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(yi)成熟(shu)，其傳熱(re)(re)效率高，體積小，重(zhong)量(liang)輕(qing)，污垢(gou)系數低(di)，拆(chai)(chai)卸(xie)方便，板(ban)片品種(zhong)多，適(shi)用范圍廣(guang)，在供熱(re)(re)行業(ye)得到(dao)了廣(guang)泛應用。板(ban)式(shi)換(huan)(huan)(huan)熱(re)(re)器(qi)(qi)(qi)按(an)組裝方式(shi)分為(wei)可(ke)(ke)拆(chai)(chai)式(shi)、焊接(jie)式(shi)、釬焊式(shi)、板(ban)殼式(shi)等。由于(yu)可(ke)(ke)拆(chai)(chai)式(shi)板(ban)式(shi)換(huan)(huan)(huan)熱(re)(re)器(qi)(qi)(qi)便于(yu)拆(chai)(chai)卸(xie)清洗(xi)，增減(jian)換(huan)(huan)(huan)熱(re)(re)器(qi)(qi)(qi)面積靈活，在供熱(re)(re)工程中使用較(jiao)多。可(ke)(ke)拆(chai)(chai)式(shi)板(ban)式(shi)換(huan)(huan)(huan)熱(re)(re)器(qi)(qi)(qi)受橡膠密封墊耐(nai)熱(re)(re)溫(wen)度的限(xian)制，適(shi)用于(yu)水(shui)一水(shui)傳熱(re)(re)。本文對提高可(ke)(ke)拆(chai)(chai)式(shi)板(ban)式(shi)換(huan)(huan)(huan)熱(re)(re)器(qi)(qi)(qi)效能的優(you)化設計進行研(yan)究。

提高(gao)板式(shi)換熱(re)器的(de)效能是一(yi)個綜合(he)經(jing)濟(ji)效益(yi)問題，應通過技術經(jing)濟(ji)比較(jiao)后確定。提高(gao)換熱(re)器的(de)傳熱(re)效率和降低換熱(re)器的(de)阻力(li)應同時考慮，而且應合(he)理選用板片材質(zhi)和橡膠密封墊材質(zhi)及安裝方法，保證設(she)備安全(quan)運行(xing)，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

板式換(huan)(huan)(huan)熱(re)(re)器是(shi)問壁傳(chuan)熱(re)(re)式換(huan)(huan)(huan)熱(re)(re)器，冷熱(re)(re)流體(ti)通過換(huan)(huan)(huan)熱(re)(re)器板片傳(chuan)熱(re)(re)，流體(ti)與板片直接(jie)接(jie)觸，傳(chuan)熱(re)(re)方式為熱(re)(re)傳(chuan)導和(he)對流傳(chuan)熱(re)(re)。提(ti)高板式換(huan)(huan)(huan)熱(re)(re)器傳(chuan)熱(re)(re)效率的(de)關鍵是(shi)提(ti)高傳(chuan)熱(re)(re)系數和(he)對數平均溫(wen)差(cha)。

① 提(ti)(ti)高換熱(re)器(qi)(qi)傳(chuan)(chuan)熱(re)系數只有同時(shi)提(ti)(ti)高板(ban)(ban)片(pian)(pian)冷熱(re)兩側的(de)表面(mian)傳(chuan)(chuan)熱(re)系數，減小污垢層熱(re)阻，選用熱(re)導率(lv)高的(de)板(ban)(ban)片(pian)(pian)，減小板(ban)(ban)片(pian)(pian)的(de)厚度，才能(neng)有效提(ti)(ti)高換熱(re)器(qi)(qi)的(de)傳(chuan)(chuan)熱(re)系數。

a.提高(gao)板(ban)片的表面傳熱系數

由(you)于板式換熱(re)器的波紋能使流(liu)(liu)(liu)體(ti)在較小的流(liu)(liu)(liu)速下產生(sheng)湍流(liu)(liu)(liu) (雷諾數一 150時(shi) )，因此能獲得(de)較高(gao)的(de)表(biao)面傳(chuan)熱(re)系數(shu)，表(biao)面傳(chuan)熱(re)系數(shu)與板片波紋的(de)幾何結構(gou)以及介(jie)質的(de)流(liu)動(dong)狀(zhuang)態有關。板片的(de)波形(xing)(xing)(xing)包括人字形(xing)(xing)(xing)、平直形(xing)(xing)(xing)、球形(xing)(xing)(xing)等。經過多年的(de)研(yan)究和實(shi)驗發現，波紋斷面形(xing)(xing)(xing)狀(zhuang)為三角形(xing)(xing)(xing) (正弦形表(biao)面傳熱系數(shu)最(zui)大，壓(ya)力降較小，受壓(ya)時應力分布均勻，但加工困難? )的(de)人字形板(ban)片具有(you)較高的(de)表(biao)面傳熱(re)系數(shu)，且波紋的(de)夾(jia)角(jiao)越大(da)，板(ban)間流道內介(jie)質流速越高，表(biao)面傳熱(re)系數(shu)越大(da)。

b.減小(xiao)污垢層熱(re)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)垢厚度為 1 mm時(shi)，傳(chuan)熱系數降低約(yue) 10%。因(yin)此，必(bi)須注意(yi)監測換熱器冷熱兩(liang)側的(de)水(shui)質(zhi)，防止板片結垢(gou)，并防止水(shui)中雜物附著在(zai)板片上。有(you)些供(gong)熱單位為防止盜水(shui)及鋼件(jian)腐蝕，在(zai)供(gong)熱介(jie)質(zhi)中添(tian)加藥(yao)劑，因(yin)此必(bi)須注意(yi)水(shui)質(zhi)和黏 *劑引起雜物沾污換熱器(qi)板片。如(ru)果水中有黏性雜物，應(ying)采用專(zhuan)用過濾器(qi)進行處理。選(xuan)(xuan)用藥劑時，宜選(xuan)(xuan)擇無黏性的藥劑。

c.選用(yong)熱導率(lv)高的板片

板片材質可選擇奧氏體不銹(xiu)鋼、鈦(tai)合金、銅合金等。不銹(xiu)鋼的導(dao)熱性(xing)能好，熱導(dao)率(lv)約14.4 W/(m?K) ，強度高，沖壓(ya)性能好，不(bu)易(yi)被氧化，價格(ge)比鈦合(he)金(jin)(jin)和(he)銅合(he)金(jin)(jin)低(di)，供(gong)熱工(gong)程中(zhong)使(shi)用最多，但其耐(nai)氯離(li)子腐蝕的能力(li)差(cha)。

d.減小板片(pian)厚度

板(ban)片(pian)(pian)的設計厚度與其耐腐(fu)蝕性能(neng)無關(guan)(guan)，與換熱器的承壓(ya)能(neng)力有關(guan)(guan)。板(ban)片(pian)(pian)加厚，能(neng)提高換熱器的承壓(ya)能(neng)力。采(cai)用人(ren)字形板(ban)片(pian)(pian)組合時，相鄰板(ban)片(pian)(pian)互相倒置(zhi)，波紋相互接(jie)觸(chu)，形成了密度大、分布均勻的支點，板(ban)片(pian)(pian)角孑 L及邊緣密封結構已逐步完善，使換熱器(qi)具(ju)有很(hen)好的(de)承壓能(neng)力。國產可拆(chai)式板式換熱器(qi)最大承壓能(neng)力已達(da)到了(le) 2.5 MPa。板片厚(hou)度對傳熱系數影響(xiang)很(hen)大，厚(hou)度減小(xiao) 0.1mm，對稱型板(ban)式(shi)換(huan)熱器的總傳熱系數約(yue)增加 600W/(m ?K)，非對稱型約增加(jia) 500 W/(m ?K) 。在滿足換熱器承壓能力的(de)前提下(xia)，應盡量選用較小(xiao)的(de)板片厚度。

② 提高對數平均溫差

板式(shi)換熱(re)器流(liu)型有逆流(liu)、順流(liu)和混合流(liu)型 (既有(you)逆流又有(you)順流 )。在(zai)相同工況下，逆流(liu)(liu)時(shi)對數平均溫(wen)差(cha)最大(da)，順流(liu)(liu)時(shi)最小，混合(he)流(liu)(liu)型(xing)介于二者之問(wen)。提高換熱器對數平均溫(wen)差(cha)的(de)(de)方法為盡可(ke)能采用逆流(liu)(liu)或接(jie)近逆流(liu)(liu)的(de)(de)混合(he)流(liu)(liu)型(xing)，盡可(ke)能提高熱側流(liu)(liu)體(ti)的(de)(de)溫(wen)度，降低冷側流(liu)(liu)體(ti)的(de)(de)溫(wen)度。

③ 進出口(kou)管位置的確定

對于單流(liu)(liu)(liu)(liu)程布置(zhi)的板(ban)式換熱(re)器，為檢修方便，流(liu)(liu)(liu)(liu)體進(jin)出(chu)口管應(ying)盡(jin)可能布置(zhi)在換熱(re)器固(gu)定端(duan)板(ban)一側。介(jie)質(zhi)的溫差越(yue)大，流(liu)(liu)(liu)(liu)體的自然對流(liu)(liu)(liu)(liu)越(yue)強，形(xing)成的滯留帶的影響(xiang)越(yue)明顯，因此介(jie)質(zhi)進(jin)出(chu)口位(wei)置(zhi)應(ying)按熱(re)流(liu)(liu)(liu)(liu)體上進(jin)下出(chu)，冷流(liu)(liu)(liu)(liu)體下進(jin)上出(chu)布置(zhi)，以減(jian)小滯留帶的影響(xiang)，提高傳熱(re)效率(lv)。

2.2降低換熱器阻力的方法

提(ti)高(gao)板問流(liu)道內介(jie)質(zhi)的(de)平均流(liu)速，可提(ti)高(gao)傳熱系數，減小換(huan)熱器面積。但提(ti)高(gao)流(liu)速，將加大換(huan)熱器的(de)阻(zu)力(li)，提(ti)高(gao)循環(huan)泵的(de)耗電量和設備造價。循環(huan)泵的(de)功耗與介(jie)質(zhi)流(liu)速的(de) 3次方成(cheng)正比(bi)，通過提高(gao)流速獲得稍高(gao)的(de)傳熱系數不經濟(ji)。當冷熱介(jie)質流量比(bi)較大時(shi)，可采用以下(xia)方法降低(di)換熱器的(de)阻(zu)力，并保證有較高(gao)的(de)傳熱系數。

① 采用(yong)熱混合板(ban)

熱混合板(ban)的板(ban)片(pian)兩面波(bo)紋(wen)幾(ji)何(he)結構相(xiang)同，板(ban)片(pian)按人(ren)字(zi)形(xing)波(bo)紋(wen)的夾角分為硬板(ban) (H)和(he)軟(ruan)板 (L)，夾(jia)角 (一般為 120。左右 )大于 90。為(wei)硬板，夾角 (一般為 70。左(zuo)右(you) )小于 90。為軟板。熱混合板硬板的表(biao)面(mian)傳熱系數高，流體阻力(li)大，軟板則相反(fan)。硬板和軟板進行(xing)組合，可組成高 (HH)、中 (HL)、低 (LL)3種(zhong)特性的流(liu)道，滿(man)足不同工況(kuang)的需(xu)求(qiu)。

冷(leng)熱(re)(re)(re)介質流(liu)量(liang)比較(jiao)大(da)時，采用熱(re)(re)(re)混合板比采用對稱型單流(liu)程的換熱(re)(re)(re)器可(ke)減(jian)少板片面(mian)積(ji)。熱(re)(re)(re)混合板冷(leng)熱(re)(re)(re)兩側(ce)(ce)的角孔直徑通常相等，冷(leng)熱(re)(re)(re)介質流(liu)量(liang)比過大(da)時，冷(leng)介質一側(ce)(ce)的角孑 L壓力(li)損失(shi)很大(da)。另外(wai)，熱混(hun)合(he)板(ban)設計技術難以實(shi)現精確匹配(pei)，往往導致節(jie)省(sheng)板(ban)片面積有限。因(yin)此，冷(leng)熱介質流(liu)量比(bi)過(guo)大(da)時不宜采(cai)用熱混(hun)合(he)板(ban)。

② 采用(yong)非對稱型(xing)板(ban)式換熱器(qi)

對稱(cheng)型板(ban)式換(huan)熱(re)(re)器(qi)由(you)板(ban)片(pian)兩面(mian)波紋幾何(he)結構相同的板(ban)片(pian)組成，形成冷(leng)熱(re)(re)流(liu)(liu)道流(liu)(liu)通截(jie)面(mian)積相等的板(ban)式換(huan)熱(re)(re)器(qi)。非對稱(cheng)型 (不(bu)等截(jie)面積型 )板式(shi)換熱器根據(ju)冷熱流(liu)(liu)體的(de)傳(chuan)熱特性和壓力降(jiang)要求，改(gai)變板片兩面波形幾何結構，形成冷熱流(liu)(liu)道(dao)流(liu)(liu)通截面積不等的(de)板式(shi)換熱器，寬流(liu)(liu)道(dao)一側的(de)角孑(jie) L直徑較大(da)。非(fei)對(dui)(dui)(dui)稱型板式換(huan)熱(re)(re)器的傳熱(re)(re)系數下降微(wei)小(xiao)，且壓力降大(da)幅減(jian)小(xiao)。冷熱(re)(re)介質流量(liang)比較大(da)時，采用非(fei)對(dui)(dui)(dui)稱型單(dan)流程比采用對(dui)(dui)(dui)稱型單(dan)流程的換(huan)熱(re)(re)器可減(jian)少板片面積 15% 一 3O% 。

③ 采用多流程組合

當冷熱介質流(liu)(liu)(liu)量(liang)較(jiao)大(da)時(shi)，可以采(cai)(cai)用(yong)多(duo)流(liu)(liu)(liu)程(cheng)(cheng)組合(he)布(bu)置，小流(liu)(liu)(liu)量(liang)一(yi)(yi)側采(cai)(cai)用(yong)較(jiao)多(duo)的(de)流(liu)(liu)(liu)程(cheng)(cheng)，以提高(gao)流(liu)(liu)(liu)速，獲得較(jiao)高(gao)的(de)傳熱系數。大(da)流(liu)(liu)(liu)量(liang)一(yi)(yi)側采(cai)(cai)用(yong)較(jiao)少的(de)流(liu)(liu)(liu)程(cheng)(cheng)，以降低(di)換(huan)熱器(qi)阻(zu)力。多(duo)流(liu)(liu)(liu)程(cheng)(cheng)組合(he)出現混(hun)合(he)流(liu)(liu)(liu)型，平(ping)均傳熱溫差(cha)稍低(di)。采(cai)(cai)用(yong)多(duo)流(liu)(liu)(liu)程(cheng)(cheng)組合(he)的(de)板(ban)式換(huan)熱器(qi)的(de)固(gu)定端板(ban)和活動端板(ban)均有接管，檢(jian)修時(shi)工作量(liang)大(da)。

④ 設換(huan)熱器旁通管(guan)

當冷熱(re)(re)介質流(liu)(liu)量比較大時，可在(zai)大流(liu)(liu)量一側換(huan)熱(re)(re)器(qi)(qi)(qi)進(jin)(jin)出(chu)(chu)口之問設(she)(she)旁通(tong)(tong)管(guan)，減少進(jin)(jin)入(ru)換(huan)熱(re)(re)器(qi)(qi)(qi)流(liu)(liu)量，降低(di)阻力。為便于調節，在(zai)旁通(tong)(tong)管(guan)上應安裝調節閥。該(gai)方式應采用(yong)逆流(liu)(liu)布(bu)置，使冷介質出(chu)(chu)換(huan)熱(re)(re)器(qi)(qi)(qi)的溫度較高，保證換(huan)熱(re)(re)器(qi)(qi)(qi)出(chu)(chu)口合流(liu)(liu)后的冷介質溫度能達到設(she)(she)計要求(qiu)。設(she)(she)換(huan)熱(re)(re)器(qi)(qi)(qi)旁通(tong)(tong)管(guan)可保證換(huan)熱(re)(re)器(qi)(qi)(qi)有較高的傳熱(re)(re)系數，降低(di)換(huan)熱(re)(re)器(qi)(qi)(qi)阻力，但(dan)調節略繁。

⑤ 板式(shi)換熱器形式(shi)的選(xuan)擇

換熱器板間流道內介質平均流速以 0.3～ 0.6m/ s為(wei)宜，阻力以不大于(yu)100 kPa為宜。根據不同(tong)冷熱介(jie)質流量比，可參照表(biao) 1選用(yong)不同形式(shi)的板(ban)式(shi)換(huan)熱(re)器，表中(zhong)非對稱型板(ban)式(shi)換(huan)熱(re)器流道截面積比(bi)為 2。采用對稱(cheng)型或(huo)非對稱(cheng)型、單流程或(huo)多流程板式換(huan)熱(re)器(qi)，均可設(she)置(zhi)換(huan)熱(re)器(qi)旁(pang)通管，但應經詳(xiang)細的(de)熱(re)力計(ji)算。

2.3橡膠密封墊材質及安裝方式

① 材質的選擇

水(shui)一水(shui)換熱器中，冷(leng)熱介質(zhi)(zhi)對橡(xiang)膠密(mi)封(feng)墊(dian)均無(wu)腐(fu)蝕性(xing)。選用橡(xiang)膠密(mi)封(feng)墊(dian)材(cai)質(zhi)(zhi)的關鍵是耐溫(wen)和(he)密(mi)封(feng)性(xing)能，橡(xiang)膠密(mi)封(feng)墊(dian)材(cai)質(zhi)(zhi)可按文(wen)獻選用。

② 安(an)裝方式(shi)的(de)選擇

橡(xiang)膠(jiao)密封(feng)(feng)墊(dian)常用(yong)安裝(zhuang)方(fang)式(shi)(shi)(shi)(shi)為粘接式(shi)(shi)(shi)(shi)、卡扣式(shi)(shi)(shi)(shi)。粘接式(shi)(shi)(shi)(shi)是在換(huan)熱(re)器(qi)組裝(zhuang)時，將(jiang)(jiang)橡(xiang)膠(jiao)密封(feng)(feng)墊(dian)用(yong)膠(jiao)水粘接在板片(pian)密封(feng)(feng)槽內(nei)。卡扣式(shi)(shi)(shi)(shi)是在換(huan)熱(re)器(qi)組裝(zhuang)時，利(li)用(yong)橡(xiang)膠(jiao)密封(feng)(feng)墊(dian)和板片(pian)邊緣的卡扣結(jie)構，將(jiang)(jiang)橡(xiang)膠(jiao)密封(feng)(feng)墊(dian)固定在板片(pian)密封(feng)(feng)槽內(nei)。由于卡扣式(shi)(shi)(shi)(shi)安裝(zhuang)工作量(liang)很小，換(huan)熱(re)器(qi)拆卸(xie)時橡(xiang)膠(jiao)密封(feng)(feng)墊(dian)損壞(huai)率低(di)，而且不存在膠(jiao)水中可能含有的氯(lv)離子造成對板片(pian)的腐蝕(shi)，因此使用(yong)較多(duo)。

2.4合理選用板片材質(zhi)

不銹鋼(gang)板片可能產生腐(fu)蝕(shi)失效(xiao)的(de)現(xian)象有點蝕(shi)、縫隙腐(fu)蝕(shi)、應力腐(fu)蝕(shi)、晶間(jian)腐(fu)蝕(shi)、均勻腐(fu)蝕(shi)等，應力腐(fu)蝕(shi)的(de)發生率較高(gao)。