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板式換熱器的換熱質量分析和結構改造點擊：2038 日期：[ 2014-04-26 22:13:45 ] |
| 板式換熱器的換熱質量分析和結構改造 舒 雯 （撫順特殊鋼股份有限公司， 遼寧撫順 １１３００１） 【摘 要】闡述板式換熱器的優點，并針對幾種常用型號板式換熱器，在標準溫度工況（一次熱媒 １３０℃／８０℃，二次熱媒 ９５℃／７０℃）下，對板式換熱器在實際運行狀態下的熱工性能參數進行了對比和計算，并分析了板片高寬比和面積附加系數對板式換熱器換熱質量的影響。 【關鍵詞】板式換熱器； 換熱質量； 結構改造 【中圖分類號】ＴＫ２２３ 【文獻標識碼】Ｂ 【文章編號】１００６－ ６７６４（２００７）０１－ ００４２－ ０４ １ 前言 熱能是使用普遍、易于轉換、在工業企業生產中廣為使用、必不可少的動力能源。在實際生產、生活中，對熱能最直接的利用就是通過換熱器進行熱量交換。（如供熱系統中熱量的使用）。因此換熱效果的優劣便成為人們最關心的問題。除供熱水力系統因素的影響外，換熱設備的換熱質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點一直以來在換熱領域得到了普遍的應用和推廣。 ２ 板式換熱器的優點 ２．１ 傳熱效率高 比傳統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 Ｋ 在值在 ３ ０００～６ ０００ Ｗ／ｍ２℃范圍內。板片中都有一定的波紋設計以形成流道，（見圖 １，加強極低流速下的流體的擾動流，強化換熱。同時，湍流流動又有自凈效應以防止污垢生成，減少熱阻，因而傳熱效率很高。 ２．２ 熱損小、阻力損失小、冷卻水量少 因結構緊湊和體積小，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。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、閥門和泵的安裝費用。 ２．３ 占地小，易維護，靈活性強 板式換熱器結構緊湊占地面積小。由于結構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 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，通過調節傳熱板的數目或 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特的機能。這樣就為用戶提供了隨時可變更處理量和改變 傳熱系數 Ｋ 值或者增加新機能的可能。 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、冷卻水用量等項目數值的減少，使得設備投資、基建投資、動力消耗、材料等費用大大降低，更顯經濟節能。由于材質選擇廣，所以可適用多種介質、腐蝕性介質的換熱。 ２．５ 有利于低溫熱源的利用 由于二種介質幾乎是全逆流流動，以及高的傳熱 效果，板式換熱器二種介質的最小溫差可以達到１℃。用它來回收低溫余熱或利用低溫熱源都是最理想的設備。以上結論是從理論計算和結構上得出的。下面探討是板式換熱器的實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，在板式換熱器連續使用期內、經濟使用流速下，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 Ｋ 值的影響，設計中常采用附加系數來加以修正。對于現有的板式換熱器，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，結合實際普遍使用的、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工性能進行了分析計算，得出了一些初步的結論，具體論述如下。 ３ 換熱過程中必要條件的假定 忽略板式換熱器實際使用條件和實驗條件之間的差別。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——水， ②名義溫度工況為：一次側 １３０ ℃／８０ ℃。二次側為 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。 考慮到一般外網設計中要預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，一次側熱媒流速控制在 ０．３￣０．４ ｍ／ｓ 的范圍內。 板式換熱器的密封墊片更換之前，板片兩側污垢厚度 δ總計取 ０．２ ｍｍ。因為據國外有關資料規定：板片兩側污垢層總計不得超過 ０．５ ｍｍ?？紤]到我國板式換熱器現在使用的密封墊片使用壽命短于發達國家（國內一般為 ３ 年左有，國外至少 ５ 年以上）這一事實，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使用期限。根據水垢生成和發展過程，可將板式換熱器的連續使用期分為前期、中期和后期，并假設：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 板式換熱器換熱質量分析 ５．１ 連續使用期前期 ①、隨著板式換熱器一次側壓降的增加，二次熱媒出水溫度隨之降低。 ②、當一次側壓降為 １０ ｋＰａ 左右時；除 ＢＲ ０．５型板式換熱器二次出水溫度達不到 ９５ ℃外，其余的均能達到。 ③、當一次側壓降為 ３０ ｋＰａ 時，ＢＲＷ ５０ 型、ＢＢ０．５ 型仍能滿足設計出水溫度的要求，而此時理論傳熱系數 Ｋ 值可達 ５ ３４０ Ｗ／（ Ｋ）、 ５００ Ｗ／ ｍ２ ６（ Ｋ）。ｍ２ ５．２ 連續使用期后期 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行了再一次的計算，其結果列于表 ２。 計算結果表明：當一次側壓降同樣取 ３０ ｋＰａ時，二者均達不到設計的要求。若壓降降至 １０ ｋＰａ時，則 ＢＲＷ ５０ 型能達到設計要求的二次側熱媒出水溫度。當然這是以換熱面積增加一倍為代價的，而設計規范規定：考慮污垢的影響時，其面積附加系數最大為 ６７％。 ６ 對板式換熱器換熱效果的改造措施 為了保證在連續使用期后期，板式換熱器的供熱品質仍能滿足設計要求，除控制水指標（如懸浮物含量、硬度、 值和氯根離子含量等）、加強運行 ｐＨ管理外，還應從改善板式換熱器的板型結構入手。 近幾年，在等流通截面 ＢＲ 型的基礎上研制開發了不等流通截面 ＢＢ 型板式換熱器，比較表 １ 中ＢＢ ０．５ 型和 ＢＲ ０．５ 型的計算結果發現： ０．５ 型 ＢＢ的熱工性能指標及供熱品質均優于 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。文獻建議進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，但這對制造工藝有較高的要求。本人認為：適當的加大現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，且對制造無較高的特殊工藝要求。 取 ＢＢ ０．３ 型為例分析。設板片寬度、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。當然，努塞爾方程中的實驗系數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 ｃｆ 取 ０、 ０．１５ 的情況下，對 ＢＢ０．３—Ａ型進行了計算，計算結果見表 ３。 通過表 ３ 中結果表明：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使用期的前期其供熱品質能滿足設計要求，而后期仍達不到規定的二次出水溫度。但若換熱面積增加 １５％，則即使是在板式換熱器連續 使用的后期，設計要求的供熱品質仍能得到保證。 ７ 結論 ７．１ 在標準溫度工況下和正常流速范圍內，現有板式換熱器在其連續使用期前期一般都能保證設計要求的供熱品質；但在其連續使用期的后期，由于污垢的影響，均不能提供設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，試圖通過單純增大面積附加系數來改善其供熱品質是困難的。 ７．３ 縮小板間距，可以提高板式換熱器的供熱品質，但對工藝有較高的要求。 ７．４ 適當地增大現有板式換熱器板片的高寬比，可以改善板式換熱器附垢運行期間的供熱品質，而且在制造工藝上容易實現。 |
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