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板式換熱器高效傳熱新思路點擊：1951 日期：[ 2014-04-26 21:53:37 ] |
| 板式換熱器高效傳熱新思路 王峰 天津濱海能源發展股份有限公司 【摘要】結合傳熱學的基本理論，對板式換熱器的傳熱過程進行科學分析。提出了實現板換高效傳熱的新思路，即提高板換的過流速度。 【關鍵詞】傳熱學 板式換熱器 高效傳熱 過流速度 一、簡介 間接連接的供熱系統具有運行可靠，調節方便的特點，在我國已被廣泛應用，天津開發區供熱也是沿用這種方式。此種系統要求在一定的供暖區域內建立換熱站，將由鍋爐生產的一次熱媒（蒸汽、熱水）與二次熱媒（采暖系統循環回水）進行換熱，最終將升溫的熱媒供于用戶。在這一環節中，存在較大的能耗，相應具有較大的節能潛力，對工藝的良性改進將產生巨大的效益。如何在已有的設備條件下，增強換熱，節能降耗，是擺在我們面前的一個重要課題。 在換熱站中換熱器無疑是最重要的設備，它換熱效率的高低直接影響著整個供熱系統的熱效率。經過實踐檢驗，在眾多形式的換熱器中，板式換熱器具有良好的傳熱性能和優越的流通性能。其傳熱效率高，結構緊湊，安裝維修方便，可根據需要改變換熱面積及流程組合，特別適用于集中供熱，特別是水—水換熱，應用的非常普遍。但是，在實際運行中，我們碰到了一些問題是值得研究和商榷的。比如，水在板換中的流速問題，在汽—水換熱中如何利用板換等。本文將對以上問題展開討論，以期更好的發揮板換高效傳熱的特性。 由于一次熱媒分為水和蒸汽，我們必須對此分別討論。 二、板式換熱器原理 1、板式換熱器的理論模型 對于板式換熱器，如圖一［1］，可以抽象為平壁換熱。 2、分析 由傳熱學知識 由以上各式不難推斷，所謂強化傳熱，是指提高換熱設備單位面積的傳熱量（熱流密度），使換熱設備達到體積小、重量輕的目的，或是在已有的設備條件下，使熱媒的流量減小，從而節約電能。 提高傳熱系數k，也就是降低單位面積的總熱阻。一般板換換熱面的厚度較小而導熱系數λ較大，故要提高換熱系數，必須增大換熱壁兩側的對流換熱系數α1、α2。 而α=Nufλf/D其中λ為水的導熱系數，D為板換的定型尺寸，由理論和實驗可知，當水的流動開始由層流向紊流過渡后，即Re≥2200后，Nu數隨著Re數的增加而增加。而Re數的增加取決于水流速的增加，由此我們可以看出增大水的流速將是強化板換換熱的重要手段。 三、板換在水-水換熱中的換熱效率提高方式 1、板換使用現狀 從板換板型的強化傳熱方面看，國內的產品并不比國外產品差很多。但國內外相同傳熱面積允許帶的采暖面積差很多，主要原因是設計指導思想問題。在國內設計人員中，普遍認為板換的一次側壓降不能超過0.07MPa。由于這一限制，板換內的水流速通常在0.2—0.3m/s之間。與這一流速相對應，傳熱系數只有2000-3000W/m2。由于傳熱系數選用過低，在傳熱面積估算時通常認為一平方米的傳熱面積只能供500平方米的住宅建筑面積。實際上國產板換，當水流速達到0.5—0.6m/s時，傳熱系數一般都能達到5000-6000W/m2［2］。也就是說按此作為運行參數指定的依據，1平方米的傳熱面積就可供800平方米以上的住宅建筑面積。 2、提高流速以增加板換傳熱系數 應該看到板換的最大優點就是高效傳熱，如果我們的板換不在5000~6000W/m2下運行，而是在2000~3000W/m2下運行，那就是舍其長而用其短，不但在技術上是不合理的，而且在經濟上也是很大浪費。那么，板換的允許壓降為什么不可以突破0.07MPa呢？比較流行的說法，是怕提高循環水泵揚程，增加電耗，也怕外網提供不了更大的資用壓頭。實際上這些擔心是沒有必要的。 首先，把供熱系統看成一個整體，從系統設計水壓圖上分析，就能發現，隨著熱源的豐富，其一次外網的資用壓頭都有足夠的富余。而在實際運行中，人們又常?？吹?，系統的末端熱力站給不出足夠的資用壓頭。這種設計工況和與運行工況的不一致，也就是水平失調，正是由于系統中上游的熱力站實際壓降過小，沒有把多余的資用壓頭消耗掉的原因所致。這就造成了中上游各站瓜分下游站熱媒的情況。從這個意義上講加大供熱系統中上游熱力站的允許壓降，不但可以增加板換流速、強化其傳熱性能，而且能夠消除其多余資用壓頭。況且我們系統的水力平衡措施已增加很多，可以通過加裝自力式平衡閥（可在一定壓力范圍內限制流量）［3］的方法進行系統控制，還可用中繼泵對最不利路徑采取局部改進的方法。 其次，至于說，增加板換的允許壓降，一定要提高系統循環水泵揚程，這個問題值得商榷。由于一次網水平失調的存在，系統的壓降較小，泵的工作點不在最佳范圍內，適當的增加中上游壓降將使工作點上移（如圖二）［3］，這樣足以改善循環水泵的有效功率，增加泵的效率。而且由于系統的水力失調得到控制，板式換熱器換熱的加強，使得一次熱媒的需要量減小，可以達到節能的目的。因為泵軸功率與流量的三次方成正比，反之要消耗更多的電能。如一般3萬平方米左右建筑面積的供熱系統，循環水泵的電功率在15~30kW之間，若循環水量提高1.4倍，水泵的電功率則提高2.7倍，達41~82kW［3］。 從拆檢后板換來看，那些流速高的換熱器結垢量遠小于流速較低的板換，前面理論模型中未考慮水垢熱阻，但它在實際中往往是不可忽略的，我們提高板換中水的流速在很大程度上可抑制水垢的生成。綜上分析，應該將板換的壓降從目前0.07MPa，提高到0.1~0.12MPa，使板換的流速達到0.5~0.6m/s，傳熱系數為5000~6000W/m2。因此對于水—水換熱工藝，可在實際運行中通過合理提高流速，強化傳熱。 四、板式換熱器在汽—水換熱工藝中的應用 1、單級汽水換熱的缺點 對于汽—水換熱的情況，由于蒸汽的壓力和溫度往往高于板換的耐溫額定值，我們不能直接將其用于汽水換熱。在傳統設計中常用管殼式和螺旋板式進行此類換熱，但由于它們的換熱效率較低，一次熱媒換熱后形成凝結水溫度往往在80攝氏度以上，而且含汽量較大，不利于冷凝水的回收和能源的節約。特別是在離熱源廠較遠的換熱站，冷凝水只能排放于二次網的補水箱中，這部分熱能只能散失到大氣中。 2、單級汽水換熱站改造方案 如果我們在原有換熱器后串聯板式換熱器，將冷凝水作為它的一次熱媒，對供熱系統的回水進行預熱，這樣可節省大量能源。但由于管殼式和螺旋板式容易結垢，且由于調節需要，蒸汽的壓力往往不是很高，冷凝水的流速受影響，預熱過程往往不起很大作用。 可以利用蒸汽噴射泵解決此類問題，圖三［4］為蒸汽噴射泵的構造簡圖與靜壓變化圖。蒸汽噴射泵的工作介質是蒸汽，壓力為P0的蒸汽在噴管中進行絕熱膨脹后，以很高的流速vp從噴射口噴射出來，卷吸周圍的被引射水，使被引射水具有一定的速度進入混合室，同時蒸汽凝結于水。在混合室入口處，水的速度場很不均勻，經過混合室使混合水的流速得以均衡，使壓力從混合室入口壓力P2升至混合室出口壓力P3。再經過擴散管混合水壓力升高至Pg流出噴射泵。噴射泵的造價較低，很適于對老站的改造，而且節能效果明顯。 改造后的水水+汽水二級換熱工藝如圖四所示。進入汽水換熱器的蒸汽分為兩路，其一進汽水換熱器，另一進入蒸汽噴射泵，作為抽引用汽，汽水混合后進入板式換熱器進行第一級換熱。以此方式可最大限度利用蒸汽所攜熱量，增加綜合換熱效率。 五、結論 應該充分利用板式換熱器高效傳熱的特性。本文推導和論述了利用板式換熱器增大換熱效率的兩種簡單方法。通過作者所在單位的實際應用，經統計熱效率平均提高8%左右，節約了能源，大大增加了供熱的經濟效益。 參考文獻 ［1］俞佐平傳熱學高等教育出版社1988 ［2］石兆玉區域供熱適合我國國情的熱力站機組應有的性能特點二○○一年第三期 ［3］丁亦如區域供熱供熱（冷）系統中的水力失調與自力式流量控制器的應用96年第5期 ［4］哈爾濱建筑學院等供熱工程中國建筑工業出版社1980 |
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