板式换热器phe供热工程应用与发展趋势

板式换热器phe供热工程应用与发展趋势

1板式换热器质式换热器（phe）是一种高效、紧凑的换热装置。由于传热系数高、占地面积小、安装方便、维护方便，壳式换热器在许多方面都优于壳式换热器，因此在工业生产中得到了广泛应用。由于板式换热器具有上述优点,且运行流量也较小,设计选用时具有很大的灵活性和自由度,因此用于区域集中供热是十分理想的。但在近几年里,由于板式换热器设计选型不合理,流通截面小,结垢、堵塞造成换热器效率降低,同时流体的流动状态和系统工况也影响其传热系数和供热效果。因此,分析和研究板式换热器在供热工程中的应用并指明其研究和发展趋势是十分必要的。2板式换热器的结构板式换热器分为可拆卸式和焊接式两大类,其传热板的类型全世界有60多种。板式换热器的结构比较简单,它是由板片、密封垫片、固定压紧板、活动压紧板、压紧螺柱和螺母、上下导杆、前支柱等零部件所组成。各种主要板式换热器的技术参数及特点见表1。3本例在加热系统中的应用分析3.1板式换热器的运行维护板式换热器因具有传热效率高、结构紧凑等特点,而在供热领域得到了普遍推广。那么,板式换热器的实际供热品质如何?即如果一次热媒的供水温度和二次热媒的回水温度分别保持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℃?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;但在后期,由于污垢沉积在换热器表面上,大大降低了换热器的传热效率,因此不能提供设计要求的二次热媒。对单流程组合的板式换热器,在正常流速范围内,如果通过单纯增大面积附加系数来改善其供热品质是困难的。通过缩小板间距,来提高板式换热器的供热品质,会对工艺有较高的要求。通过适当地增大现有板式换热器板片的高宽比,可能会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。3.2反渗透结构设计板式换热器的板片种类繁多,但仍以人字形波纹板为主,其流体形成的流道形状比较复杂,沿流体流动方向的断面形状不断地呈周期性变化,从而使流体形成网状多变的复杂流。见图1。当板型相同而波纹结构参数不同时,其流体流动状况各不同。文献1介绍人字形波纹的倾斜角是影响板式换热器性能最重要的几何参数。它通过改变流动状态来影响板片通道的传热与阻力特性。在相同雷诺数和波纹参数下,大倾角板片的传热和阻力降均高于小倾角板片。但在相同的通道阻力降下则无论大、小倾角卡热速率(表现为对流传热膜系数)都基本相等。虽然该结论是在常物性及统一的0.6次幂函数等简化假设下得出来的,但它仍不失为一个对板式换热器基本特性具有重要意义的认识。波纹倾斜角不同时,传热系数不同,随着倾角增大,传热系数将增大。而当倾角不变,波纹节距增大时,对流传热系数略有减少,如图2。3.3不等截面板式换热器的工作原理目前绝大多数供热工况中,板式换热器的供热效果得不到充分发挥,其原因是:板式换热器结构对系统工况的适应问题,即不同的系统工况需要不同结构的板式换热器,否则就不能达到最佳传热效果。在供热系统中,换热器的主要功能就是为用户制备热水。其热源来自于热网或集中锅炉房。热源一般所采用的一次热媒温度为130～80℃或110～80℃,二次热媒温度为95～70℃。由于一次热媒侧与二次热媒侧的温差不同,所以在换热器内冷、热两侧的介质处理量不同,温差大的一侧介质处理量小,而温差小的一侧介质处理量大。因而导致了冷热介质在换热器板间流速不等,即一侧流速高一侧流速低。流速高的一侧其介质对流换热系数α就大,而流速低的一侧对流换热系数就小。当冷热介质的对流换热系数α1与α2相差较大时,就会影响设备的传热系数K值,进而影响换热器的传热效果。对冷热两侧处理量不相等的供热工况,采用不等流通截面板式换热器是一种较理想的换热设备,同时也是目前大多数供热工况中传热效果不佳最理想的解决办法。不等截面板式换热器,是通过调整换热器冷热两侧的流通截面积来调节两侧的板间流速,来提高介质处理量小的一侧的对流换热系数α值,从而达到提高整机传热效果的目的。其换热器的结构如图3、4。3.4板式换热器供热压板式换热器与壳管式换热器相比较,具有传热系数高,对数平均温差大,末端温差小,结构紧凑、占地面积小,容易改变换热面积或流程组合,重量轻,制作方便,价格低,容易清洗,热损失小,容量较小,不易结垢等优点。但板式换热器由于采用密封垫密封,工作压力不宜超过2.5Mpa,介质温度应低于250℃以下,否则有可能泄漏,还有由于板片间通道很窄,一般只有2～5mm,当换热介质含有较大颗粒或纤维物质时,容易堵塞。国产板式换热器与国外板式换热器相比较如表2。板型、板片、流道的选择板式换热器的选型包括板型选择和流程流道选择。板型选择应根据换热场合的实际需要而定。对流量大允许压降小的情况,应选用阻力小的板型,反之选用阻力大的板型。根据流体压力和温度的情况,确定选择可拆卸式,还是钎焊式。确定板型时不宜选择单板面积太小的板片,以免板片数量过多,板间流速偏小,传热系数过低。板式换热器流程和流道的选择,流程是指板式换热器内一种介质同一流动方向的一组并联流道,而流道则是指板式换热器内相邻两板片组成的介质流动通道。一般情况下,将若干个流道按并联或串联的方式连接起来,以形成冷、热介质通道的不同组合形式。垫片的使用和清洗对于可拆卸式板式换热器,垫片的密封性决定了整个换热器的性能。垫片经多次松开和压紧容易损坏,需要更换。垫片是用机械或粘接的方式嵌入沟槽的,当使用压缩石棉垫片时,必须在表面涂上防粘剂,以防粘在换热板槽中。板式换热器属于压力容器,必须定期检查,检查腐蚀状态,如有腐蚀,一经发现,必须修理;当腐蚀严重,不可能修复,必须更换新件。板式换热器一经选定,便不可随便作它用,否则会造成严重后果。4板式换热器压压器板式换热器不仅在供热工程中应用较多,而且在其它的工业生产中也得到了广泛的应用。因此,板式换热器发展较快,其性能也越来越高。目前板式换热器的最高压力可达28MPa,最高操作温度360℃。但是,通过对板式换热器在供热工程中的应用分析,结合板式换热器的发展现状,我们会了解到国内板式换热器在应用中还存在着一些急待解决的问题。4.1当前板换热器的问题板式换热器的传热模型按通道的数目分为单通道和多通道的,按流体在换热器内流动形式可分为逆流、顺流和平行流等形式。换热器的结构不同,流体流动形式不同,它的传热规律也不同,因而正确掌握其传热规律是设计板式换热器的基础。国外许多学者大部分采用动态测量及全息等光学测试手段测量换热器的传热系数及压降的沿程分布,得到了较准确的理论资料。为使板式换热器的换热能力增强,各国学者对传热板片结构进行了较多地研究,全世界共设计出了六十多种板型,其中主要板型有:水平平直波纹板、人字形波纹板、倾斜波板、锯齿形波纹板片、瘤形凹凸板片等。这些板片虽然各有其优缺点,但它们的共同目标是:增大传热面积、增加紊流流动强度、强化换热;增强板片刚度,使板片不易变形等。可提高棉机垫片的耐久性如何提高其操作温度和压力是研究的一个重点。当今,主要是采用新的垫片材料来提高操作温度。目前采用的多种橡胶垫片和压缩石棉橡胶垫片,大大提高了垫片的操作温度(可达360℃)并且具有抗腐蚀性能。另外,采用计算机辅助设计与选型(CAD)、计算机辅助制造(CAM)模具等零件、有限元模拟设计以及高速、一次压制工艺等先进技术,使传热板片的结构更趋合理,尺寸精度得到了明显提高,即使板厚小至0.4mm,板片的承压能力仍可达到较高的要求。4.2关于板式换热器的主要工作特点,我国现有的技术需要不断优化①国内目前生产的板式换热器的形式还比较单一,在实际供热系统中运行的换热器,其换热效果得不到充分发挥,原因是板式换热器的结构对系统工况的适应问题,既不同的系统工况需要不同的板式换热器。②板式换热器的结构对工程适应性较差。在以后换热器的开发、设计、生产及选型中,应尽可能使板式换热器的结构适应各种工程情况,以减少或消除各种因素对板式换热器传热性能的影响,从而实现最佳传热,达到节能、节约投资及提高经济效益的目的。③板片的波纹形式及几何尺寸会影响流体的流动状态,而流动状态影响板片通道的传热与阻力特性。因此,在工程应用中要力争达到换热、流量和阻力降三者之间的良好匹配。④70～80年代是国外PHE发展的鼎盛时期,其主要特点是“大参数、多品种、高性能”,尤以非对称流道PHE、非粘贴密封垫片和特殊用途PHE为标志。近年来,我国也有许多类似产品问世,但由于试验研究基础较薄弱,设计技术水平不太高,制造与检验手段比较落后等原因,品种还不够多,质量也还没完全过关,发展速度还赶不上先进国家。因此,认真吸收和消化国外先进技术,发展具有国际竞争力的新技术、新产品是目前的主要任务。⑤板式换热器中的密封问题很关键,大部分故障都是由于密封垫片损坏导致泄漏造成的,而垫片的寿命及可靠性主要取决于材料。板式换热器的密封问题到目前还没有完全解决,研制开发新型的、耐温、耐压并可长期使用的密封垫片和密封结构是今后板式换热器研究的重点。⑥优化板式换热器的最终目的是为了增大板式换热器的传热系数K,从而增加其传热效果,但通常增大传热系数,流动阻力也会增加,这将导致运行费用的增加。所以,板式换热器的传热系数与压降之间的优选问题尚待进一步解决,板式换热器的优化设计程序尚需逐步完善。⑦由于目前的板式换热器主要以人字纹为主,其形成的流道形状比较复杂,流体形成了网状多变的复杂流。流道中流体的对流传热机理很复杂,流动和传热规律尚不太清楚,对板式换热器的强化传热手段还处在不断探索的过程中。因此,应结合工程实际对板式换热器进行强化传热的研究和验证。⑧目前,国内各厂生产的板式换热器规格尚不太统一,需要制定统一的标准。同时,适于恶劣环境的新型板式换热器也有待开发,扩展其适用范围。另外,板式换热器在工程应用中各系统的工作压力基本不相同,但在各工作压力下,满足强度要求的板材强度还不能准确计算,尚需进一步研究,以节省材料消耗。⑨一般的可拆卸式板式换热器,由于本身结构的局限性,即使用压力和温度受到限制,另外还存在流体与密封垫片的相容性问题。因此,为了提高板式换热器的使用温度和压