浅谈板式换热器的换热和压降方式研究

白 玮

上海艾克森新技术有限公司，上海 201804

1 板式换热器简介

板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。板式换热器和壳管式换热器相比存在着性能优良、价格低廉等一系列优点，广泛用于制冷、空调领域。目前板式换热器已成为高效、紧凑的换热设备，大量地应用于工业中。板式换热器相对于壳管式换热器而言，具有如下优点：

1）板式换热器结构紧凑。在相同的有效传热面积下，其重量和占地面积要小的多，单位体积内的换热面积为管壳式换热器的2～5 倍，实现同样的换热任务时，板式换热器的占地面积约为壳管式换热器的1/5～1/10；

2）换热系数高。板式换热器的换热系数一般认为是管壳式换热器的3～5 倍 ；

3）对数平均温差大。在管壳式换热器中，两种流体分别在壳程和管程内流动，总体上是错流的流动方式，所以对数平均温差都应采用修正系数，修正系数通常较小。流体在板式换热器内的流动，总体上是并流或者逆流的流动方式，其温差修正系数一般大于0.8，通常为0.95；

4）重量轻。板式换热器的板片厚度为0.6mm～0.8mm，管壳式换热器的换热管厚度为2.0mm～2.5mm；管壳式换热器的壳体比板式换热器的框架重得多。在完成同样换热任务的情况下，板式换热器的换热面积要比壳管式换热器的小，这就意味着板式换热器的重量轻，一般为管壳式换热器的1/5 左右；

5）末端温差小。管壳式换热器在壳程中流动的流体和换热面交错并绕流，还存在旁流；而板式换热器的冷、热流体在板式换热器中的流动平行于换热面，且无旁流。这样使得板式换热器的末端温差很小，对于水-水换热可以低于1℃，而管壳式换热器大约为5℃；

6）污垢系数小。板式换热器里流体的剧烈湍动，杂质不易沉淀；板间通道的流通死区小；不锈钢制造的换热面光滑、且腐蚀附着物少；以及清洗容易，所以板式换热器的污垢系数比管壳式换热器的污垢系数小得多；

7）可以多介质换热。如果板式换热器有中间隔板，则可以一台设备进行3种或者3种以上（有多个中间隔板）介质的换热；

8）容易改变换热面积或者流程组合。只要增加（或者减少）几张板片，即可以达到需要增加（或者减少）的换热面积。板式换热器所存在的主要问题是它的工作压力和温度受到结构的限制。

2 板式蒸发器的换热和压降问题

板式蒸发器在理论工况下，按照制冷剂的状态，与水的换热过程可以分为3个范围，两种情况。在研究板式蒸发器的换热和压降性能时，可分为单相换热和两相换热两种情况，而制冷剂过冷和过热的两种状态都可以看作是单相换热，制冷剂为两相的时候就为两相换热。

制冷剂在过冷段和过热段时，可以近似看作是单相液体和单相气体。根据水进出口状态及相关参数，可以计算得到水侧换热系数及制冷剂侧的换热系数。对于单相工质换热，可以采用类似水-水单相换热的模型进行拟合，得到具体的关联式系数即可。基本关联式为：

2.1 板式蒸发器已有的管内流动的蒸发两相换热模型

目前，板式换热器应用于两相换热，特别是两相蒸发换热研究较少，并且已有的模型应用有很大的局限性，大多是针对于管内流动或者竖直壁流动的换热模型，针对板式蒸发器的换热模型很少。

2.2 板式蒸发器两相流压降模型

气液两相流动时，由于气体和液体的密度不同，气液含量不同以及气液相互滑动，使得流动组里除了摩擦压降，局部压降以外，还有加速压降和重力压降。加速阻力是由于在流动过程中两相流的密度和素的改变而引起的压力损失。板式换热器的通道时变截面波纹流道，而且两相流在流动中伴随着受热或者冷却，所以加速阻力是存在的。重力阻力是在非水平流道中因高度差引起的阻力损失。板式换热器的流道为数值流道，两相流进入和流出板式换热器存在高度差，所以有阻力损失。但是重力阻力相对于摩擦阻力和局部阻力很小，所以在本文中也不作考虑。

3 板式冷凝器换热和压降问题

制冷剂在换热器中流动时经历了几种不同的流态。当制冷剂流过冷凝管时，由压缩机出来的过热蒸汽经过板壁放热降温，进入两相区流动。在两相区制冷剂继续释放潜热，在板长某一位置达到饱和液体状态。若继续放热，则制冷剂进入过冷区。处于两相区的制冷剂在换热管中处于气液两相流动状态，根据制冷剂在管内质量流速的不同，换热器内制冷剂的流动一般可能存在3种流型，即雾状流、环状流和波状流。在雾状流段，主要有两种力在起作用，一种是气相的惯性力（作用于液膜上的主要破坏力）；另一种是表面张力（主要稳定液膜的力），总的受力是两种力的平衡。对于环状流和波状流，仍然有两种力在起作用，气体惯性力（剪切力）和液膜重力。当气体惯性力占主导地位时，流型呈环状流；而当液膜重力占主导地位时，流型呈波状流。对于换热器部件的仿真模型，为获得较高的精度，通常需按不同的流型来建立适当的方程。

对于气液两相流动时，在板式蒸发其中有过描述。由于气体和液体的密度不同，气液含量不同以及气液两相相互滑动，使得流动组里除了摩擦压降，局部压降以外，还有加速压降和重力压降。

加速阻力是由于在流动过程中两相流的密度和素的改变而引起的压力损失。板式换热器的通道时变截面波纹流道，而且两相流在流动中伴随着受热或者冷却，所以加速阻力是存在的。但是在一般情况下，加速阻力与摩擦主力和重力阻力相比较小，只有在高热负荷的气液两相流中，加速阻力才增大到可与摩擦阻力相比较的程度，在本文中，由于加速阻力很小，所以不考虑。重力阻力是在非水平流道中因高度差引起的阻力损失。板式换热器的流道为数值流道，两相流进入和流出板式换热器存在高度差，所以有阻力损失。

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