板式換熱器生產(chǎn)廠(chǎng)家
20多年生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)·板式換熱器產(chǎn)品骨干企業(yè)
板式換熱器生產(chǎn)廠(chǎng)家
20多年生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)·板式換熱器產(chǎn)品骨干企業(yè)
摘要：板式換熱器在正常工況下的主要失效形式是密封失效。通過(guò)對(duì)板片的剛度、板片的密封結(jié)構(gòu)包括板片密封槽、密封墊片的分析發(fā)現(xiàn),提高板片的剛度可以提高板式換熱器的整體承壓能力;合理地設(shè)計(jì)密封槽形,可以有效地提高密封墊片在密封槽中的穩(wěn)定性和密封的可靠性。此外還介紹了一些防止密封失效的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。
關(guān)鍵詞：板式換熱器;密封;失效;剛度;結(jié)構(gòu)形式
中圖分類(lèi)號(hào):TH6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1671—3133(2007)01—0115—04
引言
板式換熱器是一種**、節(jié)能的換熱設(shè)備,具有傳熱系數(shù)高、結(jié)構(gòu)緊湊、耗材少、形式多樣、便于維修等諸多優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大,已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電力、冶金、化工、輕紡、飲料、城鎮(zhèn)供熱等行業(yè)和領(lǐng)域,表現(xiàn)出很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。
1 板式換熱器的整體結(jié)構(gòu)
板式換熱器以金屬板片(一般厚度為0 5～1 0mm)為換熱元件,由不銹鋼、工業(yè)純鈦或其他材料的薄板壓制而成。通常用模具將板片壓制成各種槽型或波紋形,既可以增大板片的剛度,以防止板片受壓時(shí)變形,也增強(qiáng)了流體的湍流程度,增加了換熱面積。每個(gè)板片的四角各開(kāi)有一孔,板片四周以及孔的周?chē)鷫河忻芊鈮|片槽,并根據(jù)需要在孔的周槽中放置有墊片,起到允許流體或阻止流體進(jìn)入板面之間通道的作用。若將數(shù)個(gè)板片按照換熱要求依次排列在支架上,并用固定壓緊板和活動(dòng)壓緊板由壓緊螺桿壓緊,在相鄰的板片間就形成了流體通道,借助板片四角的孔口與墊片．
板式換熱器的板片結(jié)構(gòu)千差萬(wàn)別,其設(shè)計(jì)的**目的是要強(qiáng)化板片的換熱效果、增大板面的剛度、提高板式換熱器的承壓能力。理想的板型設(shè)計(jì),不僅具有較大的傳熱面積、較低的壓力降、較高的傳熱系數(shù),而且還應(yīng)具有較好的剛性,以使很薄的板片在固定壓緊板．和活動(dòng)壓緊板夾緊力的作用下相互支承,以抵抗通道內(nèi)不平衡壓力對(duì)其產(chǎn)生的沖擊。為此,在板型設(shè)計(jì)中還要考慮支承點(diǎn)的合理分布以及加強(qiáng)筋的布置等。
一塊板片按其功能可以分成導(dǎo)流部分、換熱部分、密封部分、邊緣支承以及懸掛定位等五個(gè)部分,其中換熱部分是板片結(jié)構(gòu)的核心,其結(jié)構(gòu)形式主要取決于換熱介質(zhì)的性質(zhì),要根據(jù)傳熱學(xué)和流體力學(xué)設(shè)計(jì)確定。
2 板片的結(jié)構(gòu)形式
板片作為板式換熱器的關(guān)鍵元件,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理與否將直接影響到板片的傳熱性能、阻力降以及整機(jī)的承壓能力。目前已存在百余種核心結(jié)構(gòu),其主要波紋形式有:人字形波紋(包括橫向人字形波紋和縱向人字形波紋)、水平波紋、豎直波紋、斜波紋等。我國(guó)生產(chǎn)的板式換熱器的板片結(jié)構(gòu)形式,絕大多數(shù)是以人字形波紋為主,屬于典型的網(wǎng)狀流動(dòng)板型結(jié)構(gòu),其特點(diǎn)是在板間構(gòu)成的流體通道中,錯(cuò)列地布滿(mǎn)了觸點(diǎn),流體在這些觸點(diǎn)間環(huán)繞流動(dòng)形成螺旋形的前進(jìn)軌道,從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動(dòng)。如果加大流體的流動(dòng)程度,可以減少層流底層的厚度,有效提高無(wú)相變的對(duì)流換熱系數(shù),從而達(dá)到增大傳熱系數(shù)的目的。實(shí)驗(yàn)證明:對(duì)于水介質(zhì),當(dāng)雷諾數(shù)Re=20～200,流速為0 2～0 5m/s時(shí),流體即進(jìn)入湍流狀態(tài),已具有很高的傳熱系數(shù)。為此,在板片上均勻、錯(cuò)落地布置觸點(diǎn),并適當(dāng)減小間距,除了可以大大加強(qiáng)板片的整體剛度,還可以承受較大的壓差。
3 板片的組合形式
根據(jù)對(duì)板式換熱器的市場(chǎng)調(diào)研,我國(guó)板式換熱器生產(chǎn)廠(chǎng)家設(shè)計(jì)的板型主要以縱向人字形波紋為主。人字形波紋如圖1所示,分為橫向人字形波紋(見(jiàn)圖1a)和縱向人字形波紋(見(jiàn)圖1b)。
流體在以上兩種形式的板片構(gòu)成的通道內(nèi)流動(dòng)時(shí)都能形成網(wǎng)狀流動(dòng),但其流動(dòng)阻力和傳熱系數(shù)各不相同。
當(dāng)采用橫向人字形波紋板片時(shí),流體在經(jīng)過(guò)板片間形成的通道時(shí)比較順暢,流動(dòng)阻力很小,壓力降非常低,但其換熱系數(shù)也要比縱向人字形波紋的板片稍低一些,因此比較適用于低流速、高粘度、流量比較大的場(chǎng)合。
當(dāng)采用縱向人字形波紋的板片(其波紋夾角為120°)時(shí),流體在板片間形成的通道流過(guò)時(shí)極易產(chǎn)生湍流,換熱系數(shù)高,因而可以產(chǎn)生比較理想的換熱效果,其主要缺點(diǎn)是壓力降比較大,因而只適用于壓力不太大的情況,不適用粘度高、流動(dòng)阻力要求低的場(chǎng)合。
下面以天津市某換熱設(shè)備廠(chǎng)生產(chǎn)的BR1 00型板片與BRh0 70型板片為例(二者板片長(zhǎng)寬比比較接近)進(jìn)行實(shí)例計(jì)算,以比較同一工況條件下,兩種板型換熱器的壓力降數(shù)值。前者為橫向人字形波紋板片,后者為縱向人字形波紋板片結(jié)構(gòu)。
工況條件:將80℃的淬火油冷卻至60℃,淬火油的處理量為8t/h。淬火油的物理數(shù)據(jù):比重γ=800kg/m3;動(dòng)力粘度μ=13×10-3Pa·s。3 1 BR1 00型板式換熱器
通道橫截面積:0 00289m2;當(dāng)量直徑:0 0082mm;其阻力關(guān)聯(lián)式為:En=19500Re-0 47。則:
ΔP=Enμ2/γ/g
式中:Re為雷諾數(shù),Re=Vd/υ;V為管道平均流速(m/s);d為管道直徑(m);υ為運(yùn)動(dòng)粘滯度(m2/s);En為阻力系數(shù);μ為動(dòng)力粘度(Pa·s);γ為比重(kg/m3);g為重力加速度(9 8m/s2);ΔP為壓力降(MPa)。
經(jīng)計(jì)算:ΔP=0 05MPa。
3 2 BRh0 70型板式換熱器
通道橫截面積:0 00195m2;當(dāng)量直徑:0 0074mm;其阻力關(guān)聯(lián)式為En=5364 1Re-0 537。
經(jīng)計(jì)算:ΔP=0 15MPa。
由計(jì)算結(jié)果可以看出,在同一工況下,兩種板型所產(chǎn)生的壓力降相差很大。
兩種板型各有優(yōu)點(diǎn),也都存在一定的局限性。例如當(dāng)要求換熱系數(shù)高而阻力降較低時(shí),使用其中任何一種板型都不會(huì)達(dá)到比較滿(mǎn)意的效果。
若把橫向人字形波紋與縱向人字形波紋板片混合組裝,可以產(chǎn)生截然不同的效果。其前提是兩種板型的板片外形尺寸、定位尺寸、通孔直徑尺寸、密封墊片結(jié)構(gòu)尺寸都應(yīng)相同。采用混合組裝的板片在疊加后,恰好能形成相應(yīng)的觸點(diǎn),也能形成網(wǎng)狀流,其阻力降和換熱特性介于兩種波紋板片單獨(dú)組裝時(shí)之間。
圖2為混合型換熱器的試驗(yàn)曲線(xiàn)圖。從圖中可以看出,混裝組合曲線(xiàn)介于單獨(dú)組裝時(shí)的曲線(xiàn)之間。
4 板片的剛度分析
板片的剛度是指板片按照要求組裝后,在固定壓緊板和活動(dòng)壓緊板的夾緊作用下,抵抗兩側(cè)不同壓力的介質(zhì)作用而變形的能力。
在正常工作狀態(tài)下,板片除了要有足夠的強(qiáng)度外,還需要有一定的剛度,以控制板片的變形過(guò)程,使得換熱介質(zhì)在板片通道內(nèi)液層厚度均勻,保證換熱效率。根據(jù)熱脹冷縮原理,溫度的升高或降低都會(huì)引起板片的膨脹或收縮,但板片的膨脹或收縮要受到來(lái)自固定壓緊板和活動(dòng)壓緊板的制約。當(dāng)熱脹冷縮不能完全自由地進(jìn)行時(shí),就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力,這就要求傳熱板片應(yīng)有足夠的剛度和耐壓能力。在板片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常常需要合理地布置支承點(diǎn)和增加加強(qiáng)筋。板片的剛度不僅取決于支承點(diǎn)位置的密度和精度,還取決于板片的長(zhǎng)、寬以及板厚等其他因素。
目前,國(guó)內(nèi)外換熱板片的板型千差萬(wàn)別,已有上百種形式。就其長(zhǎng)寬比而言有1∶2、1∶3等多種。在特殊工況條件下還有1∶1、1∶4、1∶5、1∶6等。不同的工況采用不同的長(zhǎng)寬比,其承壓能力也不盡相同。筆者經(jīng)過(guò)多年的板型開(kāi)發(fā)和研制發(fā)現(xiàn),板片的長(zhǎng)寬比是影響板片剛度的重要因素之一。
對(duì)于液 液工況,換熱板片的設(shè)計(jì)有向窄長(zhǎng)型發(fā)展的趨勢(shì)。窄長(zhǎng)型板片可以有效地減少流體的邊流現(xiàn)象,使其在通道內(nèi)盡量地均勻流動(dòng),強(qiáng)化換熱效果。此外,也為提高板片的橫向剛度提供了極為有利的條件。板片的縱向剛度可以靠4～6對(duì)夾緊螺栓和固定壓緊板、活動(dòng)壓緊板來(lái)保證;而在計(jì)算板片的橫向剛度時(shí),不僅要考慮兩板夾緊后的受力變形,還要考慮液體壓力和密封墊片的拉力,以及板片支承點(diǎn)的變形、錯(cuò)位等諸多因素。當(dāng)板片的橫向剛度不足以克服以上的變形時(shí),有可能在密封墊片與板片之間發(fā)生泄漏。實(shí)踐證明板片的長(zhǎng)寬比在1∶2 5、1∶3左右時(shí),板式換熱器的整機(jī)承壓能力可達(dá)２．５ＭＰa而低于此值的板型,其整整機(jī)承壓能力在１．０－１．６ＭＰa．
5 板片的密封結(jié)構(gòu)分析
在板式換熱器設(shè)計(jì)中,板片的整體結(jié)構(gòu)與密封強(qiáng)度有十分密切的關(guān)系,合理的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅能夠提高板片的剛度,提高板式換熱器的耐壓性能,也能保證良好的密封性。密封結(jié)構(gòu)是由板片的密封槽和密封墊片構(gòu)成的,密封墊片的性能(物理性能、化學(xué)性能和工藝性能)、密封槽形式、密封墊片的壓縮比是密封設(shè)計(jì)的三大要素。
5 1 密封槽
密封槽的形狀直接關(guān)系到密封墊片在密封槽內(nèi)的定位,影響到密封墊片在運(yùn)行中的穩(wěn)定性,也直接關(guān)系到密封效果。合理的密封槽設(shè)計(jì)應(yīng)使密封墊片在受力、受熱的條件下,在設(shè)計(jì)的位置上不發(fā)生位移,并且基本保持原有的壓縮比。要想達(dá)到以上要求,在密封槽的設(shè)計(jì)中,應(yīng)盡可能地采用密閉形式。此外,在充分考慮到板片材質(zhì)拉伸性能的前提下,還應(yīng)使密封槽的傾角盡量小。目前我國(guó)開(kāi)發(fā)研制的板型中,密封槽的傾角一般在25°～35°之間;而國(guó)外一些**品牌,其大部分的板片密封槽傾角均在20°左右,*小的可到7°。
目前,國(guó)內(nèi)外各種板型密封槽的設(shè)計(jì)均采用平面形式,如圖3a所示。其優(yōu)點(diǎn)是板片加工成型簡(jiǎn)單、密封墊片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于粘結(jié)、密封墊片在密封槽內(nèi)的穩(wěn)定性好。但也存在不利之處,例如在粘接密封墊片與密封槽時(shí),對(duì)位必須相當(dāng)準(zhǔn)確,不允許有偏移,否則在夾緊時(shí),密封墊片會(huì)脫離密封槽而失去密封的效果。針對(duì)此種情況,本文對(duì)密封槽形式做了**的研究和試驗(yàn),研制出一種新型結(jié)構(gòu)形式,如圖3b所示,其密封墊片在組裝時(shí)穩(wěn)定性好,定位準(zhǔn),提高了密封槽部位的剛度,降低了裝配過(guò)程中的夾緊力,降低了板片的變形程度。多年使用結(jié)果表明,該密封槽形式效果甚佳,有較大推廣價(jià)值．
5 2 密封墊片
密封墊片是板式換熱器的重要組成部分,在裝配時(shí)先用粘接劑將墊片貼牢在板片的密封槽中,而在孔的周槽中根據(jù)流體流動(dòng)的需要來(lái)放置墊片,從而起到允許或阻止流體進(jìn)入板片之間通道的作用,達(dá)到熱交換的目的。密封墊片的材料、結(jié)構(gòu)形式及壓縮比直接關(guān)系到板式換熱器的密封效果。
5 2 1 密封墊片的材料
目前常用的密封墊片的材料有合成橡膠和石棉橡膠兩大類(lèi)。合成橡膠常用的有丁腈橡膠、三元乙丙橡膠和氟橡膠。合成橡膠密封墊片的物理性能指標(biāo)主要有工況條件下的壓縮變形和扯斷伸長(zhǎng)率,橡膠密封膠墊的硬度指標(biāo)則應(yīng)根據(jù)密封槽的形式及壓縮量而定。
5 2 2 密封墊片的結(jié)構(gòu)形式
密封墊片的結(jié)構(gòu)形式也有很多種,其截面形式大致有矩形、梯形、六邊形、五邊形等。常用的形式有兩大類(lèi)型:一種形式如圖4a所示,其密封墊片橫截面的上部為尖形的;另一種形式如圖4b所示,其上部為平面。前者是通過(guò)頂端至中部的尺寸差來(lái)增加密封墊片的變形程度,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)際上仍然是平面密封,而非線(xiàn)性密封,因?yàn)榘迤拿芊獠鄣撞渴瞧矫?當(dāng)板片密封槽底部平面有缺陷時(shí),這種結(jié)構(gòu)能抵消一些。后者設(shè)計(jì)的目的是為了減少密封墊片的壓縮量,其壓緊形式為平面壓緊。其主要缺點(diǎn)是在板片裝配過(guò)程中,板片容易錯(cuò)位,夾緊力過(guò)大,容易造成板片變形等。通過(guò)分析研究和試驗(yàn),本文設(shè)計(jì)出與圖3b所．示密封槽相對(duì)應(yīng)的墊片截面如圖4c所示,使裝配更加簡(jiǎn)單,也提高了板片的承壓能力。
5 2 3 密封墊片的壓縮比
一般以密封墊片的壓縮量與其原始厚度之比即壓縮比作為密封墊片的設(shè)計(jì)依據(jù)。根據(jù)多年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及對(duì)國(guó)內(nèi)外**板式換熱器密封結(jié)構(gòu)的分析,筆者認(rèn)為壓縮比掌握在20%～25%之間比較理想。
6 結(jié)語(yǔ)
板片采用混裝組合形式,可使當(dāng)今的板式換熱器應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。不僅使板式換熱器適應(yīng)能力大大地增強(qiáng),而且還具有較高的換熱系數(shù),較小的流動(dòng)阻力,因而在**、節(jié)能方面有很好的經(jīng)濟(jì)效益。
同時(shí),根據(jù)板片的剛度,合理設(shè)計(jì)密封槽和密封墊片,可以有效地提高密封墊片在密封槽內(nèi)的穩(wěn)定性及密封的可靠性,是保證密封效果的重要條件。經(jīng)對(duì)用戶(hù)使用情況的跟蹤調(diào)查及反饋信息證明,圖3b所示密封槽形式及圖4c所示密封墊片是*佳設(shè)計(jì)方案,其承壓能力和使用壽命較以前設(shè)計(jì)的產(chǎn)品有很大提高。
為適應(yīng)板式換熱器多用途發(fā)展趨勢(shì),還要不斷地探索研究,開(kāi)發(fā)出更好、更新的產(chǎn)品,進(jìn)一步提高我國(guó)板式換熱器的產(chǎn)品水平。
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