船用板式换热器板片的结构对换热效果的分析

摘要：通过建立板式换热器的平面传热模型，分析出影响换热器传热效率的主要原因并结合船用的特点，着重分析换热板片结构对换热器的影响，为今后船用板式换热器的设计和改进研究提供理论依据。

船用板式换热器作为船上的主要换热设备对全船的安全运行起到关键的作用。它的结构相对其他设备较为简单，主要由螺杆、压板、底座、板片等组成。它广泛地作为大型舰船主机缸套水、滑油冷却器以及中央冷却器。几十年来得到了很大的发展。各大厂家都将精力放在如何提高板式换热器的换热效果上。

由于船用板式换热器的板片结构直接影响了换热器的性能。本文将对现有的船用板式换热器的一系列板片参数对换热器性能的影响进行探讨，以求为进一步的研究提供一些借鉴。

1·换热系数的计算

船用板式换热器为了其维修性，板片之间均为U型连接，为逆流方式，两侧流体为冷水与热水或滑油。板间的换热形式可抽象为平壁传热［1］，如图1。

根据传热模型，板式换热器的换热量为：

通常在板式换热器选型计算时，板式换热器的换热面积为：

式中Q为换热器需要交换的热量，这由船上的各个设备所决定；Δt由当时的环境所决定，研究者主要的研究方向为k值。

其中：λ为水的导热系数，dε为板片的特征尺寸。由流体力学可知，当水的流动开始由层流向紊流过渡后，即Re≥2200后，Nu数随着Re数的增加而增加。而Re数的增加取决于水流速的增加或板片表面的波纹形状，由此我们可以看出增大流体的流速和研究出高效的板片波纹将是强化板换热的重要手段。

由于船用板式换热器流道中流体的流量是由主机柴油机滑油或缸套水的换热量决定的，所以研究的重点可以放在板片形式上。

2·板片主要影响换热效果的因素

2.1板片厚度

由传热系数的表达式可知，板片的厚度δ越小，换热器的传热效果越好，船用板式换热器的标准，提出换热器的板片厚度在0.6～0.8mm，目前行业最薄的钛板板片已经达到0.4mm。板片再做薄对提高换热效果不会太明显，而主要的是为了减少成本，降低材料的消耗，但薄板片在压制后强度会相对减小。

2.2板片的夹角

船用板式换热器提高k值的主要方法之一是提高板片两侧换热介质表面的流体扰动程度。船用板式换热器的板片通常加工成人字波纹板。对于人字形波纹板片，人字角的大小对传热和流体阻力影响很大。人字角大的板片传热系数高、流体阻力亦大；反之人字角小的板片传热系数和阻力都低，如图2。

由图2可见120°人字角的波纹传热效果最好，角度越小或者变大，传热效率都会变低［2］，通常的中央冷却器与缸套水冷却器采用120°人字角板片，以达到最大的换热效果。

在船用滑油冷却器中，由于滑油的粘度高于水的粘度，如果全使用120°大夹角的板片会造成流体阻力大，而60°小夹角板片的传热系数低。因此滑油冷却器往往使用2种板片混装的方式，在充分利用允许压降的情况下，这种称之为换热混合设计，其换热面积可达到最优效果。

2.3板间流速

流体在板间流 动，其流速是不均匀的，在主流线上的流速，约为平均流速的4~5倍，在一个流程内每个流道的流速也不均匀。为使流体在板间流动时，出于充分湍流状态，宜取板间的平均流速0.3～0.8m/s。在阻力降容许的情况下取大值，以提高对流传热膜系数，从而减小换热面积，提高换热效率。通常按照给定的流速选择出板片恰当的单片面积与长宽比，这样的选型方法是控制板间流速的关键因素［3］。

3·结语

（1）通过换热器的传热模型分析出了影响换热器传热系数k值的几个关键因素：传热膜系数α、板厚δ。而板片的特征长度与板间的雷诺数Re决定着传热膜系数α的大小。

（2）具体分析了目前船用板式换热器板片（板片厚度、板片夹角和板间流速）的研究方向。

（3）经过分析,在后续的工作中还需要依据传热学和流体力学的相关原理对船用板式换热器进行改进和优化。

参考文献

1·王峰.板式换热器高效传热新思路.区域供热，2010（1）

2·钱颂文.换热器设计手册（第1版）.化学工业出版社，2002

3·兰州石油机械研究所.换热器（下册）.北京：烃加工出版社，1990

作者：吴延嘉 王大为 （中船重工集团第七○四研究所上海200031）