提高可拆式板式換熱器效能的若干辦法 可拆式板式換熱器效能優化設計

一、板式換熱器優化設計方向

近年來，板式換熱器技術日(ri)益成熟，其傳(chuan)熱(re)效(xiao)率高，體積小，重量輕，污垢系數(shu)低，拆(chai)卸(xie)(xie)方(fang)(fang)便，板(ban)片品種多(duo)，適用范(fan)圍廣(guang)，在供(gong)熱(re)行(xing)業得(de)到了廣(guang)泛應(ying)用。板(ban)式(shi)(shi)換熱(re)器(qi)按組(zu)裝(zhuang)方(fang)(fang)式(shi)(shi)分為可(ke)(ke)(ke)拆(chai)式(shi)(shi)、焊接(jie)式(shi)(shi)、釬(han)焊式(shi)(shi)、板(ban)殼(ke)式(shi)(shi)等。由于(yu)(yu)可(ke)(ke)(ke)拆(chai)式(shi)(shi)板(ban)式(shi)(shi)換熱(re)器(qi)便于(yu)(yu)拆(chai)卸(xie)(xie)清洗(xi)，增(zeng)減換熱(re)器(qi)面積靈活，在供(gong)熱(re)工程中使用較多(duo)。可(ke)(ke)(ke)拆(chai)式(shi)(shi)板(ban)式(shi)(shi)換熱(re)器(qi)受橡膠密封墊耐熱(re)溫度的限(xian)制，適用于(yu)(yu)水一(yi)水傳(chuan)熱(re)。本文對提高可(ke)(ke)(ke)拆(chai)式(shi)(shi)板(ban)式(shi)(shi)換熱(re)器(qi)效(xiao)能(neng)的優化設計進行(xing)研究(jiu)。

提(ti)高板式換熱器(qi)的效(xiao)能是(shi)一個(ge)綜合(he)經濟效(xiao)益問題，應(ying)通過技術經濟比(bi)較后確定(ding)。提(ti)高換熱器(qi)的傳熱效(xiao)率和(he)降低(di)換熱器(qi)的阻(zu)力應(ying)同時考慮(lv)，而且應(ying)合(he)理選用板片材(cai)質和(he)橡膠密(mi)封墊材(cai)質及安裝方法，保證設(she)備安全運(yun)行，延長設(she)備使用壽命。

二、板式換熱器優化設計方法

2.1提高傳熱效率

板(ban)式(shi)換熱(re)(re)器(qi)是問壁傳(chuan)熱(re)(re)式(shi)換熱(re)(re)器(qi)，冷熱(re)(re)流體通過換熱(re)(re)器(qi)板(ban)片傳(chuan)熱(re)(re)，流體與板(ban)片直接接觸，傳(chuan)熱(re)(re)方式(shi)為熱(re)(re)傳(chuan)導和對流傳(chuan)熱(re)(re)。提高板(ban)式(shi)換熱(re)(re)器(qi)傳(chuan)熱(re)(re)效率的關鍵是提高傳(chuan)熱(re)(re)系數和對數平均溫差。

① 提高(gao)換熱(re)(re)器傳(chuan)(chuan)(chuan)熱(re)(re)系(xi)數(shu)只有同時(shi)提高(gao)板片冷(leng)熱(re)(re)兩側(ce)的表面傳(chuan)(chuan)(chuan)熱(re)(re)系(xi)數(shu)，減小(xiao)污垢(gou)層熱(re)(re)阻，選用(yong)熱(re)(re)導率高(gao)的板片，減小(xiao)板片的厚度，才能有效提高(gao)換熱(re)(re)器的傳(chuan)(chuan)(chuan)熱(re)(re)系(xi)數(shu)。

a.提高板片的表面傳熱系數

由于板式換(huan)熱器的(de)波紋能使流(liu)體在較小的(de)流(liu)速下產生湍流(liu) (雷諾數一 150時 )，因此(ci)能獲得較高的(de)(de)表面傳熱系數，表面傳熱系數與板片波紋(wen)的(de)(de)幾何結構以及介質的(de)(de)流動狀態(tai)有關。板片的(de)(de)波形(xing)包括(kuo)人字形(xing)、平(ping)直形(xing)、球形(xing)等。經過多年的(de)(de)研究和實驗發現，波紋(wen)斷(duan)面形(xing)狀為三角形(xing) (正(zheng)弦形(xing)表面傳熱系數最大，壓力(li)降較(jiao)小，受壓時應(ying)力(li)分布均勻，但加(jia)工困(kun)難? )的人字形(xing)板片具(ju)有較高的表(biao)面傳(chuan)(chuan)熱(re)系數，且波紋的夾角越大，板間(jian)流道內介質流速(su)越高，表(biao)面傳(chuan)(chuan)熱(re)系數越大。

b.減小污垢層熱阻

減小換熱器的(de)污垢(gou)層(ceng)熱阻的(de)關(guan)鍵是(shi)防止板片結(jie)(jie)垢(gou)。板片結(jie)(jie)垢(gou)厚度(du)為 1 mm時，傳熱系數(shu)降低(di)約 10%。因(yin)此，必(bi)須注(zhu)(zhu)意監測(ce)換熱(re)器冷熱(re)兩側(ce)的水(shui)(shui)(shui)質，防止板片結(jie)垢，并(bing)防止水(shui)(shui)(shui)中雜物附(fu)著在(zai)板片上。有些(xie)供(gong)熱(re)單位為防止盜(dao)水(shui)(shui)(shui)及鋼(gang)件腐蝕，在(zai)供(gong)熱(re)介質中添加藥劑，因(yin)此必(bi)須注(zhu)(zhu)意水(shui)(shui)(shui)質和(he)黏(nian) *劑引起雜(za)物(wu)沾污換熱器板片。如果水中(zhong)有黏(nian)(nian)性雜(za)物(wu)，應(ying)采用(yong)專用(yong)過濾器進行處理。選(xuan)用(yong)藥(yao)劑時(shi)，宜(yi)選(xuan)擇無黏(nian)(nian)性的(de)藥(yao)劑。

c.選用熱導率高的板片

板(ban)片材質可選擇奧氏(shi)體不(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)、鈦合金、銅(tong)合金等(deng)。不(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)的(de)導(dao)熱性(xing)能好(hao)，熱導(dao)率(lv)約14.4 W/(m?K) ，強度(du)高，沖壓性能好，不易被氧化，價格(ge)比鈦合(he)金(jin)和銅合(he)金(jin)低，供熱工(gong)程中使用最多，但其耐氯離子腐(fu)蝕的(de)能力差。

d.減小(xiao)板片(pian)厚度(du)

板片(pian)(pian)的(de)(de)設(she)計厚(hou)度與其耐腐蝕性能(neng)無關，與換(huan)熱器的(de)(de)承壓(ya)能(neng)力有關。板片(pian)(pian)加(jia)厚(hou)，能(neng)提高換(huan)熱器的(de)(de)承壓(ya)能(neng)力。采用人字形(xing)板片(pian)(pian)組(zu)合時，相鄰板片(pian)(pian)互相倒置，波紋相互接觸，形(xing)成了密度大、分布(bu)均(jun)勻(yun)的(de)(de)支點(dian)，板片(pian)(pian)角孑 L及邊緣密封結構已逐步完善，使換(huan)熱器具(ju)有很好(hao)的(de)承壓能力。國產可拆式(shi)板式(shi)換(huan)熱器最大承壓能力已達到了 2.5 MPa。板片厚度對(dui)傳(chuan)熱系數影響(xiang)很(hen)大，厚度減小(xiao) 0.1mm，對(dui)稱型板式換熱(re)器的總傳(chuan)熱(re)系數約增加(jia) 600W/(m ?K)，非(fei)對稱(cheng)型約增加 500 W/(m ?K) 。在滿足換熱器(qi)承壓(ya)能力的(de)前提下，應盡量選(xuan)用較小(xiao)的(de)板片厚度。

② 提高對(dui)數平均溫差

板式(shi)換(huan)熱器流(liu)型(xing)(xing)有逆流(liu)、順流(liu)和混合流(liu)型(xing)(xing) (既有逆流又有順流 )。在相同(tong)工(gong)況下，逆流時對數(shu)平(ping)均溫(wen)(wen)差(cha)最大，順流時最小，混(hun)合流型介(jie)于二者之問。提高(gao)換熱器(qi)對數(shu)平(ping)均溫(wen)(wen)差(cha)的(de)方法為盡(jin)可(ke)能(neng)采用逆流或接近逆流的(de)混(hun)合流型，盡(jin)可(ke)能(neng)提高(gao)熱側流體的(de)溫(wen)(wen)度，降低冷側流體的(de)溫(wen)(wen)度。

③ 進出口管(guan)位置的確定

對于單流(liu)(liu)程布(bu)置(zhi)的板(ban)式(shi)換熱(re)(re)(re)器，為檢(jian)修方便(bian)，流(liu)(liu)體進(jin)出(chu)口(kou)管應盡可能布(bu)置(zhi)在換熱(re)(re)(re)器固定端板(ban)一側。介(jie)質(zhi)的溫差越(yue)大，流(liu)(liu)體的自然對流(liu)(liu)越(yue)強，形成的滯(zhi)留帶的影響(xiang)越(yue)明顯，因(yin)此介(jie)質(zhi)進(jin)出(chu)口(kou)位置(zhi)應按(an)熱(re)(re)(re)流(liu)(liu)體上進(jin)下出(chu)，冷流(liu)(liu)體下進(jin)上出(chu)布(bu)置(zhi)，以減小滯(zhi)留帶的影響(xiang)，提高傳熱(re)(re)(re)效率(lv)。

2.2降低換熱器阻力的方法

提高板問流(liu)(liu)道內介質(zhi)的(de)平均流(liu)(liu)速(su)，可提高傳熱(re)系數，減(jian)小換熱(re)器(qi)面積。但提高流(liu)(liu)速(su)，將加大換熱(re)器(qi)的(de)阻力(li)，提高循(xun)環(huan)泵的(de)耗(hao)(hao)電量和設備造(zao)價。循(xun)環(huan)泵的(de)功(gong)耗(hao)(hao)與(yu)介質(zhi)流(liu)(liu)速(su)的(de) 3次方成正比(bi)，通過提高(gao)流(liu)速獲得稍(shao)高(gao)的(de)傳熱系(xi)數不經濟。當冷熱介質流(liu)量比(bi)較(jiao)大時，可(ke)采用以下方法降低換熱器的(de)阻力，并(bing)保證(zheng)有較(jiao)高(gao)的(de)傳熱系(xi)數。

① 采(cai)用熱(re)混合板

熱混(hun)合板(ban)的板(ban)片兩面(mian)波(bo)紋(wen)幾(ji)何(he)結構相(xiang)同，板(ban)片按人(ren)字形(xing)波(bo)紋(wen)的夾角分為(wei)硬(ying)板(ban) (H)和軟板 (L)，夾角 (一(yi)般為(wei) 120。左右(you) )大于 90。為硬板，夾角 (一(yi)般(ban)為(wei) 70。左右 )小于 90。為(wei)軟(ruan)板(ban)(ban)(ban)。熱混合(he)板(ban)(ban)(ban)硬(ying)板(ban)(ban)(ban)的表面傳熱系數高，流體阻力(li)大，軟(ruan)板(ban)(ban)(ban)則(ze)相反。硬(ying)板(ban)(ban)(ban)和軟(ruan)板(ban)(ban)(ban)進行組(zu)(zu)合(he)，可組(zu)(zu)成高 (HH)、中 (HL)、低 (LL)3種特性的流道，滿足(zu)不同(tong)工況的需求。

冷(leng)(leng)熱介質流量比(bi)較大時，采用熱混合板比(bi)采用對稱型單流程的換熱器可減(jian)少(shao)板片面(mian)積。熱混合板冷(leng)(leng)熱兩側(ce)的角(jiao)孔直徑通常相等，冷(leng)(leng)熱介質流量比(bi)過(guo)大時，冷(leng)(leng)介質一側(ce)的角(jiao)孑 L壓力(li)損失很大。另外(wai)，熱(re)混合板(ban)設(she)計技術難以實現精(jing)確匹配，往往導致節省板(ban)片面積有限。因(yin)此，冷(leng)熱(re)介質流(liu)量比過大時不(bu)宜(yi)采(cai)用熱(re)混合板(ban)。

② 采用非對稱型板(ban)式換熱器

對(dui)(dui)稱(cheng)型板式換熱(re)器由板片(pian)兩面波紋(wen)幾何結構相同(tong)的(de)板片(pian)組成，形成冷熱(re)流(liu)道流(liu)通(tong)截(jie)面積相等的(de)板式換熱(re)器。非對(dui)(dui)稱(cheng)型 (不等截面積(ji)型 )板(ban)式換熱(re)器根(gen)據冷熱(re)流體的(de)(de)傳(chuan)熱(re)特性和(he)壓力降要求，改變板(ban)片(pian)兩(liang)面(mian)波形幾(ji)何結(jie)構，形成冷熱(re)流道流通截面(mian)積不等(deng)的(de)(de)板(ban)式換熱(re)器，寬(kuan)流道一側的(de)(de)角孑 L直徑較大(da)(da)。非(fei)對稱型板式換熱器(qi)的(de)傳熱系數下降(jiang)微(wei)小，且壓力(li)降(jiang)大(da)(da)幅減(jian)小。冷熱介質流量比較大(da)(da)時，采用非(fei)對稱型單流程(cheng)比采用對稱型單流程(cheng)的(de)換熱器(qi)可(ke)減(jian)少板片面(mian)積 15% 一 3O% 。

③ 采用多流程組(zu)合

當冷熱(re)介質流(liu)量較(jiao)大時(shi)，可以(yi)采(cai)用多流(liu)程(cheng)組合(he)布置，小流(liu)量一(yi)側采(cai)用較(jiao)多的(de)(de)流(liu)程(cheng)，以(yi)提高流(liu)速(su)，獲得較(jiao)高的(de)(de)傳(chuan)熱(re)系數。大流(liu)量一(yi)側采(cai)用較(jiao)少(shao)的(de)(de)流(liu)程(cheng)，以(yi)降(jiang)低換(huan)(huan)熱(re)器阻力。多流(liu)程(cheng)組合(he)出現混合(he)流(liu)型，平(ping)均(jun)傳(chuan)熱(re)溫差稍(shao)低。采(cai)用多流(liu)程(cheng)組合(he)的(de)(de)板(ban)式(shi)換(huan)(huan)熱(re)器的(de)(de)固定端(duan)板(ban)和活動(dong)端(duan)板(ban)均(jun)有接管，檢(jian)修(xiu)時(shi)工(gong)作量大。

④ 設換熱器旁通管(guan)

當冷熱(re)介(jie)質(zhi)流(liu)(liu)量比較大時，可(ke)在大流(liu)(liu)量一側換(huan)(huan)熱(re)器進(jin)出口之問設(she)旁通(tong)管，減少進(jin)入換(huan)(huan)熱(re)器流(liu)(liu)量，降低阻力。為便于調(diao)節(jie)，在旁通(tong)管上應(ying)安裝調(diao)節(jie)閥。該方式應(ying)采(cai)用逆流(liu)(liu)布置，使(shi)冷介(jie)質(zhi)出換(huan)(huan)熱(re)器的(de)溫(wen)度較高，保(bao)證換(huan)(huan)熱(re)器出口合流(liu)(liu)后的(de)冷介(jie)質(zhi)溫(wen)度能達到設(she)計要(yao)求(qiu)。設(she)換(huan)(huan)熱(re)器旁通(tong)管可(ke)保(bao)證換(huan)(huan)熱(re)器有較高的(de)傳熱(re)系數，降低換(huan)(huan)熱(re)器阻力，但調(diao)節(jie)略繁。

⑤ 板式(shi)(shi)換熱器(qi)形式(shi)(shi)的選擇

換(huan)熱器板間流(liu)道內介(jie)質平(ping)均(jun)流(liu)速以 0.3～ 0.6m/ s為(wei)宜，阻力以(yi)不大于100 kPa為宜。根據不同冷熱介質流量比(bi)，可參照表 1選用不同形式的板式換熱(re)器，表中非對稱型板式換熱(re)器流道截面積比為 2。采(cai)用對(dui)稱型或非對(dui)稱型、單流程或多流程板式換(huan)熱(re)器(qi)，均可設置(zhi)換(huan)熱(re)器(qi)旁(pang)通(tong)管，但應經詳細(xi)的熱(re)力(li)計算。

2.3橡膠密封墊材質及安裝方式

① 材質的選擇

水一水換熱器中，冷熱介質對橡膠(jiao)密封墊(dian)均無腐蝕性(xing)。選(xuan)用(yong)(yong)橡膠(jiao)密封墊(dian)材質的關鍵(jian)是耐溫(wen)和密封性(xing)能，橡膠(jiao)密封墊(dian)材質可(ke)按文獻選(xuan)用(yong)(yong)。

② 安(an)裝方式的選擇

橡(xiang)(xiang)膠(jiao)(jiao)密封(feng)墊常用安裝(zhuang)方式為粘接(jie)式、卡扣式。粘接(jie)式是(shi)在換(huan)熱器組(zu)(zu)裝(zhuang)時(shi)，將(jiang)橡(xiang)(xiang)膠(jiao)(jiao)密封(feng)墊用膠(jiao)(jiao)水粘接(jie)在板(ban)(ban)片(pian)密封(feng)槽內。卡扣式是(shi)在換(huan)熱器組(zu)(zu)裝(zhuang)時(shi)，利用橡(xiang)(xiang)膠(jiao)(jiao)密封(feng)墊和板(ban)(ban)片(pian)邊緣(yuan)的卡扣結(jie)構，將(jiang)橡(xiang)(xiang)膠(jiao)(jiao)密封(feng)墊固(gu)定在板(ban)(ban)片(pian)密封(feng)槽內。由于卡扣式安裝(zhuang)工作量很小，換(huan)熱器拆卸時(shi)橡(xiang)(xiang)膠(jiao)(jiao)密封(feng)墊損壞率(lv)低(di)，而且(qie)不存在膠(jiao)(jiao)水中(zhong)可(ke)能含有(you)的氯離(li)子(zi)造成對板(ban)(ban)片(pian)的腐蝕，因此使用較(jiao)多(duo)。

2.4合理(li)選用(yong)板(ban)片材(cai)質

不銹鋼板(ban)片(pian)可能產生(sheng)腐(fu)蝕(shi)失效的(de)現象有點蝕(shi)、縫隙腐(fu)蝕(shi)、應(ying)力腐(fu)蝕(shi)、晶間腐(fu)蝕(shi)、均勻(yun)腐(fu)蝕(shi)等，應(ying)力腐(fu)蝕(shi)的(de)發生(sheng)率較高(gao)。