钎焊板式换热器 传热 与压降 性能 实验 提供参考
钎焊板式换热器 传热 与压降 性能 实
验 提供参考
2009-8-17
钎焊板式换热器是一系列具有一定波纹形状的金属片叠装后在真空钎焊炉内焊接而成的一种新型高效换热器，板片之间布满网状接触点，流体沿着板间波纹通道流动，其速度大小和方向不断改变，形成强烈的湍流，从而破坏边界层，减少热阻。它与常规的管壳式换热器相比，在相同的流动阻力或泵功率消耗情况下其传热系数要高出很多。有数据表明，在最好的工况条件下，水侧换热系数可以达到6000W/(m2K)左右，在一般的工况条件下，水侧换热系数也可以在4000W/(m2K)左右，是管壳式换热器的3~5倍[1]。
钎焊板式换热器的每个波纹网格结点都成为焊接点，因此强度增加，与传统可拆式板式换热器相比，不仅免去了容易泄漏的胶垫，而且传热板片和两端面的夹板所需的厚度都大大减薄，降低了传热阻力。采用优质不锈钢材料做的这种换热器的价格只相当于同样传热容量的采用普通碳钢材料的管壳式换热器的价格。
由于以上特点，在某些领域钎焊板式换热器大有取代传统管壳式换热器的趋势，为此对板式换热器传热性能与流动阻力作一些初步的研究探讨。
1实验装置
1.1实验装置流程
实验装置包括，钎焊板式换热器、蓄水箱、电加热器、水泵和阀门等组成的热水和冷水系统测量和数据采集处理系统等。实验系统的流程图见图1所示。
1.2测量系统
实验中需要测量的数据主要包括换热器热、冷流体进出口的温度、流量和压差。实验中所采用的主要测量仪器仪表如下:
(1)4支镍铬镍硅热电偶:型号WRNT，精度?0.1?，测量范围0~400?;
(2)2台差压变送器:型号CYR?IIID，精度0.5级，测量范围分别为0~150kPa和0~250kPa;
(3)1台Agilent34970A数据采集仪;
(4)1台DynasonicsTFXL超声流量测量仪，传感器夹装在管子外面，因而可用于交替测量冷热流体的流量;
(5)1台磅秤:测量范围2.5~100kg，最小刻度50g。秒表1只。以上两件传统计量仪器用于对超声流量计进行初始值设定和校核;
1.3板式换热器实验件尺寸参数
板式换热器尺寸如图2所示，实验用的换热器为8层板共7通道，即有6层有效换热面。
单片板的传热面积A0=0.0275m2，总传热面积A=0.0275×6=0.165m2。每个通道的流通截面积a0=0.00022m2，热流体有4个通道，a1=0.00022×4=0.00088m2;冷流体有3个通道，a2=0.00022×3=0.00066m2。板片材料:304不锈钢;板片导热系数:λ=15W/(m.K);板片厚度0.3mm。
2实验方案与数据分析
2.1实验方案
(1)热水台阶状升温过程，保持热水流量、冷水流量和进口温度不变;在不同的热水流量下重复。
(2)热水台阶状升温过程，保持热水流量、冷水流量和进口温度不变;在不同的冷水流量下重复。
(3)分别测量热水和冷水侧通道的压差随流量的变化关系。
2.2实验数据分析
板式换热器的性能指标有多项[3~4]，本文主要讨论热水出口温度、冷水出口温度、传热系数与平均换热量。图3为保持冷水侧流量和进口温度基本不变条件下，在不同热水流量下传热性能指标随不同热水进口温度的变化曲线。由
可见，随着热水进口温度的升高，热水出口温度与冷水出口温度都相应图3(a)
升高，且随着热水流量增大，热水出口温度与冷水出口温度的曲线都向上移。由图3(b)可见，随着热水进口温度的升高，同一热水流量下的传热系数与平均换热量都有一定幅度的增大;且随着热水流量的增大，传热系数与平均换热量都明显增大。冷、热水流量不变时传热系数增大的原因是因为流速基本不变，但在热水进口温度升高时，热水侧雷诺数Re1会随着运动粘度ν随温度升高而明显降低的特点而增大，引起热水侧换热系数增大，从而使总传热系数K增大;图3(b)还显示了传热系数和平均换热量随着热水流量增大有明显的增大。
图4显示了为保持热水侧流量和冷水进口温度基本不变条件下，在不同冷水流量下传热性能指标随不同热水进口温度的变化曲线。由图4(a)可见，随着冷水流量减小，热水出口温度和冷水出口温度曲线都上移，且冷水侧变化量较大;由图4(b)可见，随着冷水流量减小，总传热系数与平均换热量也都有明显的减小，这主要是因为冷水侧换热系数降低的结果。
图5显示了热水和冷水侧通道的压差随流速的变化关系。由图可见，两条线几乎重合，呈现抛物线变化态势。
3结语
本文涉及的钎焊板式换热器传热性能实验中两侧流体的流速变化范围为0.21~0.43m/s，传热系数变化范围为2800~4050W/(m2K);而流动阻力压差在此范围也较小。可见板式换热器具有优良的强化传热性能，在工业过程应用时可达到高效、紧凑、经济和节能的目的。
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