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一、冷卻器優(yōu)化設(shè)計(jì)方向
近年來，冷卻器技術(shù)日益成熟，其傳熱效率高，體積小，重量輕，污垢系數(shù)低，拆卸方便，板片品種多，適用范圍廣，在供熱行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。冷卻器按組裝方式分為可拆式、焊接式、釬焊式、板殼式等。由于可拆式冷卻器便于拆卸清洗，增減換熱器面積靈活，在供熱工程中使用較多。可拆式冷卻器受橡膠密封墊耐熱溫度的限制，適用于水一水傳熱。本文對(duì)提高可拆式冷卻器效能的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。提高冷卻器的效能是一個(gè)綜合經(jīng)濟(jì)效益問題，應(yīng)通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。
提高換熱器的傳熱效率和降低換熱器的阻力應(yīng)同時(shí)考慮，而且應(yīng)合理選用板片材質(zhì)和橡膠密封墊材質(zhì)及安裝方法，保證設(shè)備安全運(yùn)行，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。
二、冷卻器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
2.1提高傳熱效率
冷卻器是問壁傳熱式換熱器，冷熱流體通過換熱器板片傳熱，流體與板片直接接觸，傳熱方式為熱傳導(dǎo)和對(duì)流傳熱。提高冷卻器傳熱效率的關(guān)鍵是提高傳熱系數(shù)和對(duì)數(shù)平均溫差。
① 提高換熱器傳熱系數(shù)只有同時(shí)提高板片冷熱兩側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，減小污垢層熱阻，選用熱導(dǎo)率高的板片，減小板片的厚度，才能有效提高換熱器的傳熱系數(shù)。
a.提高板片的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)
由于冷卻器的波紋能使流體在較小的流速下產(chǎn)生湍流 (雷諾數(shù)一 150時(shí) )，因此能獲得較高的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與板片波紋的幾何結(jié)構(gòu)以及介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。板片的波形包括人字形、平直形、球形等。經(jīng)過多年的研究和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，波紋斷面形狀為三角形 (正弦形表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)最大，壓力降較小，受壓時(shí)應(yīng)力分布均勻，但加工困難? )的人字形板片具有較高的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，且波紋的夾角越大，板間流道內(nèi)介質(zhì)流速越高，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)越大。
b.減小污垢層熱阻
減小換熱器的污垢層熱阻的關(guān)鍵是防止板片結(jié)垢。板片結(jié)垢厚度為 1 mm時(shí)，傳熱系數(shù)降低約 10%。因此，必須注意監(jiān)測(cè)換熱器冷熱兩側(cè)的水質(zhì)，防止板片結(jié)垢，并防止水中雜物附著在板片上。有些供熱單位為防止盜水及鋼件腐蝕，在供熱介質(zhì)中添加藥劑，因此必須注意水質(zhì)和黏 *劑引起雜物沾污換熱器板片。如果水中有黏性雜物，應(yīng)采用專用過濾器進(jìn)行處理。選用藥劑時(shí)，宜選擇無黏性的藥劑。
c.選用熱導(dǎo)率高的板片
板片材質(zhì)可選擇奧氏體不銹鋼、鈦合金、銅合金等。不銹鋼的導(dǎo)熱性能好，熱導(dǎo)率約 14. 4 W/(m·K) ，強(qiáng)度高，沖壓性能好，不易被氧化，價(jià)格比鈦合金和銅合金低，供熱工程中使用最多，但其耐氯離子腐蝕的能力差。
d.減小板片厚度
板片的設(shè)計(jì)厚度與其耐腐蝕性能無關(guān)，與換熱器的承壓能力有關(guān)。板片加厚，能提高換熱器的承壓能力。采用人字形板片組合時(shí)，相鄰板片互相倒置，波紋相互接觸，形成了密度大、分布均勻的支點(diǎn)，板片角孑 L及邊緣密封結(jié)構(gòu)已逐步完善，使換熱器具有很好的承壓能力。國(guó)產(chǎn)可拆式冷卻器最大承壓能力已達(dá)到了 2.5 MPa。板片厚度對(duì)傳熱系數(shù)影響很大，厚度減小 0.1mm，對(duì)稱型冷卻器的總傳熱系數(shù)約增加 600W/(m ·K)，非對(duì)稱型約增加 500 W/(m ·K)¨ 。在滿足換熱器承壓能力的前提下，應(yīng)盡量選用較小的板片厚度。
② 提高對(duì)數(shù)平均溫差
冷卻器流型有逆流、順流和混合流型 (既有逆流又有順流 )。在相同工況下，逆流時(shí)對(duì)數(shù)平均溫差最大，順流時(shí)最小，混合流型介于二者之問。提高換熱器對(duì)數(shù)平均溫差的方法為盡可能采用逆流或接近逆流的混合流型，盡可能提高熱側(cè)流體的溫度，降低冷側(cè)流體的溫度。③ 進(jìn)出口管位置的確定
對(duì)于單流程布置的冷卻器，為檢修方便，流體進(jìn)出口管應(yīng)盡可能布置在換熱器固定端板一側(cè)。介質(zhì)的溫差越大，流體的自然對(duì)流越強(qiáng)，形成的滯留帶的影響越明顯，因此介質(zhì)進(jìn)出口位置應(yīng)按熱流體上進(jìn)下出，冷流體下進(jìn)上出布置，以減小滯留帶的影響，提高傳熱效率。
2.2降低冷卻器阻力的方法
提高板問流道內(nèi)介質(zhì)的平均流速，可提高傳熱系數(shù)，減小換熱器面積。但提高流速，將加大換熱器的阻力，提高循環(huán)泵的耗電量和設(shè)備造價(jià)。循環(huán)泵的功耗與介質(zhì)流速的 3次方成正比，通過提高流速獲得稍高的傳熱系數(shù)不經(jīng)濟(jì)。當(dāng)冷熱介質(zhì)流量比較大時(shí)，可采用以下方法降低換熱器的阻力，并保證有較高的傳熱系數(shù)。
① 采用熱混合板
熱混合板的板片兩面波紋幾何結(jié)構(gòu)相同，板片按人字形波紋的夾角分為硬板 (H)和軟板 (L)，夾角 (一般為 120。左右 )大于 90。為硬板，夾角 (一般為 70。左右 )小于 90。為軟板。熱混合板硬板的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)高，流體阻力大，軟板則相反。硬板和軟板進(jìn)行組合，可組成高 (HH)、中 (HL)、低 (LL)3種特性的流道，滿足不同工況的需求。
冷熱介質(zhì)流量比較大時(shí)，采用熱混合板比采用對(duì)稱型單流程的換熱器可減少板片面積。熱混合板冷熱兩側(cè)的角孔直徑通常相等，冷熱介質(zhì)流量比過大時(shí)，冷介質(zhì)一側(cè)的角孑 L壓力損失很大。另外，熱混合板設(shè)計(jì)技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)精確匹配，往往導(dǎo)致節(jié)省板片面積有限。因此，冷熱介質(zhì)流量比過大時(shí)不宜采用熱混合板。
② 采用非對(duì)稱型冷卻器
對(duì)稱型冷卻器由板片兩面波紋幾何結(jié)構(gòu)相同的板片組成，形成冷熱流道流通截面積相等的冷卻器。非對(duì)稱型 (不等截面積型 )冷卻器根據(jù)冷熱流體的傳熱特性和壓力降要求，改變板片兩面波形幾何結(jié)構(gòu)，形成冷熱流道流通截面積不等的冷卻器，寬流道一側(cè)的角孑 L直徑較大。非對(duì)稱型冷卻器的傳熱系數(shù)下降微小，且壓力降大幅減小。冷熱介質(zhì)流量比較大時(shí)，采用非對(duì)稱型單流程比采用對(duì)稱型單流程的換熱器可減少板片面積 15% 一 3O% 。
③ 采用多流程組合
當(dāng)冷熱介質(zhì)流量較大時(shí)，可以采用多流程組合布置，小流量一側(cè)采用較多的流程，以提高流速，獲得較高的傳熱系數(shù)。大流量一側(cè)采用較少的流程，以降低換熱器阻力。多流程組合出現(xiàn)混合流型，平均傳熱溫差稍低。采用多流程組合的冷卻器的固定端板和活動(dòng)端板均有接管，檢修時(shí)工作量大。
④ 設(shè)換熱器旁通管
當(dāng)冷熱介質(zhì)流量比較大時(shí)，可在大流量一側(cè)換熱器進(jìn)出口之問設(shè)旁通管，減少進(jìn)入換熱器流量，降低阻力。為便于調(diào)節(jié)，在旁通管上應(yīng)安裝調(diào)節(jié)閥。該方式應(yīng)采用逆流布置，使冷介質(zhì)出換熱器的溫度較高，保證換熱器出口合流后的冷介質(zhì)溫度能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。設(shè)換熱器旁通管可保證換熱器有較高的傳熱系數(shù)，降低換熱器阻力，但調(diào)節(jié)略繁。
⑤ 冷卻器形式的選擇
換熱器板間流道內(nèi)介質(zhì)平均流速以 0. 3～ 0. 6m/ s為宜，阻力以不大于 100 kPa為宜。根據(jù)不同冷熱介質(zhì)流量比，可參照表 1選用不同形式的冷卻器，表中非對(duì)稱型冷卻器流道截面積比為 2。采用對(duì)稱型或非對(duì)稱型、單流程或多流程冷卻器，均可設(shè)置換熱器旁通管，但應(yīng)經(jīng)詳細(xì)的熱力計(jì)算。
2.3橡膠密封墊材質(zhì)及安裝方式
① 材質(zhì)的選擇
水一水換熱器中，冷熱介質(zhì)對(duì)橡膠密封墊均無腐蝕性。選用橡膠密封墊材質(zhì)的關(guān)鍵是耐溫和密封性能，橡膠密封墊材質(zhì)可按文獻(xiàn)選用。
② 安裝方式的選擇
橡膠密封墊常用安裝方式為粘接式、卡扣式。粘接式是在換熱器組裝時(shí)，將橡膠密封墊用膠水粘接在板片密封槽內(nèi)。卡扣式是在換熱器組裝時(shí)，利用橡膠密封墊和板片邊緣的卡扣結(jié)構(gòu)，將橡膠密封墊固定在板片密封槽內(nèi)。由于卡扣式安裝工作量很小，換熱器拆卸時(shí)橡膠密封墊損壞率低，而且不存在膠水中可能含有的氯離子造成對(duì)板片的腐蝕，因此使用較多。
2.4合理選用板片材質(zhì)
不銹鋼板片可能產(chǎn)生腐蝕失效的現(xiàn)象有點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕、晶間腐蝕、均勻腐蝕等，應(yīng)力腐蝕的發(fā)生率較高。由氯離子引起的應(yīng)力腐蝕最多，板片材質(zhì)可根據(jù)介質(zhì)中的氯離子質(zhì)量濃度按表 2選用 ]，表中 304、 316代表的不銹鋼材料牌號(hào)為 OCrl8Ni9、 0Crl7Nil2Mo2， TA1代表鈦合金。
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