板式换热器的换热质量分析和结构改造

【摘 要】阐述板式换热器的优点，并针对几种常用型号板式换热器，在标准温度工况（一次热媒 １３０℃／８０℃，二次热媒 ９５℃／７０℃）下，对板式换热器在实际运行状态下的热工性能参数进行了对比和计算，并分析了板片高宽比和面积附加系数对板式换热器换热质量的影响。
　　【关键词】板式换热器； 换热质量； 结构改造
　　【中图分类号】ＴＫ２２３     【文献标识码】Ｂ   【文章编号】１００６－ ６７６４（２００７）０１－ ００４２－ ０４
　　１ 前言
　　热能是使用普遍、易于转换、在工业企业生产中广为使用、必不可少的动力能源。在实际生产、生活中，对热能最直接的利用就是通过换热器进行热量交换。（如供热系统中热量的使用）。因此换热效果的优劣便成为人们最关心的问题。除供热水力系统因素的影响外，换热设备的换热质量也是影响供热效果的重要影响因素之一。板式换热器因具有多种优点一直以来在换热领域得到了普遍的应用和推广。
　　２ 板式换热器的优点
　　２．１ 传热效率高
　　比传统管式换热器换热效率高 ２～４ 倍。一般板式换热器的传热系数 Ｋ 在值在 ３ ０００～６ ０００ Ｗ／ｍ２℃范围内。板片中都有一定的波纹设计以形成流道，（见图 １，加强极低流速下的流体的扰动流，强化换热。同时，湍流流动又有自净效应以防止污垢生成，减少热阻，因而传热效率很高。
　　２．２ 热损小、阻力损失小、冷却水量少
　　因结构紧凑和体积小，换热器的外表面积很小，因而散热损失也很小，通常不再需要保温。在相同的传热系数的条件下，板式换热器通过合理的选择流速，阻力损失可控制在管壳式换热器的 １／３ 范围内。板式换热器由于其流道的几何形状所致，以及二种液体都有很高的热效率，故可使冷却水用量大为降低。反过来又降低了管道、阀门和泵的安装费用。
                            
     ２．３ 占地小，易维护，灵活性强
     板式换热器结构紧凑占地面积小。由于结构极为紧凑在传热量相等的条件下，板式换热器只需要管壳式换热器面积的 １／２～１／４ 即可达到同样的换热效果。所占空间仅为管壳式换热器的 １／２～１／３。不需要预留出很大的检修空间，只需松开夹紧螺杆，即可在原空间范围内 １００％地接触到换热板的表面。拆装很方便、容易清洗。由于换热板容易拆卸，通过调节传热板的数目或 者变更流程就可以得到最合适的容量和传热效果。只要利用换热器中间架，换热板部件就可有多种独特的机能。这样就为用户提供了随时可变更处理量和改变 传热系数 Ｋ 值或者增加新机能的可能。
     ２．４ 投资较低、使用范围广
     在相同传热量的前提下，板式换热器与管壳式换热器相比较，由于换热面积、占地面积、流体阻力、冷却水用量等项目数值的减少，使得设备投资、基建投资、动力消耗、材料等费用大大降低，更显经济节能。由于材质选择广，所以可适用多种介质、腐蚀性介质的换热。
    ２．５ 有利于低温热源的利用
    由于二种介质几乎是全逆流流动，以及高的传热 效果，板式换热器二种介质的最小温差可以达到１℃。用它来回收低温余热或利用低温热源都是最理想的设备。以上结论是从理论计算和结构上得出的。下面探讨是板式换热器的实际换热效果到底如何？即若一次热媒的供水温度（ｔｇ）和二次热媒的回水温度（ｔｈ）分别保持 １３０ ℃和 ７０ ℃恒定不变时，在板式换热器连续使用期内、经济使用流速下，是否能始终保持二次热媒出水温度不低于 ９５ ℃？考虑到污垢对传热系数 Ｋ 值的影响，设计中常采用附加系数来加以修正。对于现有的板式换热器，仅靠单纯地增大换热面积富裕度，是否能从根本上解决问题？
     针对上述问题，结合实际普遍使用的、具有代表性的几种类型（ＢＲＷ ５０ 型、 ５０ 型、ＢＲ  ＨＢＲ ０３ 型、ＢＲ ０．５ 型、 ０．５ 型）的板式换热器，对其各自的热ＢＢ工性能进行了分析计算，得出了一些初步的结论，具体论述如下。
    ３ 换热过程中必要条件的假定
    忽略板式换热器实际使用条件和实验条件之间的差别。板式换热器采用单流程组合如图 ２ 所示。
               
 工况假定：
    ①一、二次热媒均为液体介质——水， 
    ②名义温度工况为：一次侧 １３０ ℃／８０ ℃。二次侧为 ９５ ℃／７０ ℃。
     ③恒温假定：一次热媒供水温度（ｔｇ１）和二次热媒供水温度（（ｔｇ２）保持恒定。
     考虑到一般外网设计中要预留给换热站的允许压差为 ３０～５０ ｋＰａ，所以在板式换热器的热工性能计算中，一次侧热媒流速控制在 ０．３￣０．４ ｍ／ｓ 的范围内。
     板式换热器的密封垫片更换之前，板片两侧污垢厚度 δ总计取 ０．２ ｍｍ。因为据国外有关资料规定：板片两侧污垢层总计不得超过 ０．５ ｍｍ。考虑到我国板式换热器现在使用的密封垫片使用寿命短于发达国家（国内一般为 ３ 年左有，国外至少 ５ 年以上）这一事实，所以按 ０．２ ｍｍ计。此外，为便于说明，将密封垫片的使用寿命定义为该板式换热的连续使用期限。根据水垢生成和发展过程，可将板式换热器的连续使用期分为前期、中期和后期，并假设：前期 δ＝０ ｍｍ；中期 δ ＝０．１ ｍｍ；后期 δ ＝０．２ ｍｍ。
    ４ 分析计算的基本思路
    板式换热器的产品样本上一般都会提供以下热工性能计算公式：
              
     ５ 板式换热器换热质量分析
    ５．１ 连续使用期前期
    ①、随着板式换热器一次侧压降的增加，二次热媒出水温度随之降低。
    ②、当一次侧压降为 １０ ｋＰａ 左右时；除 ＢＲ ０．５型板式换热器二次出水温度达不到 ９５ ℃外，其余的均能达到。
    ③、当一次侧压降为 ３０ ｋＰａ 时，ＢＲＷ ５０ 型、ＢＢ０．５ 型仍能满足设计出水温度的要求，而此时理论传热系数 Ｋ 值可达 ５ ３４０ Ｗ／（ Ｋ）、 ５００ Ｗ／ ｍ２ ６（ Ｋ）。ｍ２
    ５．２ 连续使用期后期
    在考虑污垢的情况下，对于 ＢＲＷ ５０ 型和 ＢＢ０．５ 型两种型号的热工性能进行了再一次的计算，其结果列于表 ２。 
    计算结果表明：当一次侧压降同样取 ３０ ｋＰａ时，二者均达不到设计的要求。若压降降至 １０ ｋＰａ时，则 ＢＲＷ ５０ 型能达到设计要求的二次侧热媒出水温度。当然这是以换热面积增加一倍为代价的，而设计规范规定：考虑污垢的影响时，其面积附加系数最大为 ６７％。
     ６ 对板式换热器换热效果的改造措施
     为了保证在连续使用期后期，板式换热器的供热品质仍能满足设计要求，除控制水指标（如悬浮物含量、硬度、 值和氯根离子含量等）、加强运行  ｐＨ管理外，还应从改善板式换热器的板型结构入手。
     近几年，在等流通截面 ＢＲ 型的基础上研制开发了不等流通截面 ＢＢ 型板式换热器，比较表 １ 中ＢＢ ０．５ 型和 ＢＲ ０．５ 型的计算结果发现： ０．５ 型   ＢＢ的热工性能指标及供热品质均优于 ＢＲ ０．５ 型。但即使如此，在考虑一定的污垢厚度后 ＢＢ 型仍不能保证必要的供热品质。文献建议进一步缩小板式换热器的板间安装距离，依次来改善其供热品质，但这对制造工艺有较高的要求。本人认为：适当的加大现有板式换热器的板片高宽比，也可以在一定程度上改善板式换热器的供热品质，且对制造无较高的特殊工艺要求。
     取 ＢＢ ０．３ 型为例分析。设板片宽度、波纹形状不变，板间距也不变，仅改变板片的高度，使单片传热面积由 ０．３ ｍ２ 增至 ０．５ ｍ２，并称这种板片型号为ＢＢ ０．３—Ａ型。由于努塞尔方程中定性尺寸为板间距，所以 ＢＢ ０．３—Ａ 型和 ＢＢ ０．３ 型可采用同一努塞尔方程。当然，努塞尔方程中的实验系数会随板高度变化而改变。本文在污垢总厚度 δ取 ０、  ０．２ｍｍ，面积附加系数 ｃｆ 取 ０、     ０．１５ 的情况下，对 ＢＢ０．３—Ａ型进行了计算，计算结果见表 ３。
     通过表 ３ 中结果表明：如在板式换热器的选型计算中，理论换热面积 Ｆ０ 一次侧热媒流速为 ０．４ｍ／ｓ 来确定的话，如果所选面积不考虑附加，则在板式换热器连续使用期的前期其供热品质能满足设计要求，而后期仍达不到规定的二次出水温度。但若换热面积增加 １５％，则即使是在板式换热器连续
使用的后期，设计要求的供热品质仍能得到保证。
    ７ 结论
    ７．１ 在标准温度工况下和正常流速范围内，现有板式换热器在其连续使用期前期一般都能保证设计要求的供热品质；但在其连续使用期的后期，由于污垢的影响，均不能提供设计中要求的二次热媒。
    ７．２ 对单流程组合的板式换热器，在正常流速范围内，试图通过单纯增大面积附加系数来改善其供热品质是困难的。
    ７．３ 缩小板间距，可以提高板式换热器的供热品质，但对工艺有较高的要求。
    ７．４ 适当地增大现有板式换热器板片的高宽比，可以改善板式换热器附垢运行期间的供热品质，而且在制造工艺上容易实现。