m2以上的傳熱面積。 （3）操作靈活性大�？梢赃M(jìn)行多段操作或幾種操作，只需在適當(dāng)位置安設(shè)中間隔板，便可使一臺設(shè)備當(dāng)幾臺用。又可根據(jù)需要調(diào)節(jié)板片數(shù)目以增減傳熱面積；或以調(diào)節(jié)流道長短的辦法，適應(yīng)冷熱流體流量和溫度變化的要求，均較方便。 此外，板式換熱器還有金屬材料消耗低，板片加工制作容易，檢修清晰方便等優(yōu)點(diǎn)。 同時，板式換熱器因其特殊的結(jié)構(gòu)也有著自身的缺點(diǎn)。因墊圈種類和墊圈溝槽結(jié)構(gòu)的限制，其允許操作壓力比較低，一般要求低于1.5 MPa，最高不超過2.0 MPa，否則會壓力過高引起泄漏。因受墊片耐熱性能的限制，又要求操作溫度不能太高，如橡膠墊圈不超過130 ℃，壓縮石棉墊圈應(yīng)低于250 ℃。因板間距離僅幾個毫米，流通面積小，因此處理量不大也是板式換熱器的一個局限性。 3 冷卻器的板型 現(xiàn)國內(nèi)外對專用冷卻器板型設(shè)計(jì)研究非常少，大多場合仍采用液體無相變的板式換熱器來代替冷卻器使用，這就有兩個較大的缺點(diǎn)。 （1）由于板式換熱器的流體流通總管是由各板片上的角孔組成。對于液液換熱來說，此角孔的直徑是根據(jù)液體的流量來設(shè)計(jì)的。但當(dāng)用于冷凝蒸汽時，蒸汽的體積流量很大，故流速往往太高，使冷凝器的壓力損失過大。 （2）普通的板式換熱器，其板片的波型主要通過促進(jìn)流體湍動實(shí)現(xiàn)無相變的強(qiáng)化傳熱；而冷凝時為了提高傳熱速率，通常要求減薄冷凝液膜厚度，使冷凝液能迅速排走，避免在傳熱面上形成過厚的液膜。 朱曾用[7]對我國專用冷卻器的板型進(jìn)行了總結(jié)，我國現(xiàn)目前仍只有3類主流板型：CP-3型，PCD型，YX-80型，其中主要采用人字形CP-3型。CP-3板型 圖3 PCD板型 圖4 YX-80板型 近幾年，冷卻器板型的發(fā)展也僅僅局限在原有基礎(chǔ)上稍作尺寸上的改進(jìn)，在CP-3板型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了角孔的改進(jìn)，對冷卻器進(jìn)行了板片尺寸參數(shù)的改動使其更適用于實(shí)際中的應(yīng)用場合。
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冷卻器的設(shè)計(jì)計(jì)算 由于冷卻器結(jié)構(gòu)沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因此造成其計(jì)算模選和方法的差異。冷卻器的選型多由國外公司用計(jì)算機(jī)模擬完成，但由于技術(shù)保密，很難得到模擬軟件，對板型的設(shè)計(jì)和研究帶來了困難。目前常采用工程設(shè)計(jì)手冊給出的計(jì)算步驟來進(jìn)行供熱用及定蒸氣加熱工藝流體兩種設(shè)計(jì)型計(jì)算。 近幾年，在冷卻器被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)的背景下，許多學(xué)者、工程師在實(shí)踐設(shè)計(jì)計(jì)算中得到了很多寶貴的經(jīng)驗(yàn)。 實(shí)踐總結(jié)了在熱泵機(jī)組用板式蒸發(fā)器與冷凝器的計(jì)算選型，經(jīng)國家空調(diào)設(shè)備檢測中心測試，效果較好，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。也通過工程實(shí)例對熱泵機(jī)組用板式蒸發(fā)器及冷凝器進(jìn)行了計(jì)算選型。在制冷系統(tǒng)中給出了壓降的計(jì)算及分析方法，對冷卻器在制冷系統(tǒng)中的工程應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)例對比分析，提供了一些依據(jù)。介紹了一種較為實(shí)用的冷卻器在設(shè)計(jì)中的選型計(jì)算方法，并結(jié)合工程實(shí)例對其在冷凍制冷系統(tǒng)中的詳細(xì)應(yīng)用做了比較，得出了其具有較好的結(jié)果�？偨Y(jié)歸納出一種較為實(shí)用的冷卻器設(shè)計(jì)選型計(jì)算方法和程序編制流程。據(jù)此設(shè)計(jì)的程序計(jì)算結(jié)果正確，并在實(shí)際工程中得到應(yīng)用，具有一定的借鑒意義。
5 冷卻器的最新研究 現(xiàn)在國外大多數(shù)的研究主要是以空調(diào)制冷為背景，針對人字形波紋板片進(jìn)行研究的。主要內(nèi)容是通過測量不同流量下的實(shí)際冷卻器冷熱兩側(cè)的壓降和進(jìn)出口溫差，擬合回歸出一個冷卻器性能的關(guān)聯(lián)式，用于設(shè)計(jì)選型參考或性能的評價。
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