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，板式換熱器技術日益成熟，其傳熱(re)(re)(re)(re)效率高，體(ti)積(ji)小(xiao)，重量輕，污垢系(xi)數低(di)，拆(chai)(chai)卸方(fang)便(bian)，板片品種多，適(shi)用范圍廣，在供(gong)熱(re)(re)(re)(re)行(xing)業得到了(le)廣泛應用。板式(shi)(shi)換(huan)熱(re)(re)(re)(re)器(qi)(qi)按組裝方(fang)式(shi)(shi)分為可(ke)(ke)拆(chai)(chai)式(shi)(shi)、焊接式(shi)(shi)、釬焊式(shi)(shi)、板殼(ke)式(shi)(shi)等(deng)。由于可(ke)(ke)拆(chai)(chai)式(shi)(shi)板式(shi)(shi)換(huan)熱(re)(re)(re)(re)器(qi)(qi)便(bian)于拆(chai)(chai)卸清洗，增減換(huan)熱(re)(re)(re)(re)器(qi)(qi)面積(ji)靈活，在供(gong)熱(re)(re)(re)(re)工程中使用較多。可(ke)(ke)拆(chai)(chai)式(shi)(shi)板式(shi)(shi)換(huan)熱(re)(re)(re)(re)器(qi)(qi)受橡膠(jiao)密(mi)封墊(dian)耐熱(re)(re)(re)(re)溫度的(de)限制，適(shi)用于水一水傳熱(re)(re)(re)(re)。本(ben)文對提高可(ke)(ke)拆(chai)(chai)式(shi)(shi)板式(shi)(shi)換(huan)熱(re)(re)(re)(re)器(qi)(qi)效能(neng)的(de)優化設計進行(xing)研究。

提(ti)(ti)高(gao)板式換(huan)(huan)熱(re)(re)器(qi)的(de)(de)效能是一個綜合經濟(ji)效益問題，應通(tong)過技術經濟(ji)比較后確定(ding)。提(ti)(ti)高(gao)換(huan)(huan)熱(re)(re)器(qi)的(de)(de)傳熱(re)(re)效率和降低(di)換(huan)(huan)熱(re)(re)器(qi)的(de)(de)阻力應同時考慮(lv)，而且應合理選用板片材質和橡膠密封墊材質及安(an)裝方法，保證(zheng)設備安(an)全(quan)運行(xing)，延(yan)長設備使用壽命(ming)。

二、板式換熱器優化設計方法

2.1提高傳熱效率

板式(shi)(shi)換熱(re)(re)(re)器(qi)是問壁傳(chuan)(chuan)熱(re)(re)(re)式(shi)(shi)換熱(re)(re)(re)器(qi)，冷熱(re)(re)(re)流(liu)體通過換熱(re)(re)(re)器(qi)板片(pian)傳(chuan)(chuan)熱(re)(re)(re)，流(liu)體與板片(pian)直接接觸，傳(chuan)(chuan)熱(re)(re)(re)方式(shi)(shi)為熱(re)(re)(re)傳(chuan)(chuan)導和對(dui)流(liu)傳(chuan)(chuan)熱(re)(re)(re)。提(ti)高板式(shi)(shi)換熱(re)(re)(re)器(qi)傳(chuan)(chuan)熱(re)(re)(re)效率的關鍵是提(ti)高傳(chuan)(chuan)熱(re)(re)(re)系數(shu)和對(dui)數(shu)平均溫差。

① 提高(gao)換(huan)熱(re)(re)器傳(chuan)(chuan)熱(re)(re)系數只有(you)同(tong)時提高(gao)板片冷熱(re)(re)兩側的(de)表面傳(chuan)(chuan)熱(re)(re)系數，減小污垢層熱(re)(re)阻，選用(yong)熱(re)(re)導率高(gao)的(de)板片，減小板片的(de)厚度(du)，才能有(you)效提高(gao)換(huan)熱(re)(re)器的(de)傳(chuan)(chuan)熱(re)(re)系數。

a.提(ti)高板片的表面傳熱系數

由于板式換熱器的波紋能使流(liu)體在較小(xiao)的流(liu)速下產生湍流(liu) (雷諾數一 150時 )，因此能獲得較高的(de)(de)表面(mian)傳(chuan)熱(re)系數，表面(mian)傳(chuan)熱(re)系數與(yu)板(ban)片波(bo)紋的(de)(de)幾何結(jie)構以(yi)及(ji)介質的(de)(de)流動(dong)狀(zhuang)態有(you)關。板(ban)片的(de)(de)波(bo)形包括人字形、平直形、球形等。經過多年的(de)(de)研(yan)究和實驗發現，波(bo)紋斷面(mian)形狀(zhuang)為(wei)三角形 (正弦形表面傳(chuan)熱系數最大，壓力降較小，受壓時(shi)應力分布均勻(yun)，但加工(gong)困(kun)難? )的(de)人字形板片(pian)具有(you)較高(gao)的(de)表面(mian)傳熱系(xi)(xi)數，且波紋的(de)夾(jia)角(jiao)越(yue)大，板間流(liu)道內介質流(liu)速越(yue)高(gao)，表面(mian)傳熱系(xi)(xi)數越(yue)大。

b.減小污垢層熱阻

減小換熱器的污垢層熱阻(zu)的關鍵是防(fang)止板片結(jie)垢。板片結(jie)垢厚(hou)度為 1 mm時，傳熱系(xi)數降低約(yue) 10%。因此(ci)(ci)，必(bi)須注(zhu)(zhu)意監測(ce)換熱器冷熱兩側的(de)水質，防止板片結垢，并防止水中雜物(wu)附著在板片上。有些(xie)供(gong)熱單位為(wei)防止盜水及(ji)鋼件腐蝕，在供(gong)熱介(jie)質中添(tian)加藥劑，因此(ci)(ci)必(bi)須注(zhu)(zhu)意水質和黏 *劑引起雜(za)物沾污換熱器板片。如果(guo)水中(zhong)有(you)黏(nian)(nian)性(xing)(xing)雜(za)物，應(ying)采(cai)用(yong)專用(yong)過濾器進行處理(li)。選(xuan)(xuan)用(yong)藥劑時，宜選(xuan)(xuan)擇無黏(nian)(nian)性(xing)(xing)的藥劑。

c.選(xuan)用熱導率(lv)高(gao)的(de)板片

板片材質可選擇奧氏體不(bu)銹(xiu)鋼(gang)、鈦(tai)合金、銅合金等(deng)。不(bu)銹(xiu)鋼(gang)的導(dao)熱性能好，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，價格比鈦合金和(he)銅合金低，供熱工程中使用最(zui)多，但其耐(nai)氯離子腐蝕的能力差。

d.減小板片厚度

板(ban)(ban)(ban)片(pian)(pian)的(de)(de)設計(ji)厚度與其耐(nai)腐蝕性能(neng)無(wu)關(guan)，與換(huan)熱(re)器的(de)(de)承壓(ya)能(neng)力(li)有關(guan)。板(ban)(ban)(ban)片(pian)(pian)加厚，能(neng)提高換(huan)熱(re)器的(de)(de)承壓(ya)能(neng)力(li)。采用(yong)人字(zi)形板(ban)(ban)(ban)片(pian)(pian)組合(he)時，相鄰(lin)板(ban)(ban)(ban)片(pian)(pian)互(hu)相倒置，波(bo)紋相互(hu)接觸(chu)，形成了(le)密(mi)度大、分布均勻的(de)(de)支點，板(ban)(ban)(ban)片(pian)(pian)角(jiao)孑 L及邊緣密(mi)封結(jie)構已(yi)逐步完善，使換(huan)熱器具有很好(hao)的承(cheng)壓能(neng)力。國產可拆式板式換(huan)熱器最大承(cheng)壓能(neng)力已(yi)達(da)到了 2.5 MPa。板片厚度(du)對傳熱系數(shu)影響很大，厚度(du)減(jian)小 0.1mm，對稱型板式換熱器的總傳熱系數約增加 600W/(m ?K)，非對稱型約增加 500 W/(m ?K) 。在滿(man)足換熱(re)器(qi)承(cheng)壓能力的前提(ti)下，應盡量(liang)選用較(jiao)小的板片(pian)厚度。

② 提高對數平均溫差

板式換(huan)熱器流(liu)型有逆流(liu)、順(shun)流(liu)和混合(he)流(liu)型 (既有(you)(you)逆流又有(you)(you)順流 )。在相同工況下，逆(ni)流(liu)時(shi)對數平(ping)均(jun)溫差(cha)最(zui)大，順流(liu)時(shi)最(zui)小(xiao)，混合流(liu)型介于二者之(zhi)問。提(ti)高換熱器對數平(ping)均(jun)溫差(cha)的方法為盡(jin)可(ke)能采用逆(ni)流(liu)或接近逆(ni)流(liu)的混合流(liu)型，盡(jin)可(ke)能提(ti)高熱側流(liu)體的溫度(du)，降低冷側流(liu)體的溫度(du)。

③ 進(jin)出口管位置的確定(ding)

對(dui)(dui)于單流(liu)(liu)程布(bu)置(zhi)(zhi)的(de)(de)板(ban)式換熱(re)器(qi)(qi)，為檢修(xiu)方便，流(liu)(liu)體(ti)(ti)進(jin)出(chu)口(kou)管(guan)應盡可能布(bu)置(zhi)(zhi)在換熱(re)器(qi)(qi)固定(ding)端板(ban)一(yi)側(ce)。介(jie)質的(de)(de)溫(wen)差越(yue)大(da)，流(liu)(liu)體(ti)(ti)的(de)(de)自然(ran)對(dui)(dui)流(liu)(liu)越(yue)強，形成(cheng)的(de)(de)滯(zhi)留(liu)帶(dai)的(de)(de)影響(xiang)越(yue)明顯，因此介(jie)質進(jin)出(chu)口(kou)位置(zhi)(zhi)應按熱(re)流(liu)(liu)體(ti)(ti)上進(jin)下(xia)出(chu)，冷(leng)流(liu)(liu)體(ti)(ti)下(xia)進(jin)上出(chu)布(bu)置(zhi)(zhi)，以減小(xiao)滯(zhi)留(liu)帶(dai)的(de)(de)影響(xiang)，提高(gao)傳熱(re)效(xiao)率。

2.2降低換熱器阻力的方法

提(ti)(ti)高(gao)板(ban)問流(liu)(liu)道(dao)內介質的(de)(de)(de)平均流(liu)(liu)速，可(ke)提(ti)(ti)高(gao)傳(chuan)熱系數，減小換熱器(qi)面積。但提(ti)(ti)高(gao)流(liu)(liu)速，將加大換熱器(qi)的(de)(de)(de)阻(zu)力，提(ti)(ti)高(gao)循(xun)環泵的(de)(de)(de)耗電(dian)量和設(she)備(bei)造價。循(xun)環泵的(de)(de)(de)功耗與介質流(liu)(liu)速的(de)(de)(de) 3次方成正(zheng)比，通過提(ti)高流速獲得稍高的(de)傳熱(re)系數不經濟。當冷熱(re)介(jie)質流量比較大時，可采用以下方法降低(di)換熱(re)器的(de)阻力，并保證有較高的(de)傳熱(re)系數。

① 采(cai)用熱混合板

熱混合板的(de)板片兩面波紋幾何結構(gou)相(xiang)同，板片按人字形波紋的(de)夾角(jiao)分為硬(ying)板 (H)和軟板 (L)，夾角 (一(yi)般(ban)為 120。左右(you) )大于 90。為硬板，夾(jia)角 (一般為 70。左右 )小(xiao)于 90。為(wei)軟板(ban)(ban)(ban)。熱混合板(ban)(ban)(ban)硬板(ban)(ban)(ban)的表面傳熱系數(shu)高，流體阻力大，軟板(ban)(ban)(ban)則相(xiang)反。硬板(ban)(ban)(ban)和軟板(ban)(ban)(ban)進行組合，可(ke)組成(cheng)高 (HH)、中 (HL)、低 (LL)3種(zhong)特性(xing)的流道，滿足不同工(gong)況的需求。

冷(leng)熱(re)介(jie)質(zhi)流(liu)(liu)量比(bi)較大時(shi)(shi)，采(cai)用熱(re)混(hun)合板(ban)(ban)比(bi)采(cai)用對稱型單流(liu)(liu)程(cheng)的換(huan)熱(re)器可減少板(ban)(ban)片面積。熱(re)混(hun)合板(ban)(ban)冷(leng)熱(re)兩側的角孔直(zhi)徑通(tong)常(chang)相等，冷(leng)熱(re)介(jie)質(zhi)流(liu)(liu)量比(bi)過大時(shi)(shi)，冷(leng)介(jie)質(zhi)一側的角孑 L壓力(li)損失(shi)很(hen)大。另外(wai)，熱混合板設計技(ji)術(shu)難(nan)以實現精確匹配，往(wang)(wang)往(wang)(wang)導(dao)致節省板片面積有限。因此，冷熱介質(zhi)流量比過(guo)大時(shi)不(bu)宜采用熱混合板。

② 采用非對稱型(xing)板式換熱器

對稱型(xing)板式(shi)換(huan)熱(re)器(qi)由板片兩面波紋幾(ji)何(he)結構相同(tong)的板片組(zu)成(cheng)，形成(cheng)冷熱(re)流(liu)道流(liu)通(tong)截面積(ji)相等的板式(shi)換(huan)熱(re)器(qi)。非(fei)對稱型(xing) (不等截面積型(xing) )板(ban)式換(huan)(huan)熱(re)(re)器根據冷(leng)熱(re)(re)流(liu)體(ti)的(de)傳(chuan)熱(re)(re)特性和壓力降要(yao)求，改(gai)變(bian)板(ban)片兩面(mian)波形幾何結構，形成冷(leng)熱(re)(re)流(liu)道流(liu)通截面(mian)積不等的(de)板(ban)式換(huan)(huan)熱(re)(re)器，寬流(liu)道一側的(de)角孑 L直徑較(jiao)大(da)。非對稱型(xing)板(ban)式換熱(re)(re)器的傳熱(re)(re)系數下(xia)降微小，且壓力降大(da)幅減(jian)小。冷(leng)熱(re)(re)介質流(liu)量比較(jiao)大(da)時，采用非對稱型(xing)單流(liu)程比采用對稱型(xing)單流(liu)程的換熱(re)(re)器可(ke)減(jian)少板(ban)片面(mian)積 15% 一 3O% 。

③ 采用多流(liu)程組合

當(dang)冷(leng)熱(re)(re)介質流(liu)(liu)量(liang)較(jiao)(jiao)大(da)時，可以采(cai)用(yong)(yong)(yong)多(duo)流(liu)(liu)程組合(he)布置，小流(liu)(liu)量(liang)一側采(cai)用(yong)(yong)(yong)較(jiao)(jiao)多(duo)的(de)流(liu)(liu)程，以提高流(liu)(liu)速，獲得較(jiao)(jiao)高的(de)傳(chuan)熱(re)(re)系數。大(da)流(liu)(liu)量(liang)一側采(cai)用(yong)(yong)(yong)較(jiao)(jiao)少的(de)流(liu)(liu)程，以降低換熱(re)(re)器阻力。多(duo)流(liu)(liu)程組合(he)出現混合(he)流(liu)(liu)型，平均(jun)傳(chuan)熱(re)(re)溫差(cha)稍低。采(cai)用(yong)(yong)(yong)多(duo)流(liu)(liu)程組合(he)的(de)板(ban)式換熱(re)(re)器的(de)固定(ding)端(duan)板(ban)和活(huo)動端(duan)板(ban)均(jun)有接管，檢修時工作量(liang)大(da)。

④ 設(she)換熱器(qi)旁通管(guan)

當冷熱(re)介質流量比(bi)較大(da)時，可在大(da)流量一(yi)側換(huan)熱(re)器(qi)(qi)進(jin)出口之問設(she)旁(pang)通管(guan)，減少進(jin)入換(huan)熱(re)器(qi)(qi)流量，降低阻力(li)(li)。為便(bian)于調(diao)節，在旁(pang)通管(guan)上(shang)應安裝(zhuang)調(diao)節閥(fa)。該方式應采用逆流布置，使冷介質出換(huan)熱(re)器(qi)(qi)的溫度較高(gao)，保(bao)證換(huan)熱(re)器(qi)(qi)出口合流后的冷介質溫度能達到設(she)計要求。設(she)換(huan)熱(re)器(qi)(qi)旁(pang)通管(guan)可保(bao)證換(huan)熱(re)器(qi)(qi)有較高(gao)的傳(chuan)熱(re)系數，降低換(huan)熱(re)器(qi)(qi)阻力(li)(li)，但(dan)調(diao)節略(lve)繁。

⑤ 板式換熱器形式的選擇

換熱(re)器板間流道內(nei)介質平(ping)均(jun)流速以 0.3～ 0.6m/ s為宜，阻力以不大于100 kPa為宜。根(gen)據(ju)不同(tong)冷(leng)熱介質流量(liang)比(bi)，可參照表(biao) 1選用不同形式(shi)的板式(shi)換(huan)(huan)熱(re)器(qi)，表中非對稱型板式(shi)換(huan)(huan)熱(re)器(qi)流道截面積比為 2。采用對(dui)稱型或非對(dui)稱型、單(dan)流程或多(duo)流程板(ban)式換(huan)熱(re)(re)器(qi)，均(jun)可設置(zhi)換(huan)熱(re)(re)器(qi)旁通管，但應經詳細(xi)的熱(re)(re)力計算。

2.3橡膠密封墊材質及安裝方式

① 材質的選擇

水(shui)(shui)一水(shui)(shui)換熱器中，冷熱介質(zhi)(zhi)對(dui)橡膠(jiao)密封墊(dian)(dian)均無(wu)腐蝕性。選用橡膠(jiao)密封墊(dian)(dian)材質(zhi)(zhi)的關(guan)鍵是耐溫和密封性能，橡膠(jiao)密封墊(dian)(dian)材質(zhi)(zhi)可按文獻選用。

② 安裝方式(shi)的選擇(ze)

橡膠(jiao)密封(feng)(feng)墊常用安裝(zhuang)(zhuang)方式(shi)為粘(zhan)接(jie)(jie)式(shi)、卡(ka)扣式(shi)。粘(zhan)接(jie)(jie)式(shi)是在(zai)換(huan)(huan)熱器(qi)組裝(zhuang)(zhuang)時，將(jiang)橡膠(jiao)密封(feng)(feng)墊用膠(jiao)水粘(zhan)接(jie)(jie)在(zai)板片密封(feng)(feng)槽內(nei)。卡(ka)扣式(shi)是在(zai)換(huan)(huan)熱器(qi)組裝(zhuang)(zhuang)時，利用橡膠(jiao)密封(feng)(feng)墊和(he)板片邊緣(yuan)的卡(ka)扣結構(gou)，將(jiang)橡膠(jiao)密封(feng)(feng)墊固定(ding)在(zai)板片密封(feng)(feng)槽內(nei)。由于(yu)卡(ka)扣式(shi)安裝(zhuang)(zhuang)工(gong)作(zuo)量很小(xiao)，換(huan)(huan)熱器(qi)拆卸時橡膠(jiao)密封(feng)(feng)墊損壞率低，而且(qie)不存在(zai)膠(jiao)水中可能(neng)含有的氯(lv)離子造成對板片的腐蝕(shi)，因此使用較多(duo)。

2.4合(he)理選(xuan)用板(ban)片(pian)材(cai)質

不銹鋼板片可(ke)能產生腐(fu)蝕(shi)(shi)失效的(de)現象有(you)點蝕(shi)(shi)、縫隙腐(fu)蝕(shi)(shi)、應力腐(fu)蝕(shi)(shi)、晶間腐(fu)蝕(shi)(shi)、均勻腐(fu)蝕(shi)(shi)等，應力腐(fu)蝕(shi)(shi)的(de)發生率較高(gao)。