板式換熱器的流道是指冷熱流體在板片間流動的通道,其設計包括流道形狀、尺寸、排列方式等,也直接影響流體流動狀態、傳熱系數和壓降,進而決定換熱效果,艾克森對具體影響分別進行了分析:
1. 流道形狀:決定流體擾動強度
流道形狀由板片波紋結構決定,常見類型有
(1)人字形波紋:板片表面呈對稱的“V”形波紋,相鄰板片的波紋交叉形成交錯流道。流體流經時會不斷改變方向,形成強烈湍流,能大幅提高傳熱系數,但流動阻力較大,適合對傳熱效率要求高、允許較高壓降的場景。
(2)平直形波紋:波紋平緩,流道相對順暢,流體擾動較弱,傳熱系數較低,但壓降小,適合大流量、低阻力需求的場合。
球形或點狀波紋:通過凸點形成局部湍流,兼顧傳熱效率和壓降,常用于易結垢的流體,如河水換熱,凸點可減少沉積物附著。
2. 流道尺寸:影響流速與傳熱面積
流道尺寸包括寬度板片有效寬度和高度
(1)流道高度:高度越小,單位體積內的板片數量越多,總傳熱面積越大;同時,狹窄空間會增加流體流速,湍流程度提高,那么傳熱系數上升。但高度過小就易堵塞,尤其含顆粒流體的時候阻力劇增,就需根據介質特性平衡。
(2)流道寬度:寬度越大,單塊板片的傳熱面積越大,但流體在寬流道內易分布不均,邊緣流速低、中心流速高,就會導致局部傳熱效率下降。因此,寬流道通常搭配導流結構,如入口分流區,確保流體均勻分配。
3. 流道排列:控制流體停留時間與溫差
流道排列分為“并聯”和“串聯”
(1)并聯流道:多組流道同時通入流體,總流通面積大,流速低,壓降小,但流體停留時間短,就可能導致冷熱流體溫差未充分利用。
(2)串聯流道:流體依次流經多組流道,停留時間延長,流速提高,傳熱更充分,但壓降增大。例如,將單流程改為雙流程,流速翻倍,傳熱系數可提高30%,但壓降增至4倍。
4. 流道進出口設計:要避免“死區”與“短路”
流道進出口如果設計不合理,會出現“死區”,也就是流體停滯區域,幾乎不參與換熱的情況或“短路”,流體直接從入口沖向出口,而未流經全流道。使用優質設計會在入口處設置“分流區”,如擴大的緩沖區,通過弧形過渡引導流體均勻進入流道,減少死區;同時,密封墊片需精準分隔冷熱流道,避免串流短路。
艾克森認為流道設計的核心是其實就是平衡傳熱效率與流動阻力,高效設計需要根據流體性質、流量、允許壓降等參數,來選擇合適的波紋形狀、尺寸和排列方式,最終實現 “湍流強化傳熱+均勻流動+低阻抗”的最優組合。
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