系統(tǒng)工況對(duì)板式換熱器傳熱性能的影響

   摘要：就不同系統(tǒng)工況對(duì)板式換熱器傳熱性能的影響,以及不同結(jié)構(gòu)板式換熱器如何適應(yīng)于系統(tǒng)工況,從而產(chǎn)生不同的傳熱效果等問(wèn)題進(jìn)行了分析,指出系統(tǒng)工況影響換熱器傳熱性能的原因,并提出解決問(wèn)題的辦法。
    關(guān)鍵詞：板式換熱器　傳熱性能　工況　影響
    分類號(hào)：TQ 051·5
    我國(guó)自本世紀(jì)60年代開(kāi)始研制板式換熱器, 80年代中期板式換熱器用于供熱系統(tǒng)中,隨著我國(guó)集中供熱系統(tǒng)的不斷擴(kuò)大, 對(duì)板式換熱器的需求量越來(lái)越大。我國(guó)目前生產(chǎn)的板式換熱器的形式還比較單一,在實(shí)供熱系統(tǒng)中運(yùn)行的換熱器還存在許多問(wèn)題。筆者認(rèn)為,目前的主要問(wèn)題是絕大多數(shù)供熱工況中,板式換熱器的效果得不到充分發(fā)揮。下面就討論這個(gè)問(wèn)題,并就目前解決此問(wèn)題的一些辦法進(jìn)行分析和比較。
    1　傳熱效果不佳的原因
    在供熱系統(tǒng)中,換熱器的主要功能就是為用戶制備熱水。其熱源來(lái)自于熱網(wǎng)或集中鍋爐房。我國(guó)一般采用的一次熱媒溫度為 130~80℃或110~80℃,二次熱媒溫度為 95~70℃,近幾年多采用60~50℃為二次熱媒溫度。由于一次熱媒側(cè)與二次熱媒側(cè)的溫差不同,所以在換熱器內(nèi)冷、熱兩側(cè)的介質(zhì)處理量不同,溫差大的一側(cè)介質(zhì)處理量小,而溫差小的一側(cè)介質(zhì)處理量大。因而導(dǎo) 致了冷熱介質(zhì)在換熱器板間流速不等,即一側(cè)流速高一側(cè)流速低。流速高的一側(cè)其介質(zhì)對(duì)流換熱系數(shù)α就大,而流速低的一側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)就小。當(dāng)冷熱介質(zhì)的對(duì)流換熱系數(shù)α1與α2相差較大時(shí),就會(huì)影響設(shè)備的傳 系數(shù)K值,進(jìn)而影響換熱器的傳熱效果。有一實(shí)用工況為:一次熱媒溫度130~ 80℃,二次熱媒的溫度95~70℃,熱負(fù)荷 Q=1 000 kW。在一特定普通板式換熱器內(nèi),一次側(cè)的板間流速w1=0·2 m/s,二次側(cè)板間流速w2=0·4 m/s。而一次熱媒對(duì)流換熱 系數(shù)α1=8 964 W/ (m2·K),二次熱媒的對(duì) 流換熱系數(shù)α2=13 362 W/ (m2·K)。此時(shí)換 熱器傳熱系數(shù)K=4 248 W/ (m2·K)。假設(shè) w1=w2=0·4 m/s,選用一適合本工況的換 熱器,其α1= 13 528 W/ (m2·K),α2= 13 362 W/ (m2·K),此時(shí)換熱器的傳熱系數(shù) K=5 056 W/ (m2·K),這兩種情況換熱器阻力降Δp值的在允許范圍內(nèi)。但后者比前者的傳熱系數(shù)增加19%。
    由此可以看出,現(xiàn)生產(chǎn)的板式換熱器在大多數(shù)供熱工況中傳熱效果得不到充分發(fā)揮, 這是目前供熱系統(tǒng)中存在的主要問(wèn)題。
    2　幾種典型的解決辦法
    2·1　合理設(shè)計(jì)換熱器的流程
    合理設(shè)計(jì)換熱器的流程對(duì)換熱器的熱工性能有很大的影響,若流程設(shè)計(jì)合理,在相 同熱負(fù)荷下,可得到較小的換熱面積,這樣就節(jié)省了設(shè)備投資。下面我們看一實(shí)際供熱運(yùn)行工況:一次熱水溫度110~80℃,二次熱水溫度60~50℃,熱負(fù)荷Q=1 000 kW。 若選用天津市換熱裝備廠生產(chǎn)的BR0·2型板式換熱器,通過(guò)設(shè)計(jì)不同的流程形式,可得到換熱器不同的傳熱性能,見(jiàn)表1。
                  
    此例表明,在同一負(fù)荷下選擇不同的流 程可節(jié)約設(shè)備投資25%。然而多流程設(shè)計(jì) 會(huì)導(dǎo)致:①冷熱介質(zhì)進(jìn)出口接管只能安裝在 固定板和活動(dòng)板兩側(cè),從而給換熱器的安裝 維修帶來(lái)不便。②由于熱介質(zhì)采用了多流 程,流體阻力增加,相對(duì)設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用增 大。③冷熱介質(zhì)在板間非全部逆流,影響換 熱效果。④采用多流程極易造成板間通道堵 塞,不利于整機(jī)運(yùn)行。
    2·2　采用不等截面板式換熱器
    針對(duì)多流程設(shè)計(jì)中存在的弊端,可采用冷熱流通截面不等的板式換熱器。通過(guò)調(diào)整換熱器冷熱兩側(cè)的流通截面積來(lái)調(diào)節(jié)兩側(cè)的板間流速,可提高介質(zhì)處理量小的一側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)α值,從而達(dá)到提高整機(jī)傳熱效果的目的。目前,這是不等溫差傳熱中用普通板式換熱器傳熱效果不佳時(shí)最理想的一種解決辦法。
    這種換熱器的結(jié)構(gòu),見(jiàn)圖1。它是由A板和B板兩種不同形狀的板型組成的,見(jiàn)圖2。A板正面與B板反面形成大的流通截面F1,A板的反面與B板的正面形成小的流通截面F2, F1∶F2=C。調(diào)整C值就能使板式換熱器得到合理的冷熱對(duì)流換熱系數(shù) α1,α2值,從而使板式換熱器K值達(dá)到一個(gè)合理的值。
                     
                     
    下面再討論一個(gè)實(shí)際供熱的工況,即對(duì)不等截面板式換熱器對(duì)供熱工況的適應(yīng)性進(jìn) 行分析。工況參數(shù)為:一次熱水溫度130~ 80℃,二次熱水溫度95~70℃。一次熱水的體積流量V1與二次熱水的體積流量V2 之比為1∶2,對(duì)此工況,應(yīng)將板式換熱器的流 通截面積之比定為:F′1∶F′2=1∶2。如此就能保證此工況下?lián)Q熱器冷、熱兩側(cè)板間流速 w1′=w2′,且能使其對(duì)流換熱系數(shù)α1、α2和 阻力降Δp1′、Δp2′保持在合理范圍內(nèi)。對(duì)以上工況的普通板式換熱器與不等截面板式換熱器作一比較。假設(shè)普通板式換熱 器單通道冷熱流通截面積之和(F1+F2),與 不等截面板式換熱器單通道冷熱流通截面積 之和(F′1+F′2)相等,即(F1+F2)=F′1+F′2 =2F,故F1=F2=F,而F′1=(2/3)F,F′2= (4/3)F。由傳熱學(xué)和流體力學(xué)可知,流體在換熱器內(nèi)流動(dòng)時(shí),流體與換熱面間的對(duì)流換熱系數(shù)α與流道阻力可用如下準(zhǔn)則方程表示:
                     
    式中　Nu———努謝爾數(shù),Nu=αde/λ
    Re———雷諾數(shù),Re=wde/λ
    Pr———普朗特?cái)?shù)
    Eu———歐拉數(shù),Eu=Δp/(ρw2)
    de———換熱器單通道當(dāng)量直經(jīng),m
    Δp———流體阻力降,MPa
    w———流體在換熱器板間流速,m/s
    ρ———流體密度,kg/m3
    λ———流體熱導(dǎo)率,W/(m·K)
    υ———流體的運(yùn)動(dòng)粘度,m2/s
    α———流道內(nèi)流體與壁面間的對(duì)流
    換熱系數(shù),W/(m2·K) C,C1,n,n1為常數(shù)。
    由式(1)和式(2):
                 
    我們知道,當(dāng)流體流經(jīng)某一型號(hào)板所組成的通道時(shí),若流體體積流量V和進(jìn)出口溫度T不變,則Re與Pr亦不變。本工況若選用普通板式換熱器,則一次側(cè)的α與Δp為:
                
    由式(15)、式(16)可看出,在同一工況下,對(duì)冷熱兩側(cè)流通截面積之和相等的普通型和不等截面型板式換熱器來(lái)說(shuō),后者一次側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)α1′比前者對(duì)流換熱系數(shù)α1提高50%,由此使板式換熱器的傳熱性能 大大提高。盡管一次側(cè)的阻力比普通板式換熱器高2·25倍(式(16)),但由于原普通板式換熱器的阻力極低,故現(xiàn)阻力的增加也不會(huì)超過(guò)系統(tǒng)允許的阻力值,且與通過(guò)設(shè)計(jì)多流程來(lái)改變傳熱效果的換熱器相比,其阻力增幅也不算大。
    至此筆者認(rèn)為,由于絕大多數(shù)供熱工況都是不等溫差傳熱的,即冷熱兩側(cè)處理量是不等的,所以不等流通截面板式換熱器在供熱中是一種較理想的換熱設(shè)備,是目前大多數(shù)供熱工況中傳熱效果不佳最理想的解決辦 法。建議生產(chǎn)廠家積極開(kāi)發(fā)此類產(chǎn)品。
    2·3　進(jìn)出口加旁通管
    在換熱器進(jìn)出口間加一旁通管的形式, 見(jiàn)圖3。通過(guò)控制調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度和進(jìn)換熱器的水量,可滿足系統(tǒng)對(duì)換熱器阻力的要求,并用流經(jīng)旁通管的水與換熱器出口的水混合達(dá)到系統(tǒng)要求的供水溫度。此裝置是對(duì)普通板式換熱器在不等溫差傳熱工況下,由于大處理量側(cè)阻力過(guò)大而不得不加大換熱器傳熱面積的一種緩解措施。它只能用于普通換熱器 的大端差值傳熱工況,且是以消耗換熱器內(nèi) 部傳熱驅(qū)動(dòng)力為代價(jià)的。從以下的實(shí)際供熱工況中可以看到這一點(diǎn)。
                     
    例如某一供熱工況,一次熱水的溫度為 130~80℃,二次熱水溫度95~70℃?，F(xiàn)采 用一具有合理板型的不等截面板式換熱器 其對(duì)數(shù)平均溫差Δtm1為20℃。
若采用在普通板式換熱器上加旁通裝 置,則可確定流經(jīng)換熱器內(nèi)流體一次側(cè)的溫度為:130~80℃,二次側(cè)的溫度為120~ 70℃,其對(duì)數(shù)平均溫差為:
    Δtm1=〔(T1- t2)+(T2- t1)〕/2=　
    〔(130-120)+(80-70)〕/2=10 (17)
    從式(17)與式(18)可看出,采用加旁通管的板式換熱器比采用不等截面板式換熱器 時(shí)的對(duì)數(shù)平均溫差減少了50%。在兩臺(tái)換 熱器(即不等截面板式換熱器和加旁通管的普通板式換熱器)內(nèi)所完成的傳熱量Q是相等的,即Q=Q1=Q2,傳熱系數(shù)K值亦應(yīng)近似相等。而對(duì)具有合理板型的不等截面板式換熱器,其阻力值應(yīng)在一合理范圍內(nèi)。由傳熱系數(shù)K的公式可知:
                    
    由此可知,對(duì)本工況選用加旁通管裝置的普通板式換熱器,比選用具有合理板型的不等流通截面的板式換熱器的換熱面積增加 100%,即選用加旁通管的板式換熱器是選用具有合理板型的不等截面板式換熱器投資的 2倍。筆者認(rèn)為,在供熱系統(tǒng)中,這種旁通裝 置只能作為冷熱介質(zhì)處理量相差較大時(shí)對(duì)通用性較強(qiáng)的板式換熱器用于系統(tǒng)中的一種緩解措施,它不能代替不等截面板式換熱器在 供熱系統(tǒng)中的作用。隨著換熱器品種的增多,及其對(duì)工況適應(yīng)性的增強(qiáng),這種裝置在與板式換熱器配套使用中將失去它的作用。
    3　結(jié)語(yǔ)
    系統(tǒng)工況對(duì)板式換熱器影響很大,其主要原因是板式換熱器結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)工況的適應(yīng)問(wèn)題,即不同的系統(tǒng)工況需要不同結(jié)構(gòu)的板式換熱器,否則就不能達(dá)到最佳傳熱效果。上述列出的3種解決辦法中,筆者認(rèn)為第2 種(在絕大多數(shù)傳熱工況中采用不等流通截面板式換熱器)是目前最理想的解決辦法,應(yīng)推廣使用。總之,在今后板式換熱器的開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)及生產(chǎn)中,應(yīng)盡可能使板式換熱器的結(jié)構(gòu)適應(yīng)系統(tǒng)對(duì)工況的要求,以減少或消除系統(tǒng)工況對(duì)板式換熱器傳熱性能的影響,從而實(shí)現(xiàn)最佳傳熱,達(dá)到節(jié)能、節(jié)約投資以及提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。
    參　考　文　獻(xiàn)
    1　湯蕙芬,范季賢·城市供熱手冊(cè)·天津:天津科學(xué)技術(shù) 出版社,1992·48~68
    2　天津大學(xué)化工原理教研室·化工原理·天津:天津科學(xué) 技術(shù)出版社,1983·277~315