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板式換熱器效能提高的設計方法

發布時間：2009-6-18 瀏覽：3126

一  優化設計方向

    近年來，板式換熱器技術日益成熟，其傳熱效率高，體積小，重量輕，污垢系數低，拆卸方便，板片品種多，適用范圍廣，在供熱行業得到了廣泛應用。板式換熱器按組裝方式分為可拆式、焊接式、釬焊式、板殼式等。由于可拆式板式換熱器便于拆卸清洗，增減換熱器面積靈活，在供熱工程中使用較多。可拆式板式換熱器受橡膠密封墊耐熱溫度的限制，適用于水一水傳熱。本文對提高可拆式板式換熱器效能的優化設計進行研究。

    提高板式換熱器的效能是一個綜合經濟效益問題，應通過技術經濟比較后確定。提高換熱器的傳熱效率和降低換熱器的阻力應同時考慮，而且應合理選用板片材質和橡膠密封墊材質及安裝方法，保證設備安全運行，延長設備使用壽命。

二  優化設計方法

    2．1 提高傳熱效率

    板式換熱器是問壁傳熱式換熱器，冷熱流體通過換熱器板片傳熱，流體與板片直接接觸，傳熱方式為熱傳導和對流傳熱。提高板式換熱器傳熱效率的關鍵是提高傳熱系數和對數平均溫差。

    ① 提高換熱器傳熱系數只有同時提高板片冷熱兩側的表面傳熱系數，減小污垢層熱阻，選用熱導率高的板片，減小板片的厚度，才能有效提高換熱器的傳熱系數。

    a．提高板片的表面傳熱系數

    由于板式換熱器的波紋能使流體在較小的流速下產生湍流(雷諾數一150時 )，因此能獲得較高的表面傳熱系數，表面傳熱系數與板片波紋的幾何結構以及介質的流動狀態有關。板片的波形包括人字形、平直形、球形等。經過多年的研究和實驗發現，波紋斷面形狀為三角形(正弦形表面傳熱系數最大，壓力降較小，受壓時應力分布均勻，但加工困難的人字形板片具有較高的表面傳熱系數，且波紋的夾角越大，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

    減小換熱器的污垢層熱阻的關鍵是防止板片結垢。板片結垢厚度為1 mm時，傳熱系數降低約10%。因此，必須注意監測換熱器冷熱兩側的水質，防止板片結垢，并防止水中雜物附著在板片上。有些供熱單位為防止盜水及鋼件腐蝕，在供熱介質中添加藥劑，因此必須注意水質和黏性藥劑引起雜物沾污換熱器板片。如果水中有黏性雜物，應采用專用過濾器進行處理。選用藥劑時，宜選擇無黏性的藥劑。

    c．選用熱導率高的板片

    板片材質可選擇奧氏體不銹鋼、鈦合金、銅合金等。不銹鋼的導熱性能好，熱導率約14．4 W/(m·K) ，強度高，沖壓性能好，不易被氧化，價格比鈦合金和銅合金低，供熱工程中使用最多，但其耐氯離子腐蝕的能力差。

    d．減小板片厚度

    板片的設計厚度與其耐腐蝕性能無關，與換熱器的承壓能力有關。板片加厚，能提高換熱器的承壓能力。采用人字形板片組合時，相鄰板片互相倒置，波紋相互接觸，形成了密度大、分布均勻的支點，板片角孑L及邊緣密封結構已逐步完善，使換熱器具有很好的承壓能力。國產可拆式板式換熱器最大承壓能力已達到了2.5 MPa。板片厚度對傳熱系數影響很大，厚度減小0.1mm，對稱型板式換熱器的總傳熱系數約增加600W/(m ·K)，非對稱型約增加500 W/(m ·K)¨ 。在滿足換熱器承壓能力的前提下，應盡量選用較小的板片厚度。

    ② 提高對數平均溫差

    板式換熱器流型有逆流、順流和混合流型(既有逆流又有順流)。在相同工況下，逆流時對數平均溫差最大，順流時最小，混合流型介于二者之問。提高換熱器對數平均溫差的方法為盡可能采用逆流或接近逆流的混合流型，盡可能提高熱側流體的溫度，降低冷側流體的溫度。

    ③ 進出口管位置的確定

    對于單流程布置的板式換熱器，為檢修方便，流體進出口管應盡可能布置在換熱器固定端板一側。介質的溫差越大，流體的自然對流越強，形成的滯留帶的影響越明顯，因此介質進出口位置應按熱流體上進下出，冷流體下進上出布置，以減小滯留帶的影響，提高傳熱效率。

    2．2 降低換熱器阻力的方法

    提高板問流道內介質的平均流速，可提高傳熱系數，減小換熱器面積。但提高流速，將加大換熱器的阻力，提高循環泵的耗電量和設備造價。循環泵的功耗與介質流速的3次方成正比，通過提高流速獲得稍高的傳熱系數不經濟。當冷熱介質流量比較大時，可采用以下方法降低換熱器的阻力，并保證有較高的傳熱系數。

    ① 采用熱混合板

    熱混合板的板片兩面波紋幾何結構相同，板片按人字形波紋的夾角分為硬板(H)和軟板(L)，夾角(一般為120。左右)大于90。為硬板，夾角(一般為70。左右)小于90。為軟板。熱混合板硬板的表面傳熱系數高，流體阻力大，軟板則相反。硬板和軟板進行組合，可組成高(HH)、中(HL)、低(LL)3種特性的流道，滿足不同工況的需求。

    冷熱介質流量比較大時，采用熱混合板比采用對稱型單流程的換熱器可減少板片面積。熱混合板冷熱兩側的角孔直徑通常相等，冷熱介質流量比過大時，冷介質一側的角孑L壓力損失很大。另外，熱混合板設計技術難以實現精確匹配，往往導致節省板片面積有限。因此，冷熱介質流量比過大時不宜采用熱混合板。

    ② 采用非對稱型板式換熱器

    對稱型板式換熱器由板片兩面波紋幾何結構相同的板片組成，形成冷熱流道流通截面積相等的板式換熱器。非對稱型(不等截面積型)板式換熱器根據冷熱流體的傳熱特性和壓力降要求，改變板片兩面波形幾何結構，形成冷熱流道流通截面積不等的板式換熱器，寬流道一側的角孑L直徑較大。非對稱型板式換熱器的傳熱系數下降微小，且壓力降大幅減小。冷熱介質流量比較大時，采用非對稱型單流程比采用對稱型單流程的換熱器可減少板片面積15% 一3O% 。

    ③ 采用多流程組合

    當冷熱介質流量較大時，可以采用多流程組合布置，小流量一側采用較多的流程，以提高流速，獲得較高的傳熱系數。大流量一側采用較少的流程，以降低換熱器阻力。多流程組合出現混合流型，平均傳熱溫差稍低。采用多流程組合的板式換熱器的固定端板和活動端板均有接管，檢修時工作量大。

    ④ 設換熱器旁通管

    當冷熱介質流量比較大時，可在大流量一側換熱器進出口之問設旁通管，減少進入換熱器流量，降低阻力。為便于調節，在旁通管上應安裝調節閥。該方式應采用逆流布置，使冷介質出換熱器的溫度較高，保證換熱器出口合流后的冷介質溫度能達到設計要求。設換熱器旁通管可保證換熱器有較高的傳熱系數，降低換熱器阻力，但調節略繁。

    ⑤ 板式換熱器形式的選擇

    換熱器板間流道內介質平均流速以0．3～0．6m／s為宜，阻力以不大于100 kPa為宜。根據不同冷熱介質流量比，可參照表1選用不同形式的板式換熱器，表中非對稱型板式換熱器流道截面積比為2。采用對稱型或非對稱型、單流程或多流程板式換熱器，均可設置換熱器旁通管，但應經詳細的熱力計算。

     2．3 橡膠密封墊材質及安裝方式

    ① 材質的選擇

    水一水換熱器中，冷熱介質對橡膠密封墊均無腐蝕性。選用橡膠密封墊材質的關鍵是耐溫和密封性能，橡膠密封墊材質可按文獻選用。

    ② 安裝方式的選擇

    橡膠密封墊常用安裝方式為粘接式、卡扣式。粘接式是在換熱器組裝時，將橡膠密封墊用膠水粘接在板片密封槽內。卡扣式是在換熱器組裝時，利用橡膠密封墊和板片邊緣的卡扣結構，將橡膠密封墊固定在板片密封槽內。由于卡扣式安裝工作量很小，換熱器拆卸時橡膠密封墊損壞率低，而且不存在膠水中可能含有的氯離子造成對板片的腐蝕，因此使用較多。

    2．4 合理選用板片材質

   不銹鋼板片可能產生腐蝕失效的現象有點蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕、晶間腐蝕、均勻腐蝕等，應力腐蝕的發生率較高。由氯離子引起的應力腐蝕最多，板片材質可根據介質中的氯離子質量濃度按表2選用 ]，表中304、316代表的不銹鋼材料牌號為OCrl8Ni9、0Crl7Nil2Mo2，TA1代表鈦合金。