第２９卷第ｌ３期 甘肃科技 Ｇａｎｓｕ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆ．２９ Ｎｏ．１３ ２０１３年７月 Ｊｕ／． ２０１３ 板式换热器板间流体流动与传热分析 李安军 ，宫 兵 ，陈晓庆 ，罗 刚 （１．甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，甘肃兰州７３００７０；２．海军驻重庆舰船动力军事代表室，重庆４０２２６０） 摘要：对板式换热器流体流动与传热的原理和有无相变条件下传热系数的计算进行了探讨，分析了板式换热器的 板型结构、流程组合、流体流速和采用非对称板式换热器结构对降低压降，提高传热系数的影响。 关键词：板式换热器；流动；传热 中图分类号：ＴＱ０５１ 由于板式换热器和管壳式换热器相比具有低廉 １．１对流换热 的价格和更高的传热效率，一个世纪以来它在单相 的换热领域中得到了广泛的应用。随着传热技术的 发展和科技的进步，人们发现板式换热器还是一种 很好的两相流换热器，并逐步应用到工业的各个领 域 。 板式换热器中的对流换热是指换热介质都是液 体的换热。在传热计算上，建立了以下的对流换热 量的计算公式，也叫牛顿冷却公式： ｑ＝ （ｔ 一￡，） （２） 由上面公式可见，影响对流换热的因素都被归 结到对流换热系数中，对流换热系数数值上的大小 反映了对流换热的强弱。流体在板式换热器的通道 中流动时，在湍流条件下，通常用下面的关联式计算 流体沿整个流程的平均对流传热系数口，ｌ４ （ ＝Ｎｕ ｛Ａ／ｄｅ）： 在板式换热器的传热过程中，有无相变对传热 有重要影响，流体的流动状态、流动方向、流量大小、 流程组合也影响着传热的进行，凡是影响到流体流 动的因素都会影响到真实的传热系数，影响到换热 量和传热效率。根据传热学基本公式 Ｊ： Ｑ＝ＫＦＡｔ （１） ，＝ｃ舶 Ｐ （３） 由此可见传热系数 与换热面积Ｆ是反比例 关系，提高传热系数，可以提高产品的热效率，降低 换热面积，减少加工成本。因此，分析研究板式换热 器中流体的流动与传热的规律具有重要意义。 如果流体的粘度变化很大，则可采用Ｓｉｅｄｅｒ— Ｔａｔｅ的关联式的形式 Ｊ： ＝，ｎｎ Ｉ／ （ ） ¨ （４） １ 流体状态与传热 板式换热器中冷、热流体之间的换热一般都是 通过流体的对流换热（或相变换热）及板片的导热 来完成的。如图１所示。 对于牛顿型层流换热时，可采用下面关联 式 ： ＿ｃ（Ｒｅ／Ｐｒ］－￣） （ ） ０．１—０．２］ （５） ［ｊ二 中Ｃ＝１．８６～４．５０；／１，＝０．２５—０。３３； ＝ 过渡流时所得出的关联式比较复杂，故通常可 根据舶的数值，由板式换热器的特性图线查得。 对流传热系数的求解也可利用表达传热因子与 的关联式计算： Ｊｈ＝ａｒｅ （６） 式中： ——柯尔朋传热因子，即： ＾：ＳｔＰ，手（ ）ｍ¨ 埘 （７） 式中，斯坦顿数Ｓｔ＝ （ｃｐｐｏ￣），所以，对流传热系数 图１板式换热器传热过程【 为： 第ｌ３期 李安军等：板式换热器板间流体流动与传热分析 ５９ ＝＿『＾ｃ Ｐ （ ） （８） 另外，在文献［１］、［２］和［４］中也列举了其他一 些蒸汽凝结换热的关联式。 通过上述分析可见，影响对流换热的因素很多， 如流体的物性（比热容、导热系数、密度、粘度等）， 换热器板片表面形状、大小，流体的流动方式，都会 影响对流换热。对流换热时不同的工况的换热系数 是不同的，要按照不同的计算公式计算。 １．２相变换热 在对流换热中发生蒸发和凝结的换热过程，统 称为相变换热。在这类换热过程中，流动情况要比 单相流体中的对流换热复杂得多。 液体在受热情况下产生的沸腾或蒸发过程，称 为沸腾换热。液体在受热表面上的沸腾可分为大空 间沸腾（池沸腾）和有限空间沸腾（强迫对流沸腾）。 在板式换热器内所发生的沸腾过程属于有限空间沸 腾，有限空间沸腾又分为过冷沸腾和饱和沸腾。图 ２为饱和水在水平加热面上沸腾的典型曲线 Ｊ。 饱和沸腾时，壁温与液体饱和温度之差（ｔ 一ｔ ） 称为沸腾温差，沸腾传热系数为 ，则： ｑ＝ ６（ｔ ，一ｔ。） （９） 图２饱和水在水平加热面上沸腾的典型曲线 目前对于蒸发冷凝传热过程的研究较少，无论波 纹型或非波纹型板式蒸发器的沸腾传热计算式极少。 现在应用较普遍的沸腾传热系数 的计算式为 】： ｂ＝Ｓａ ＋ ” （１Ｏ） 、０．７９．０．４６ ０．４９ｎ０．２６ ，＝０．ｏ０１２２（ ）△ｔ０．２４Ａｐ （１１） ｕ ｌ ｐ 式中：Ａ——导热系数，ｗ／（ｍ・Ｋ）； ——表面张力（Ｎ／ｍ）； △ 对应于Ａｔ＝（ｔ 一ｔ ）的蒸汽压力差， Ｐａ； Ｒ——换算系数，为９．８Ｎ・ｍ／（Ｓ ・Ｎ）； ——热容量的比。 、 ”＝０．０２３ Ｒｅ ｐ ｏ・ （１２） ，１ｐ ’ 式中： ——修正系数，是液体湍流一气体湍流时马 丁尼利参数。 对于凝结换热，一种为膜状凝结，另一种为珠状 凝结。 单一介质在层流膜状凝结情况下，不考虑液膜 内流体的对流，则液膜层中的温度丁和速度∞分布 如图３所示¨］。蒸汽流速、流向和压力对凝结换热 的影响很大，蒸汽中不凝性气体的存在，即使含量很 小，传热系数也将大大降低。 图３层流凝结液膜中的速度和温度分布 ２板换结构与传热 换热器的结构在很大程度上影响着流动状况， 流动状况决定着传热系数。无论有无相变，换热器 的结构都关系着它的传热效率和换热量。 ２．１板型结构 板型及其结构参数对板式换热器传热有较大影 响。不同板型将使板片间通道中流体的流动产生显 著的差别 。例如：人字形板片的板式换热器中的 流动是典型的网状三维流动 Ｊ，如图４所示，水平平 直波纹板片的板式换热器中的流动则为二维的。同 种板型其波纹结构参数不同，也会使流动情况有差 异，并使之适合于不同工况下的换热，如图５所示人 字型板片的人字角不同传热系数也不同 Ｊ。 ２．２流程组合 流体流动分布是否均匀的问题还表现在流程组 合方式上。图６为典型的流程组合方式 Ｊ。对于一 般对称型流道的板式换热器，两流体的体积流量大 致相当时，应尽可能按等程布置；如果两侧流量相差 悬殊时，则流量小的一侧可采取多流程布置，以提高 甘肃图４ 人字形板片流体在板间通道的三维流动 图５人字角Ｂ对传热的影响 流速，获得较高的传热系数，大流量一侧采用较少的 流程，以降低换热器阻力［４Ｊ。相变板式换热器的相 变一侧一般均为单程。 一二 ： ： 图６典型的流程组合 ２．３流速的选取 流体在板间的流速，影响换热性能和流体的压 力降，流速高虽然换热系数高，但是流体的阻力降也 增大。一般板间平均流速为０．２—０．８ｍ／ｓ，主流线 上的流速要比平均值高４～５倍。流速低于０．２ｍ／ｓ 时流体就达不到湍流状态且会形成较大的死角区， 流速过高则会导致阻力降剧增¨。。。 ２．４非对称型板式换热器 非对称型板式换热器根据冷热流体的传热特性 和压力降要求，改变板片两面波形几何结构，形成冷 热流道流通截面不等的板式换热器。非对称型板式 换热器的传热系数下降微小，且压力降大幅减小。 冷热介质流量比较大时，采用非对称型单流程比采 科技 第２９卷 用对称型单流程的换热器可减少板片面积１５％～ ３０％。近年来国产的板式换热器出现了非对称通道 的板式换热器，国外则采取“热混合”的板片组合方 式，允许热量一流量一压降三者之间不成比例…］。 ３结语 通过以上的分析可见，板式换热器单相流体传 热时，流体的物性，换热器表面形状、大小，流体的流 动状态都会影响对流换热，而且情况很复杂，具体应 用中要根据实际的工况，选择合理的传热系数公式 进行换热计算；在相变传热时，蒸汽流速、流向和压 力对换热的影响很大，蒸汽中不凝气体的存在，即使 含量很小，传热系数也将大大降低；不同的传热工况 中，采用合理的板型结构、流程组合、流速和采用非 对称型板式换热器可以降低压降，提高换热系数。 符号说明： Ｑ——热流量，Ｗ／ｍ２； 传热系数，Ｊ／（ｍ ・ｓ）； 卜传热面积，ｍ ； △ｔ——传热温度差。Ｋ； ．ｓ——核沸腾影响的系数； ——池沸腾传热系数，ｗ／（ｍ ・Ｋ）； Ｌ两相流强制对流传热系数，Ｗ／（ｍ ・Ｋ）； ——动力粘度，Ｐａ・ｓ； ｄ ——当量直径，ｍ； ｒ一流体流动长度，ｍ； 厂＿努赛尔数； Ｐｒ一勃朗特数； ∞——流速。ｍ／ｓｏ 参考文献： ［１］王列科，杨强生．板式换热器中蒸汽凝结换热特性 ［Ｊ］．上海交通大学学报，１９９８，３２（４）：１８—２２． ［２］倪晓华，萧渊．板式换热器的换热与压降计算［Ｊ］．流 体机械，２００２，３０（３）：２２—３２． ［３］柴诚敬，张国亮．化工流体流动与传热［Ｍ］．北京：化 学工业出版社，２０００． ［４］杨崇麟．板式换热器工程设计手册［Ｍ］．北京：机械工 业出版社，１９９５． ［５］ Ｋｕｍａｒ Ｈ．Ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ Ｄｕｔｉｅｓ ｉｎ Ｐｌａｔｅ Ｈｅａｔ Ｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ ［Ｒ］．Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ：ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｐｒａｅ— ｔｉｃｅ．１９８３． ［６］ 章熙民，任泽霈，梅飞鸣．传热学［Ｍ］．北京：中国建筑 工业出版社，２００１． ［７］ 刘艳，何国庚，赖学江．板式换热器板型尺寸对换热 性能影响的探讨［Ｊ］．制冷，２００３，２２（２）：６５—６８． （下转第７页） 第１３期 张杨勋：广东省文化产业发展的ＳＷＯＴ分析及对策研究 ７ 业发展的关键，如美国的电影业、日本的动漫产业 获取相关文化产业发展的经验。政府在这个过程中 等。广东省文化产业以传媒业、文化产品制造业、文 可以制定相关政策，合理引导该过程的进行。通过 化产品销售业为主体，其核心竞争力多集中在此处， 此举，可以逐步调整文化产业的布局与分工，在省内 但就目前来看，广东省并没有很好的形成自己独一 形成有序的分工，调节区域间发展不平衡、产业内结 无二的核心竞争力，在全球化时代，单纯以制造、销 构不平衡的问题。 售、信息媒体为主导的文化产业很难在国际竞争中 ２．２立足传统文化。发展具有地区特色的文化创意 取得有利地位，广东省文化产业目前的发展仍需考 产业 虑如何更好地利用好本土的特色文化资源，形成与 重点发展以创意为核心的文化服务业，培养文 众不同的核心竞争力。 化产业的核心竞争力。文化产业的核心竞争力的培 其他地区文化产业集群快速发展带来的威胁。 养应成为广东进人产业高端时代下的新战略需求和 目前，文化产业的发展已经得到越来越多省市的重 新战略重点。其发展重点应包括：制定支持鼓励省 视，各省市通过制定战略规划、政策来推动本地文化 内不同区域文化创意产业发展的地方性法规和优惠 产业的发展。而在我国一些省市，文化产业集群已 政策；利用产业聚集效应，打造一批具有带头示范作 初具雏形，如上海卢湾、黄埔、长宁、静安等区的创意 用的文化创意产业集聚区，以此带动全省文化产业 产业商圈和北京ＣＢＤ的文化传媒产业集群等。这 的发展；培育一批具有浓郁地方特色的文化精品和 些地区的文化产业的快速发展，为当地的文化产业 知名品牌；加强对外合作，为文化创意产业发展增添 的发展创造了良好的环境，产业集聚效应初步形成， 新的动力。 从而吸引了大量的文化企业、人才和资金，这对广东 ２．３加强自主创新能力。推动园区的业态建设 省的文化产业发展形成了一定的竞争。 目前广东仍有很多文化产品处于代工生产的境 ２促进广东省文化产业发展的对策 地。如动漫产业，只负责加工，竞争力较弱。必须加 强企业的自主创新能力，掌握现代文化产业价值中 通过对广东省文化产业发展状况与环境的 的真正核心部分，实现由ＯＥＭ（Ｏｒｉｇｉｎａｌ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ＳＷＯＴ分析，可以看出，广东省文化产业具有资源丰 Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒ）向ＯＢＭ（Ｏｒｉｇｉｎａｌ Ｂｒａｎｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒ） 富、产业基础好、需求大的优势。也有着区域间发展 的转变，强化“业态建设”，办好文化创意产业园区， 不平衡、投人不足、产业内结构不平衡的劣势。有着 重视产业链条的经营，打造出真正的文化产业基地 国内外大环境发展环境向好、国内政策大力支持的 和区域性特色文化产业群，推动产业由“链条”走向 机遇，也面临着核心竞争力不足、国内其他地区文化 “网状”发展，实现省内文化产业的规模效益。 产业快速发展的威胁。如何抓住机遇，利用优势，规 避劣势，合理妥当地处理面对的威胁，是目前广东省 参考文献： 文化产业发展的关键。 ［１］ 陈忠暖，陈汉欣，冯越，等．新世纪以来广东文化产业 ２．Ｉ 推动文化产业区域间的协调发展。合理规划部 的发展与演变——与国内文化大省的比较［Ｊ］．经济 署。利用省内各区域的优势 地理，２０１２，１１（１）：７６—８４． ［２］ 广东省人民政府办公厅关于印发广东省文化产业振 以珠三角地区为中心，辐射带动东翼、西翼、北 兴规划（２０１１—２０１５年）的通知［ＥＢ／ＯＬ］．［２０１３—４— 翼地区服务业的发展。同时，利用好各地的特色文 １４］．ｈｔｔｐ：／／ｚｗｇｋ．ｓｄ．ｇｏｖ．ｅｎ／００６９３９７４８／２０１２０８／￣０１２ 化资源，因地制宜地发展适合当地特色文化产业。 ０８１４＿３３４８０９．ｈｔｍ１． 在合作中，珠三角地区的文化产品制造业可以从地 ［３］ “十一五”时期广东全面建设小康社会进程分析［Ｊ／ 区合作中得到文化产品制造的丰富材料，而东西北 ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｇｄｓｔａｔｓ．ｇｏｖ．ｅｎ／ｔｊｚｌ／ｔｊｆｘ／２０１ １ １０／ｔ２０１ 翼地区的文化产业则可以在与珠三角地区的合作中 １ １０２６ ８７６０８．ｈｔｍ１． ・‘●・…●＿＿・’●・。．．●…‘●…‘●…。●…‘●…’●…。●－．“●’…●…・●・＿＿。●…。●…‘●・…●…‘●…‘●…’●…’●・・・。●…’●…‘●…‘●…‘●・・－。●・・・‘●・・・。●…’●… ●…。●‘・・‘●‘・・‘●・・・‘●・・・‘●・・・’●・・・。●・・・’● （上接第６Ｏ页） ［８］ＡＰＶ．Ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｈａｎｄｂｏｏｋ［Ｍ］．ＡＰＶ ２００８． ［１Ｏ］尾花英朗．热交换器设计手册［Ｍ］．徐忠权译．北 ［９］ 李扬．最新换热器设计新技术与设备污垢对策及安 京：石油工业出版社，１９８２． 装、检验、维修标准实用手册［Ｍ］．北京，北方工业出 ［１１］任红延．板式换热器传热性能的研究［Ｊ］．太原科 版社，２００６． 技，１９９９，１８（３）：１６—２３．