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)效率高(gao)，體積(ji)小，重量輕，污垢系數低，拆(chai)卸(xie)方(fang)便，板(ban)(ban)片品種多，適用范圍廣(guang)，在供熱(re)(re)行(xing)(xing)業(ye)得到(dao)了廣(guang)泛應用。板(ban)(ban)式(shi)(shi)換(huan)熱(re)(re)器(qi)(qi)(qi)按組裝(zhuang)方(fang)式(shi)(shi)分(fen)為可拆(chai)式(shi)(shi)、焊接式(shi)(shi)、釬焊式(shi)(shi)、板(ban)(ban)殼式(shi)(shi)等。由于(yu)可拆(chai)式(shi)(shi)板(ban)(ban)式(shi)(shi)換(huan)熱(re)(re)器(qi)(qi)(qi)便于(yu)拆(chai)卸(xie)清洗，增減換(huan)熱(re)(re)器(qi)(qi)(qi)面積(ji)靈(ling)活，在供熱(re)(re)工程中使用較(jiao)多。可拆(chai)式(shi)(shi)板(ban)(ban)式(shi)(shi)換(huan)熱(re)(re)器(qi)(qi)(qi)受(shou)橡(xiang)膠密封(feng)墊耐熱(re)(re)溫度的限制，適用于(yu)水一水傳熱(re)(re)。本文對提(ti)高(gao)可拆(chai)式(shi)(shi)板(ban)(ban)式(shi)(shi)換(huan)熱(re)(re)器(qi)(qi)(qi)效能(neng)的優(you)化設計進行(xing)(xing)研究(jiu)。

提高板(ban)式換熱器(qi)的效(xiao)能是一(yi)個綜合經濟(ji)效(xiao)益問題，應通過技術經濟(ji)比較后確定。提高換熱器(qi)的傳熱效(xiao)率和降低換熱器(qi)的阻力應同時考(kao)慮，而且應合理(li)選用板(ban)片(pian)材(cai)質和橡膠(jiao)密封墊材(cai)質及安裝方法(fa)，保證(zheng)設備(bei)安全運行，延長設備(bei)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)(ban)式(shi)換熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)器是問壁傳(chuan)(chuan)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)式(shi)換熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)器，冷熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)流體通過換熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)器板(ban)(ban)片傳(chuan)(chuan)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)，流體與板(ban)(ban)片直接接觸，傳(chuan)(chuan)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)方式(shi)為熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)傳(chuan)(chuan)導和對(dui)流傳(chuan)(chuan)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)。提高板(ban)(ban)式(shi)換熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)器傳(chuan)(chuan)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)效率的關鍵是提高傳(chuan)(chuan)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)系數(shu)和對(dui)數(shu)平均溫差。

① 提(ti)高(gao)(gao)換(huan)熱器(qi)(qi)傳(chuan)(chuan)熱系數(shu)只有(you)同時提(ti)高(gao)(gao)板(ban)片(pian)(pian)冷熱兩側的表(biao)面傳(chuan)(chuan)熱系數(shu)，減(jian)小污垢層熱阻，選用熱導率(lv)高(gao)(gao)的板(ban)片(pian)(pian)，減(jian)小板(ban)片(pian)(pian)的厚度，才能有(you)效提(ti)高(gao)(gao)換(huan)熱器(qi)(qi)的傳(chuan)(chuan)熱系數(shu)。

a.提高(gao)板(ban)片的表面傳熱系數

由于(yu)板(ban)式(shi)換熱器的(de)波紋能使流體在(zai)較(jiao)小的(de)流速下產生(sheng)湍(tuan)流 (雷諾數一 150時 )，因此(ci)能獲得較(jiao)高的表面(mian)(mian)傳熱系(xi)(xi)數，表面(mian)(mian)傳熱系(xi)(xi)數與板(ban)片波(bo)紋(wen)的幾何(he)結構以及介(jie)質的流動(dong)狀態有關。板(ban)片的波(bo)形(xing)包括人(ren)字形(xing)、平直形(xing)、球形(xing)等。經過(guo)多年的研究和實驗發現，波(bo)紋(wen)斷面(mian)(mian)形(xing)狀為三(san)角形(xing) (正弦形表(biao)面傳(chuan)熱系數最大，壓力降較(jiao)小，受壓時應力分布均勻，但加(jia)工困難? )的(de)人(ren)字形(xing)板片(pian)具有較高的(de)表面傳熱系數，且波紋的(de)夾角越大，板間流道內介質流速越高，表面傳熱系數越大。

b.減小污垢層熱阻

減小換(huan)熱器(qi)的(de)污垢層熱阻的(de)關(guan)鍵是防止板片結垢。板片結垢厚度(du)為(wei) 1 mm時(shi)，傳熱系數(shu)降低約 10%。因此，必(bi)須(xu)注意(yi)(yi)監測換熱(re)器冷熱(re)兩側(ce)的水(shui)質，防止板片結(jie)垢，并防止水(shui)中雜物附著在板片上。有些供熱(re)單(dan)位為防止盜(dao)水(shui)及鋼件腐蝕(shi)，在供熱(re)介質中添(tian)加藥劑，因此必(bi)須(xu)注意(yi)(yi)水(shui)質和(he)黏 *劑(ji)引起雜(za)物沾(zhan)污換熱器(qi)板片。如果水中有黏(nian)性雜(za)物，應(ying)采用專用過濾(lv)器(qi)進(jin)行處理(li)。選用藥劑(ji)時(shi)，宜選擇無黏(nian)性的藥劑(ji)。

c.選用(yong)熱(re)導率(lv)高的板片

板片材質可選擇奧(ao)氏體不(bu)銹鋼(gang)、鈦(tai)合金、銅合金等。不(bu)銹鋼(gang)的(de)導熱性(xing)能好，熱導率約(yue)14.4 W/(m?K) ，強度高，沖壓性能好(hao)，不易被氧化，價格比鈦合金(jin)和銅(tong)合金(jin)低，供(gong)熱工程中使用最多，但其耐氯(lv)離子(zi)腐(fu)蝕的能力差。

d.減小板片(pian)厚度(du)

板(ban)片的(de)(de)設(she)計厚度與其耐腐蝕(shi)性能(neng)(neng)無關，與換熱器的(de)(de)承壓(ya)(ya)能(neng)(neng)力(li)有關。板(ban)片加厚，能(neng)(neng)提高(gao)換熱器的(de)(de)承壓(ya)(ya)能(neng)(neng)力(li)。采用人字形板(ban)片組合時，相(xiang)(xiang)鄰板(ban)片互(hu)相(xiang)(xiang)倒置，波紋(wen)相(xiang)(xiang)互(hu)接觸，形成了(le)密(mi)度大、分布均(jun)勻(yun)的(de)(de)支(zhi)點，板(ban)片角孑 L及邊緣密封結構(gou)已逐步(bu)完善，使換熱(re)器具有很好的承(cheng)(cheng)壓能力(li)。國產可拆式板式換熱(re)器最(zui)大承(cheng)(cheng)壓能力(li)已達到了 2.5 MPa。板片厚(hou)(hou)度(du)對傳熱系(xi)數(shu)影響很大，厚(hou)(hou)度(du)減小 0.1mm，對稱型(xing)板式換熱器(qi)的總傳熱系數約增加 600W/(m ?K)，非對(dui)稱型約增加 500 W/(m ?K) 。在滿(man)足換熱(re)器承壓能力(li)的前提下，應盡(jin)量選用較(jiao)小的板片厚度(du)。

② 提高對(dui)數平(ping)均溫差

板(ban)式換熱器(qi)流(liu)(liu)型有逆流(liu)(liu)、順(shun)流(liu)(liu)和混合流(liu)(liu)型 (既(ji)有逆流又有順(shun)流 )。在相同工況下(xia)，逆(ni)(ni)流(liu)(liu)時(shi)對(dui)數(shu)(shu)平(ping)均(jun)溫(wen)差(cha)最(zui)大，順流(liu)(liu)時(shi)最(zui)小，混合流(liu)(liu)型介于二者之問(wen)。提高換熱器對(dui)數(shu)(shu)平(ping)均(jun)溫(wen)差(cha)的(de)方法為(wei)盡可能(neng)采用逆(ni)(ni)流(liu)(liu)或接近(jin)逆(ni)(ni)流(liu)(liu)的(de)混合流(liu)(liu)型，盡可能(neng)提高熱側(ce)流(liu)(liu)體的(de)溫(wen)度(du)，降低冷側(ce)流(liu)(liu)體的(de)溫(wen)度(du)。

③ 進出口管位(wei)置的確定

對于單流程布置(zhi)(zhi)的板(ban)式換(huan)熱(re)器，為檢修方便，流體(ti)進出(chu)口(kou)管(guan)應盡可(ke)能(neng)布置(zhi)(zhi)在換(huan)熱(re)器固(gu)定端板(ban)一(yi)側(ce)。介(jie)質的溫差(cha)越大，流體(ti)的自(zi)然對流越強，形成的滯留(liu)帶的影響越明顯，因(yin)此介(jie)質進出(chu)口(kou)位置(zhi)(zhi)應按熱(re)流體(ti)上進下(xia)出(chu)，冷流體(ti)下(xia)進上出(chu)布置(zhi)(zhi)，以(yi)減小滯留(liu)帶的影響，提高(gao)傳熱(re)效率。

2.2降低換熱器阻力的方法

提高(gao)板問流(liu)道內介質(zhi)的平均流(liu)速(su)，可提高(gao)傳熱(re)系(xi)數，減小換(huan)(huan)熱(re)器面積。但提高(gao)流(liu)速(su)，將加(jia)大換(huan)(huan)熱(re)器的阻力(li)，提高(gao)循(xun)環泵(beng)的耗(hao)電(dian)量和設備造價。循(xun)環泵(beng)的功(gong)耗(hao)與介質(zhi)流(liu)速(su)的 3次方成正比(bi)，通過提高(gao)(gao)流速(su)獲得稍高(gao)(gao)的傳熱系數不經濟。當冷熱介質流量(liang)比(bi)較大時，可(ke)采用以下方法降低換熱器的阻力，并保證有(you)較高(gao)(gao)的傳熱系數。

① 采用熱混(hun)合板

熱混合板(ban)(ban)的板(ban)(ban)片兩面波(bo)紋(wen)(wen)幾何結構相同，板(ban)(ban)片按人字(zi)形波(bo)紋(wen)(wen)的夾角分為硬板(ban)(ban) (H)和軟板(ban) (L)，夾(jia)角 (一般為 120。左右(you) )大于 90。為(wei)硬板(ban)，夾(jia)角 (一般為 70。左右 )小于 90。為軟板(ban)。熱混合板(ban)硬板(ban)的表面傳熱系數高，流體阻力大(da)，軟板(ban)則(ze)相(xiang)反。硬板(ban)和軟板(ban)進(jin)行組合，可組成高 (HH)、中 (HL)、低 (LL)3種特性的流道，滿足(zu)不(bu)同工況的需求(qiu)。

冷(leng)(leng)(leng)熱(re)(re)(re)介質流(liu)量(liang)比較(jiao)大(da)時(shi)，采(cai)用熱(re)(re)(re)混(hun)合(he)板比采(cai)用對(dui)稱型(xing)單流(liu)程的換熱(re)(re)(re)器(qi)可減少板片面積。熱(re)(re)(re)混(hun)合(he)板冷(leng)(leng)(leng)熱(re)(re)(re)兩側的角孔直徑通常相(xiang)等，冷(leng)(leng)(leng)熱(re)(re)(re)介質流(liu)量(liang)比過大(da)時(shi)，冷(leng)(leng)(leng)介質一側的角孑 L壓力損失(shi)很大。另(ling)外，熱(re)(re)混(hun)合板(ban)設計技術難以實現精確(que)匹配，往往導致節省板(ban)片面積(ji)有限。因(yin)此(ci)，冷(leng)熱(re)(re)介質(zhi)流量(liang)比過大時(shi)不宜采用熱(re)(re)混(hun)合板(ban)。

② 采用非對(dui)稱型板式換熱器

對稱型板式換熱(re)器(qi)由(you)板片(pian)兩面波紋幾(ji)何結構相同(tong)的板片(pian)組成，形成冷熱(re)流道流通截面積相等的板式換熱(re)器(qi)。非對稱型 (不(bu)等(deng)截面(mian)積型 )板式換(huan)熱(re)(re)器(qi)根據冷熱(re)(re)流體的(de)(de)傳熱(re)(re)特性和壓力降要求，改變板片兩面(mian)波形幾(ji)何結(jie)構，形成冷熱(re)(re)流道流通截面(mian)積(ji)不等的(de)(de)板式換(huan)熱(re)(re)器(qi)，寬流道一(yi)側的(de)(de)角孑 L直徑較(jiao)大。非對(dui)(dui)稱(cheng)(cheng)(cheng)型板(ban)式換熱器(qi)的(de)傳熱系數下降微小，且壓(ya)力降大幅減小。冷熱介(jie)質(zhi)流量比較(jiao)大時，采用非對(dui)(dui)稱(cheng)(cheng)(cheng)型單流程(cheng)比采用對(dui)(dui)稱(cheng)(cheng)(cheng)型單流程(cheng)的(de)換熱器(qi)可減少板(ban)片面積 15% 一(yi) 3O% 。

③ 采用多(duo)流程組合(he)

當冷熱介質(zhi)流(liu)(liu)(liu)量(liang)較大(da)時，可以(yi)采用多流(liu)(liu)(liu)程(cheng)組(zu)(zu)合(he)布置，小流(liu)(liu)(liu)量(liang)一側(ce)采用較多的(de)(de)流(liu)(liu)(liu)程(cheng)，以(yi)提高(gao)流(liu)(liu)(liu)速，獲得較高(gao)的(de)(de)傳熱系(xi)數。大(da)流(liu)(liu)(liu)量(liang)一側(ce)采用較少的(de)(de)流(liu)(liu)(liu)程(cheng)，以(yi)降低換熱器(qi)阻力。多流(liu)(liu)(liu)程(cheng)組(zu)(zu)合(he)出現混合(he)流(liu)(liu)(liu)型(xing)，平均傳熱溫差稍低。采用多流(liu)(liu)(liu)程(cheng)組(zu)(zu)合(he)的(de)(de)板(ban)式(shi)換熱器(qi)的(de)(de)固定(ding)端板(ban)和活(huo)動端板(ban)均有接(jie)管，檢修時工作量(liang)大(da)。

④ 設換熱器旁通管

當冷(leng)熱(re)(re)(re)介質(zhi)(zhi)流(liu)(liu)(liu)量(liang)比較(jiao)(jiao)大時，可(ke)在大流(liu)(liu)(liu)量(liang)一側換(huan)(huan)熱(re)(re)(re)器進出口之問設旁(pang)(pang)通(tong)(tong)管，減少進入(ru)換(huan)(huan)熱(re)(re)(re)器流(liu)(liu)(liu)量(liang)，降低阻(zu)力(li)。為便于調(diao)節，在旁(pang)(pang)通(tong)(tong)管上應安裝調(diao)節閥(fa)。該方式應采用逆流(liu)(liu)(liu)布置(zhi)，使冷(leng)介質(zhi)(zhi)出換(huan)(huan)熱(re)(re)(re)器的溫(wen)度較(jiao)(jiao)高，保(bao)證換(huan)(huan)熱(re)(re)(re)器出口合(he)流(liu)(liu)(liu)后的冷(leng)介質(zhi)(zhi)溫(wen)度能達到設計要求(qiu)。設換(huan)(huan)熱(re)(re)(re)器旁(pang)(pang)通(tong)(tong)管可(ke)保(bao)證換(huan)(huan)熱(re)(re)(re)器有較(jiao)(jiao)高的傳熱(re)(re)(re)系數，降低換(huan)(huan)熱(re)(re)(re)器阻(zu)力(li)，但調(diao)節略繁。

⑤ 板式(shi)換(huan)熱器形式(shi)的選擇

換熱器板(ban)間流道(dao)內介(jie)質平均流速(su)以 0.3～ 0.6m/ s為宜(yi)，阻力以不(bu)大于100 kPa為宜。根(gen)據不同冷熱介質(zhi)流量(liang)比(bi)，可參照表 1選用不同形(xing)式的板式換熱(re)器，表中(zhong)非對(dui)稱型板式換熱(re)器流(liu)道截面積比為 2。采用對(dui)稱型(xing)或(huo)非對(dui)稱型(xing)、單流(liu)程或(huo)多流(liu)程板(ban)式換(huan)熱(re)器(qi)，均可設置換(huan)熱(re)器(qi)旁通管，但應經詳細的熱(re)力計算。

2.3橡膠密封墊材質及安裝方式

① 材質的選擇

水一水換熱(re)器中，冷(leng)熱(re)介質對(dui)橡膠(jiao)(jiao)密封(feng)墊(dian)均無腐蝕性。選(xuan)用(yong)橡膠(jiao)(jiao)密封(feng)墊(dian)材(cai)質的關鍵(jian)是耐溫和(he)密封(feng)性能，橡膠(jiao)(jiao)密封(feng)墊(dian)材(cai)質可按文獻選(xuan)用(yong)。

② 安裝方式的選(xuan)擇

橡膠(jiao)密(mi)(mi)封墊(dian)(dian)常用(yong)安裝方式(shi)(shi)為(wei)粘接(jie)式(shi)(shi)、卡(ka)扣式(shi)(shi)。粘接(jie)式(shi)(shi)是(shi)在(zai)(zai)(zai)換熱(re)(re)器組裝時，將(jiang)橡膠(jiao)密(mi)(mi)封墊(dian)(dian)用(yong)膠(jiao)水(shui)(shui)粘接(jie)在(zai)(zai)(zai)板(ban)片(pian)密(mi)(mi)封槽內。卡(ka)扣式(shi)(shi)是(shi)在(zai)(zai)(zai)換熱(re)(re)器組裝時，利用(yong)橡膠(jiao)密(mi)(mi)封墊(dian)(dian)和(he)板(ban)片(pian)邊(bian)緣的(de)卡(ka)扣結(jie)構，將(jiang)橡膠(jiao)密(mi)(mi)封墊(dian)(dian)固定在(zai)(zai)(zai)板(ban)片(pian)密(mi)(mi)封槽內。由于卡(ka)扣式(shi)(shi)安裝工作量很小，換熱(re)(re)器拆卸時橡膠(jiao)密(mi)(mi)封墊(dian)(dian)損壞(huai)率低，而且不存在(zai)(zai)(zai)膠(jiao)水(shui)(shui)中可能含有的(de)氯離子造成(cheng)對板(ban)片(pian)的(de)腐蝕，因(yin)此(ci)使用(yong)較多。

2.4合(he)理選用(yong)板片(pian)材(cai)質

不(bu)銹鋼板片可能產(chan)生腐(fu)(fu)蝕(shi)失效的現象有點蝕(shi)、縫隙腐(fu)(fu)蝕(shi)、應力腐(fu)(fu)蝕(shi)、晶間腐(fu)(fu)蝕(shi)、均勻(yun)腐(fu)(fu)蝕(shi)等，應力腐(fu)(fu)蝕(shi)的發生率較(jiao)高。