提高板式换热器效能的优化设计.doc

提高板式换热器效能的优化设计摘要：从提高板式换热器的传热效率、降低阻力、选用板片材质、选用橡胶密封垫材质及安装方式等方面，对提高板式换热器效能的优化设计进行了探讨。关键词：板式换热器；效能；优化设计Optimal Design for Improving Efficiency of Plate Heat ExchangerLEI Xin-yi(Taiyuan Heating Company，Taiyuan 030001，China)Abstract：The optimal design for improving the efficiency of plate heat exchanger is discussed from aspects of improvement of heat transfer efficiency of plate heat exchanger，resistance reduction，selection of plate material and rubber sealing washer material，installation modes and so on.Key words：plate heat exchanger；efficiency；optimal design1 优化设计方向 近年来，板式换热器技术日益成熟，其传热效率高，体积小，重量轻，污垢系数低，拆卸方便，板片品种多，适用范围广，在供热行业得到了广泛应用。板式换热器按组装方式分为可拆式、焊接式、钎焊式、板壳式等。由于可拆式板式换热器便于拆卸清洗，增减换热器面积灵活，在供热工程中使用较多。可拆式板式换热器受橡胶密封垫耐热温度的限制，适用于水-水传热。本文对提高可拆式板式换热器效能的优化设计进行研究。 提高板式换热器的效能是一个综合经济效益问题，应通过技术经济比较后确定。提高换热器的传热效率和降低换热器的阻力应同时考虑，而且应合理选用板片材质和橡胶密封垫材质及安装方法，保证设备安全运行，延长设备使用寿命。2 优化设计方法2.1 提高传热效率 板式换热器是间壁传热式换热器，冷热流体通过换热器板片传热，流体与板片直接接触，传热方式为热传导和对流传热。提高板式换热器传热效率的关键是提高传热系数和对数平均温差。 提高换热器传热系数 只有同时提高板片冷热两侧的表面传热系数，减小污垢层热阻，选用热导率高的板片，减小板片的厚度，才能有效提高换热器的传热系数。 a. 提高板片的表面传热系数 由于板式换热器的波纹能使流体在较小的流速下产生湍流(雷诺数150时1)，因此能获得较高的表面传热系数，表面传热系数与板片波纹的几何结构以及介质的流动状态有关。板片的波形包括人字形、平直形、球形等。经过多年的研究和实验发现，波纹断面形状为三角形(正弦形表面传热系数最大，压力降较小，受压时应力分布均匀，但加工困难1)的人字形板片具有较高的表面传热系数，且波纹的夹角越大，板间流道内介质流速越高，表面传热系数越大。 b. 减小污垢层热阻 减小换热器的污垢层热阻的关键是防止板片结垢。板片结垢厚度为1mm时，传热系数降低约10%2。因此，必须注意监测换热器冷热两侧的水质，防止板片结垢，并防止水中杂物附着在板片上。有些供热单位为防止盗水及钢件腐蚀，在供热介质中添加药剂，因此必须注意水质和黏性药剂引起杂物沾污换热器板片。如果水中有黏性杂物，应采用专用过滤器进行处理。选用药剂时，宜选择无黏性的药剂。 c. 选用热导率高的板片 板片材质可选择奥氏体不锈钢、钛合金、铜合金等。不锈钢的导热性能好，热导率约14.4W/(mK)2，强度高，冲压性能好，不易被氧化，价格比钛合金和铜合金低，供热工程中使用最多，但其耐氯离子腐蚀的能力差。 d. 减小板片厚度 板片的设计厚度与其耐腐蚀性能无关，与换热器的承压能力有关。板片加厚，能提高换热器的承压能力。采用人字形板片组合时，相邻板片互相倒置，波纹相互接触，形成了密度大、分布均匀的支点，板片角孔及边缘密封结构已逐步完善，使换热器具有很好的承压能力。国产可拆式板式换热器最大承压能力已达到了2.5MPa。 板片厚度对传热系数影响很大，厚度减小0.1mm，对称型板式换热器的总传热系数约增加600W/(m2K)，非对称型约增加500W/(m2K) 1。在满足换热器承压能力的前提下，应尽量选用较小的板片厚度。 提高对数平均温差 板式换热器流型有逆流、顺流和混合流型(既有逆流又有顺流)。在相同工况下，逆流时对数平均温差最大，顺流时最小，混合流型介于二者之间。提高换热器对数平均温差的方法为尽可能采用逆流或接近逆流的混合流型，尽可能提高热侧流体的温度，降低冷侧流体的温度。 进出口管位置的确定 对于单流程布置的板式换热器，为检修方便，流体进出口管应尽可能布置在换热器固定端板一侧。介质的温差越大，流体的自然对流越强，形成的滞留带的影响越明显，因此介质进出口位置应按热流体上进下出，冷流体下进上出布置，以减小滞留带的影响，提高传热效率。2.2 降低换热器阻力的方法 提高板间流道内介质的平均流速，可提高传热系数，减小换热器面积。但提高流速，将加大换热器的阻力，提高循环泵的耗电量和设备造价。循环泵的功耗与介质流速的3次方成正比，通过提高流速获得稍高的传热系数不经济。当冷热介质流量比较大时，可采用以下方法降低换热器的阻力，并保证有较高的传热系数。 采用热混合板 热混合板的板片两面波纹几何结构相同，板片按人字形波纹的夹角分为硬板(H)和软板(L)，夹角(一般为120左右)大于90为硬板，夹角(一般为70左右)小于90为软板。热混合板硬板的表面传热系数高，流体阻力大，软板则相反。硬板和软板进行组合，可组成高(HH)、中(HL)、低(LL)3种特性的流道，满足不同工况的需求。 冷热介质流量比较大时，采用热混合板比采用对称型单流程的换热器可减少板片面积。热混合板冷热两侧的角孔直径通常相等，冷热介质流量比过大时，冷介质一侧的角孔压力损失很大。另外，热混合板设计技术难以实现精确匹配，往往导致节省板片面积有限。因此，冷热介质流量比过大时不宜采用热混合板。 采用非对称型板式换热器 对称型板式换热器由板片两面波纹几何结构相同的板片组成，形成冷热流道流通截面积相等的板式换热器。非对称型(不等截面积型)板式换热器根据冷热流体的传热特性和压力降要求，改变板片两面波形几何结构，形成冷热流道流通截面积不等的板式换热器，宽流道一侧的角孔直径较大。非对称型板式换热器的传热系数下降微小，且压力降大幅减小。冷热介质流量比较大时，采用非对称型单流程比采用对称型单流程的换热器可减少板片面积15%30%1。 采用多流程组合 当冷热介质流量较大时，可以采用多流程组合布置，小流量一侧采用较多的流程，以提高流速，获得较高的传热系数。大流量一侧采用较少的流程，以降低换热器阻力。多流程组合出现混合流型，平均传热温差稍低。采用多流程组合的板式换热器的固定端板和活动端板均有接管，检修时工作量大。 设换热器旁通管 当冷热介质流量比较大时，可在大流量一侧换热器进出口之间设旁通管，减少进入换热器流量，降低阻力。为便于调节，在旁通管上应安装调节阀。该方式应采用逆流布置，使冷介质出换热器的温度较高，保证换热器出口合流后的冷介质温度能达到设计要求。设换热器旁通管可保证换热器有较高的传热系数，降低换热器阻力，但调节略繁。 板式换热器形式的选择 换热器板间流道内介质平均流速以0.30.6m/s为宜，阻力以不大于100kPa为宜。根据不同冷热介质流量比，可参照表1选用不同形式的板式换热器，表中非对称型板式换热器流道截面积比为2。采用对称型或非对称型、单流程或多流程板式换热器，均可设置换热器旁通管，但应经详细的热力计算。表1 不同形式的板式换热器选用Tab.1 Selection of different types of plate heat exchangers板式换热器形式冷热介质流量比热介质进、出口温度/冷介质进、出口温度/对称型单流程1.01.4110、8070、95热混合板1.41.7120、8070、95非对称型单流程1.72.8130、8070、95对称型多流程2.03.6150、8070、95非对称型多流程3.67.0120、7050、602.3 橡胶密封垫材质及安装方式 材质的选择 水-水换热器中，冷热介质对橡胶密封垫均无腐蚀性。选用橡胶密封垫材质的关键是耐温和密封性能，橡胶密封垫材质可按文献3选用。 安装方式的选择 橡胶密封垫常用安装方式为粘接式、卡扣式。粘接式是在换热器组装时，将橡胶密封垫用胶水粘接在板片密封槽内。卡扣式是在换热器组装时，利用橡胶密封垫和板片边缘的卡扣结构，将橡胶密封垫固定在板片密封槽内。由于卡扣式安装工作量很小，换热器拆卸时橡胶密封垫损坏率低，而且不存在胶水中可能含有的氯离子造成对板片的腐蚀，因此使用较多。2.4 合理选用板片材质 不锈钢板片可能产生腐蚀失效的现象有点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀、均匀腐蚀等，应力腐蚀的发生率较高。由氯离子引起的应力腐蚀最多，板片材质可根据介质中的氯离子质量浓度按表2选用2，表中304、316代表的不锈钢材料牌号为0Crl8Ni9、0Crl7Nil2M02，TA1代表钛合金。表2 常用板材材质在含氯介质中的适用范围2Tab.2 Application range of common plate materials in medium containing chlorine2氯离子质量浓度/(mgL-1)介质温度/6080120130103043043043162530430431631650