冷卻器是一種高效、節(jié)能的換熱設(shè)備,具有傳熱系數(shù)高、結(jié)構(gòu)緊湊、耗材少、形式多樣、便于維修等諸多優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大,已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電力、冶金、化工、輕紡、飲料、城鎮(zhèn)供熱等行業(yè)和領(lǐng)域,表現(xiàn)出很強(qiáng)的競爭力。
冷卻器以金屬板片(一般厚度為0 5～1 0mm)為換熱元件,由不銹鋼、工業(yè)純鈦或其他材料的薄板壓制而成。通常用模具將板片壓制成各種槽型或波紋形,既可以增大板片的剛度,以防止板片受壓時變形,也增強(qiáng)了流體的湍流程度,增加了換熱面積。每個板片的四角各開有一孔,板片四周以及孔的周圍壓有密封墊片槽,并根據(jù)需要在孔的周槽中放置有墊片,起到允許流體或阻止流體進(jìn)入板面之間通道的作用。若將數(shù)個板片按照換熱要求依次排列在支架上,并用固定壓緊板和活動壓緊板由壓緊螺桿壓緊,在相鄰的板片間就形成了流體通道,借助板片四角的孔口與墊片．
1、板片的組合形式
根據(jù)對冷卻器的市場調(diào)研,我國冷卻器生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)的板型主要以縱向人字形波紋為主。人字形波紋分為橫向人字形波紋和縱向人字形波紋。流體在以上兩種形式的板片構(gòu)成的通道內(nèi)流動時都能形成網(wǎng)狀流動,但其流動阻力和傳熱系數(shù)各不相同。當(dāng)采用橫向人字形波紋板片時,流體在經(jīng)過板片間形成的通道時比較順暢,流動阻力很小,壓力降非常低,但其換熱系數(shù)也要比縱向人字形波紋的板片稍低一些,因此比較適用于低流速、高粘度、流量比較大的場合。當(dāng)采用縱向人字形波紋的板片(其波紋夾角為120°)時,流體在板片間形成的通道流過時極易產(chǎn)生湍流,換熱系數(shù)高,因而可以產(chǎn)生比較理想的換熱效果,其主要缺點(diǎn)是壓力降比較大,因而只適用于壓力不太大的情況,不適用粘度高、流動阻力要求低的場合。
2、板片的結(jié)構(gòu)形式
板片作為冷卻器的關(guān)鍵元件,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理與否將直接影響到板片的傳熱性能、阻力降以及整機(jī)的承壓能力。目前已存在百余種核心結(jié)構(gòu),其主要波紋形式有:人字形波紋(包括橫向人字形波紋和縱向人字形波紋)、水平波紋、豎直波紋、斜波紋等。我國生產(chǎn)的冷卻器的板片結(jié)構(gòu)形式,絕大多數(shù)是以人字形波紋為主,屬于典型的網(wǎng)狀流動板型結(jié)構(gòu),其特點(diǎn)是在板間構(gòu)成的流體通道中,錯列地布滿了觸點(diǎn),流體在這些觸點(diǎn)間環(huán)繞流動形成螺旋形的前進(jìn)軌道,從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動。如果加大流體的流動程度,可以減少層流底層的厚度,有效提高無相變的對流換熱系數(shù),從而達(dá)到增大傳熱系數(shù)的目的。實(shí)驗(yàn)證明:對于水介質(zhì),當(dāng)雷諾數(shù)Re=20～200,流速為0 2～0 5m/s時,流體即進(jìn)入湍流狀態(tài),已具有很高的傳熱系數(shù)。為此,在板片上均勻、錯落地布置觸點(diǎn),并適當(dāng)減小間距,除了可以大大加強(qiáng)板片的整體剛度,還可以承受較大的壓差。
3、板片的密封結(jié)構(gòu)分析
在
冷卻器設(shè)計(jì)中,板片的整體結(jié)構(gòu)與密封強(qiáng)度有十分密切的關(guān)系,合理的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅能夠提高板片的剛度,提高冷卻器的耐壓性能,也能保證良好的密封性。密封結(jié)構(gòu)是由板片的密封槽和密封墊片構(gòu)成的,密封墊片的性能(物理性能、化學(xué)性能和工藝性能)、密封槽形式、密封墊片的壓縮比是密封設(shè)計(jì)的三大要素。
目前,國內(nèi)外各種板型密封槽的設(shè)計(jì)均采用平面形式,如圖3a所示。其優(yōu)點(diǎn)是板片加工成型簡單、密封墊片結(jié)構(gòu)簡單、易于粘結(jié)、密封墊片在密封槽內(nèi)的穩(wěn)定性好。但也存在不利之處,例如在粘接密封墊片與密封槽時,對位必須相當(dāng)準(zhǔn)確,不允許有偏移,否則在夾緊時,密封墊片會脫離密封槽而失去密封的效果。針對此種情況,本文對密封槽形式做了大量的研究和試驗(yàn),研制出一種新型結(jié)構(gòu)形式,其密封墊片在組裝時穩(wěn)定性好,定位準(zhǔn),提高了密封槽部位的剛度,降低了裝配過程中的夾緊力,降低了板片的變形程度。多年使用結(jié)果表明,該密封槽形式效果甚佳,有較大推廣價值．
4、密封墊片
密封墊片是冷卻器的重要組成部分,在裝配時先用粘接劑將墊片貼牢在板片的密封槽中,而在孔的周槽中根據(jù)流體流動的需要來放置墊片,從而起到允許或阻止流體進(jìn)入板片之間通道的作用,達(dá)到熱交換的目的。密封墊片的材料、結(jié)構(gòu)形式及壓縮比直接關(guān)系到冷卻器的密封效果。目前常用的密封墊片的材料有合成橡膠和石棉橡膠兩大類。合成橡膠常用的有丁腈橡膠、三元乙丙橡膠和氟橡膠。合成橡膠密封墊片的物理性能指標(biāo)主要有工況條件下的永久壓縮變形和扯斷伸長率,橡膠密封膠墊的硬度指標(biāo)則應(yīng)根據(jù)密封槽的形式及壓縮量而定。
密封墊片的結(jié)構(gòu)形式也有很多種,其截面形式大致有矩形、梯形、六邊形、五邊形等。常用的形式有兩大類型:一種形式,其密封墊片橫截面的上部為尖形的;另一種形式,其上部為平面。前者是通過尖端至中部的尺寸差來增加密封墊片的變形程度,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)際上仍然是平面密封,而非線性密封,因?yàn)榘迤拿芊獠鄣撞渴瞧矫?當(dāng)板片密封槽底部平面有缺陷時,這種結(jié)構(gòu)能抵消一些。后者設(shè)計(jì)的目的是為了減少密封墊片的壓縮量,其壓緊形式為平面壓緊。其主要缺點(diǎn)是在板片裝配過程中,板片容易錯位,夾緊力過大,容易造成板片變形等。通過分析研究和試驗(yàn)．示密封槽相對應(yīng)的墊片截面,使裝配更加簡單,也提高了板片的承壓能力。一般以密封墊片的壓縮量與其原始厚度之比即壓縮比作為密封墊片的設(shè)計(jì)依據(jù)。根據(jù)多年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及對國內(nèi)外大量冷卻器密封結(jié)構(gòu)的分析,筆者認(rèn)為壓縮比掌握在20%～25%之間比較理想。
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