板式換熱器的換熱質(zhì)量分析和結(jié)構(gòu)改造

【摘 要】闡述板式換熱器的優(yōu)點(diǎn)，并針對幾種常用型號板式換熱器，在標(biāo)準(zhǔn)溫度工況（一次熱媒 １３０℃／８０℃，二次熱媒 ９５℃／７０℃）下，對板式換熱器在實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下的熱工性能參數(shù)進(jìn)行了對比和計算，并分析了板片高寬比和面積附加系數(shù)對板式換熱器換熱質(zhì)量的影響。
　　【關(guān)鍵詞】板式換熱器； 換熱質(zhì)量； 結(jié)構(gòu)改造
　　【中圖分類號】ＴＫ２２３     【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】Ｂ   【文章編號】１００６－ ６７６４（２００７）０１－ ００４２－ ０４
　?。?nbsp;前言
　　熱能是使用普遍、易于轉(zhuǎn)換、在工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)中廣為使用、必不可少的動力能源。在實(shí)際生產(chǎn)、生活中，對熱能最直接的利用就是通過換熱器進(jìn)行熱量交換。（如供熱系統(tǒng)中熱量的使用）。因此換熱效果的優(yōu)劣便成為人們最關(guān)心的問題。除供熱水力系統(tǒng)因素的影響外，換熱設(shè)備的換熱質(zhì)量也是影響供熱效果的重要影響因素之一。板式換熱器因具有多種優(yōu)點(diǎn)一直以來在換熱領(lǐng)域得到了普遍的應(yīng)用和推廣。
　?。?nbsp;板式換熱器的優(yōu)點(diǎn)
　?。玻?nbsp;傳熱效率高
　　比傳統(tǒng)管式換熱器換熱效率高 ２～４ 倍。一般板式換熱器的傳熱系數(shù) Ｋ 在值在 ３ ０００～６ ０００ Ｗ／ｍ２℃范圍內(nèi)。板片中都有一定的波紋設(shè)計以形成流道，（見圖 １，加強(qiáng)極低流速下的流體的擾動流，強(qiáng)化換熱。同時，湍流流動又有自凈效應(yīng)以防止污垢生成，減少熱阻，因而傳熱效率很高。
　?。玻?nbsp;熱損小、阻力損失小、冷卻水量少
　　因結(jié)構(gòu)緊湊和體積小，換熱器的外表面積很小，因而散熱損失也很小，通常不再需要保溫。在相同的傳熱系數(shù)的條件下，板式換熱器通過合理的選擇流速，阻力損失可控制在管殼式換熱器的 １／３ 范圍內(nèi)。板式換熱器由于其流道的幾何形狀所致，以及二種液體都有很高的熱效率，故可使冷卻水用量大為降低。反過來又降低了管道、閥門和泵的安裝費(fèi)用。
                            
     ２．３ 占地小，易維護(hù)，靈活性強(qiáng)
     板式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊占地面積小。由于結(jié)構(gòu)極為緊湊在傳熱量相等的條件下，板式換熱器只需要管殼式換熱器面積的 １／２～１／４ 即可達(dá)到同樣的換熱效果。所占空間僅為管殼式換熱器的 １／２～１／３。不需要預(yù)留出很大的檢修空間，只需松開夾緊螺桿，即可在原空間范圍內(nèi) １００％地接觸到換熱板的表面。拆裝很方便、容易清洗。由于換熱板容易拆卸，通過調(diào)節(jié)傳熱板的數(shù)目或 者變更流程就可以得到最合適的容量和傳熱效果。只要利用換熱器中間架，換熱板部件就可有多種獨(dú)特的機(jī)能。這樣就為用戶提供了隨時可變更處理量和改變 傳熱系數(shù) Ｋ 值或者增加新機(jī)能的可能。
     ２．４ 投資較低、使用范圍廣
     在相同傳熱量的前提下，板式換熱器與管殼式換熱器相比較，由于換熱面積、占地面積、流體阻力、冷卻水用量等項(xiàng)目數(shù)值的減少，使得設(shè)備投資、基建投資、動力消耗、材料等費(fèi)用大大降低，更顯經(jīng)濟(jì)節(jié)能。由于材質(zhì)選擇廣，所以可適用多種介質(zhì)、腐蝕性介質(zhì)的換熱。
    ２．５ 有利于低溫?zé)嵩吹睦?BR>    由于二種介質(zhì)幾乎是全逆流流動，以及高的傳熱 效果，板式換熱器二種介質(zhì)的最小溫差可以達(dá)到１℃。用它來回收低溫余熱或利用低溫?zé)嵩炊际亲罾硐氲脑O(shè)備。以上結(jié)論是從理論計算和結(jié)構(gòu)上得出的。下面探討是板式換熱器的實(shí)際換熱效果到底如何？即若一次熱媒的供水溫度（ｔｇ）和二次熱媒的回水溫度（ｔｈ）分別保持 １３０ ℃和 ７０ ℃恒定不變時，在板式換熱器連續(xù)使用期內(nèi)、經(jīng)濟(jì)使用流速下，是否能始終保持二次熱媒出水溫度不低于 ９５ ℃？考慮到污垢對傳熱系數(shù) Ｋ 值的影響，設(shè)計中常采用附加系數(shù)來加以修正。對于現(xiàn)有的板式換熱器，僅靠單純地增大換熱面積富裕度，是否能從根本上解決問題？
     針對上述問題，結(jié)合實(shí)際普遍使用的、具有代表性的幾種類型（ＢＲＷ ５０ 型、 ５０ 型、ＢＲ  ＨＢＲ ０３ 型、ＢＲ ０．５ 型、 ０．５ 型）的板式換熱器，對其各自的熱ＢＢ工性能進(jìn)行了分析計算，得出了一些初步的結(jié)論，具體論述如下。
    ３ 換熱過程中必要條件的假定
    忽略板式換熱器實(shí)際使用條件和實(shí)驗(yàn)條件之間的差別。板式換熱器采用單流程組合如圖 ２ 所示。
               
 工況假定：
    ①一、二次熱媒均為液體介質(zhì)——水， 
    ②名義溫度工況為：一次側(cè) １３０ ℃／８０ ℃。二次側(cè)為 ９５ ℃／７０ ℃。
     ③恒溫假定：一次熱媒供水溫度（ｔｇ１）和二次熱媒供水溫度（（ｔｇ２）保持恒定。
     考慮到一般外網(wǎng)設(shè)計中要預(yù)留給換熱站的允許壓差為 ３０～５０ ｋＰａ，所以在板式換熱器的熱工性能計算中，一次側(cè)熱媒流速控制在 ０．３￣０．４ ｍ／ｓ 的范圍內(nèi)。
     板式換熱器的密封墊片更換之前，板片兩側(cè)污垢厚度 δ總計取 ０．２ ｍｍ。因?yàn)閾?jù)國外有關(guān)資料規(guī)定：板片兩側(cè)污垢層總計不得超過 ０．５ ｍｍ。考慮到我國板式換熱器現(xiàn)在使用的密封墊片使用壽命短于發(fā)達(dá)國家（國內(nèi)一般為 ３ 年左有，國外至少 ５ 年以上）這一事實(shí)，所以按 ０．２ ｍｍ計。此外，為便于說明，將密封墊片的使用壽命定義為該板式換熱的連續(xù)使用期限。根據(jù)水垢生成和發(fā)展過程，可將板式換熱器的連續(xù)使用期分為前期、中期和后期，并假設(shè)：前期 δ＝０ ｍｍ；中期 δ ＝０．１ ｍｍ；后期 δ ＝０．２ ｍｍ。
    ４ 分析計算的基本思路
    板式換熱器的產(chǎn)品樣本上一般都會提供以下熱工性能計算公式：
              
     ５ 板式換熱器換熱質(zhì)量分析
    ５．１ 連續(xù)使用期前期
    ①、隨著板式換熱器一次側(cè)壓降的增加，二次熱媒出水溫度隨之降低。
    ②、當(dāng)一次側(cè)壓降為 １０ ｋＰａ 左右時；除 ＢＲ ０．５型板式換熱器二次出水溫度達(dá)不到 ９５ ℃外，其余的均能達(dá)到。
    ③、當(dāng)一次側(cè)壓降為 ３０ ｋＰａ 時，ＢＲＷ ５０ 型、ＢＢ０．５ 型仍能滿足設(shè)計出水溫度的要求，而此時理論傳熱系數(shù) Ｋ 值可達(dá) ５ ３４０ Ｗ／（ Ｋ）、 ５００ Ｗ／ ｍ２ ６（ Ｋ）。ｍ２
    ５．２ 連續(xù)使用期后期
    在考慮污垢的情況下，對于 ＢＲＷ ５０ 型和 ＢＢ０．５ 型兩種型號的熱工性能進(jìn)行了再一次的計算，其結(jié)果列于表 ２。 
    計算結(jié)果表明：當(dāng)一次側(cè)壓降同樣取 ３０ ｋＰａ時，二者均達(dá)不到設(shè)計的要求。若壓降降至 １０ ｋＰａ時，則 ＢＲＷ ５０ 型能達(dá)到設(shè)計要求的二次側(cè)熱媒出水溫度。當(dāng)然這是以換熱面積增加一倍為代價的，而設(shè)計規(guī)范規(guī)定：考慮污垢的影響時，其面積附加系數(shù)最大為 ６７％。
     ６ 對板式換熱器換熱效果的改造措施
     為了保證在連續(xù)使用期后期，板式換熱器的供熱品質(zhì)仍能滿足設(shè)計要求，除控制水指標(biāo)（如懸浮物含量、硬度、 值和氯根離子含量等）、加強(qiáng)運(yùn)行  ｐＨ管理外，還應(yīng)從改善板式換熱器的板型結(jié)構(gòu)入手。
     近幾年，在等流通截面 ＢＲ 型的基礎(chǔ)上研制開發(fā)了不等流通截面 ＢＢ 型板式換熱器，比較表 １ 中ＢＢ ０．５ 型和 ＢＲ ０．５ 型的計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)： ０．５ 型   ＢＢ的熱工性能指標(biāo)及供熱品質(zhì)均優(yōu)于 ＢＲ ０．５ 型。但即使如此，在考慮一定的污垢厚度后 ＢＢ 型仍不能保證必要的供熱品質(zhì)。文獻(xiàn)建議進(jìn)一步縮小板式換熱器的板間安裝距離，依次來改善其供熱品質(zhì)，但這對制造工藝有較高的要求。本人認(rèn)為：適當(dāng)?shù)募哟蟋F(xiàn)有板式換熱器的板片高寬比，也可以在一定程度上改善板式換熱器的供熱品質(zhì)，且對制造無較高的特殊工藝要求。
     取 ＢＢ ０．３ 型為例分析。設(shè)板片寬度、波紋形狀不變，板間距也不變，僅改變板片的高度，使單片傳熱面積由 ０．３ ｍ２ 增至 ０．５ ｍ２，并稱這種板片型號為ＢＢ ０．３—Ａ型。由于努塞爾方程中定性尺寸為板間距，所以 ＢＢ ０．３—Ａ 型和 ＢＢ ０．３ 型可采用同一努塞爾方程。當(dāng)然，努塞爾方程中的實(shí)驗(yàn)系數(shù)會隨板高度變化而改變。本文在污垢總厚度 δ取 ０、  ０．２ｍｍ，面積附加系數(shù) ｃｆ 取 ０、     ０．１５ 的情況下，對 ＢＢ０．３—Ａ型進(jìn)行了計算，計算結(jié)果見表 ３。
     通過表 ３ 中結(jié)果表明：如在板式換熱器的選型計算中，理論換熱面積 Ｆ０ 一次側(cè)熱媒流速為 ０．４ｍ／ｓ 來確定的話，如果所選面積不考慮附加，則在板式換熱器連續(xù)使用期的前期其供熱品質(zhì)能滿足設(shè)計要求，而后期仍達(dá)不到規(guī)定的二次出水溫度。但若換熱面積增加 １５％，則即使是在板式換熱器連續(xù)
使用的后期，設(shè)計要求的供熱品質(zhì)仍能得到保證。
    ７ 結(jié)論
    ７．１ 在標(biāo)準(zhǔn)溫度工況下和正常流速范圍內(nèi)，現(xiàn)有板式換熱器在其連續(xù)使用期前期一般都能保證設(shè)計要求的供熱品質(zhì)；但在其連續(xù)使用期的后期，由于污垢的影響，均不能提供設(shè)計中要求的二次熱媒。
    ７．２ 對單流程組合的板式換熱器，在正常流速范圍內(nèi)，試圖通過單純增大面積附加系數(shù)來改善其供熱品質(zhì)是困難的。
    ７．３ 縮小板間距，可以提高板式換熱器的供熱品質(zhì)，但對工藝有較高的要求。
    ７．４ 適當(dāng)?shù)卦龃蟋F(xiàn)有板式換熱器板片的高寬比，可以改善板式換熱器附垢運(yùn)行期間的供熱品質(zhì)，而且在制造工藝上容易實(shí)現(xiàn)。