任改霞 趙 鋒

(1．西安科技大學(xué)高新學(xué)院建筑與土木工程學(xué)院，陜西西安 710109;2．中廣核工程有限公司，廣東深圳 518124)

0 引言

換熱器又稱熱交換器，是將部分熱量從熱流體傳遞給冷流體的設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)工藝過(guò)程對(duì)介質(zhì)的特定溫度需求，它廣泛應(yīng)用于電力、化工、石油、動(dòng)力等工業(yè)領(lǐng)域，并在國(guó)家生產(chǎn)建設(shè)中占有重要地位［1］。換熱器的形式多種多樣，根據(jù)換熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，常見的換熱器包括了管殼式換熱器、板式換熱器、波紋管式換熱器、螺旋板式換熱器等。其中工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的應(yīng)屬傳統(tǒng)的管殼換熱器，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、封閉性好的特點(diǎn)，但該型換熱器也同時(shí)具有換熱效果差、體積龐大、不易吊裝與運(yùn)輸?shù)热秉c(diǎn)，非常不利于電廠裝置的集約化、小型化發(fā)展趨勢(shì)。板式換熱器則不同，它是由一系列具有波紋狀的金屬片疊裝而成的新型高效換熱器，具有換熱效率高、熱損失小、結(jié)構(gòu)緊湊、拆卸方便、板片品種多、使用范圍廣等特點(diǎn)［2，3］。近年來(lái)，板式換熱器技術(shù)也日趨成熟，其在電廠及相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用也不斷深入，為電廠工程節(jié)約了建設(shè)工期及運(yùn)營(yíng)成本。

目前，關(guān)于板式換熱器的設(shè)計(jì)、運(yùn)行還主要依靠試驗(yàn)研究，本文主要通過(guò)板式換熱器的工作原理、材料結(jié)構(gòu)、傳熱計(jì)算原理及常見問(wèn)題的處理方案，結(jié)合典型應(yīng)用案例分析板式換熱器在電廠領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

板式換熱器根據(jù)使用裝配形式主要為懸掛式。懸掛式結(jié)構(gòu)由波紋板片、密封墊、固定壓緊板、中間板、活動(dòng)壓緊板、支架、上下定位導(dǎo)桿、壓緊螺栓等主要零件組成。常見的波紋板在板面上有四個(gè)角孔，板面之間通過(guò)密封墊片以隔離冷熱側(cè)流體，相鄰板片根據(jù)冷熱流體的逆向流動(dòng)特性制造出具有反方向的人字波紋溝槽(見圖1)，介質(zhì)在溝槽內(nèi)流動(dòng)時(shí)形成湍流，從而獲得較高的傳熱效率。

圖1 板式換熱器的結(jié)構(gòu)圖

2 傳熱計(jì)算

板式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算常用方法有對(duì)數(shù)傳熱溫差法、ε—NTU法及熱混合設(shè)計(jì)法，但在實(shí)際計(jì)算中對(duì)數(shù)傳熱溫差法應(yīng)用較為廣泛，其主要通過(guò)計(jì)算K及Δt對(duì)換熱量進(jìn)行計(jì)算。

2．1 板式換熱器的傳熱系數(shù)計(jì)算式［4］

其中，h1，h2分別為熱、冷側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù);δs，λs分別為板片厚度及板片導(dǎo)熱系數(shù);δd，λd分別為污垢厚度及污垢導(dǎo)熱系數(shù)。

2．2 對(duì)流換熱特征數(shù)方程

考慮液體粘度變化不大，因而可在板式換熱器中采用的Sieder-Tate對(duì)流換熱特征數(shù)方程為:

其中，Nu 為努塞爾數(shù)，Nu=hd/λ;Re為雷諾數(shù)，Re=ud/γ，u為流體流速，m/s，γ為流體運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s;Pr為普朗特?cái)?shù)，Pr=γ/a，a為熱擴(kuò)散率，m2/s;μ和μw分別為對(duì)應(yīng)流體特征溫度和板片壁溫下的流體動(dòng)力粘度，Pa·s;C，m，n，P分別為系數(shù)和指數(shù)。

考慮流體溫度與板片壁溫相差不大時(shí)，通?？山普J(rèn)為μ=μw;當(dāng)流體被加熱時(shí)指數(shù)n取0．4，當(dāng)流體被冷卻時(shí)指數(shù)n取0．3，根據(jù)文獻(xiàn)［5］，上述特征數(shù)方程可以分別寫為:

熱側(cè):

冷側(cè):

2．3 當(dāng)量直徑

其中，w為板間流道寬度;b為板間流道平均間隙。

2．4 逆流平均傳熱溫差

其中，Δtmax和Δtmin分別為逆流換熱時(shí)冷熱量流體端部溫差的最大值和最小值。

3 電廠應(yīng)用實(shí)例

以電廠某放熱水池的冷卻為計(jì)算實(shí)例，根據(jù)表1的三類冷卻需求，分別計(jì)算所選擇板式換熱器的實(shí)際換熱能力。選用某廠BR1．1型板式換熱器，其板片采用了Z6CND17-12不銹鋼，換熱面積為212 m2，板片間距為0．003 6 m，板片厚度為0．000 7 m，總板片數(shù)量為193塊。根據(jù)傳熱系數(shù)及對(duì)數(shù)傳熱溫差方法的計(jì)算結(jié)果如表2所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以得出，當(dāng)水池處于3種運(yùn)行工況時(shí)，換熱器皆能滿足所產(chǎn)生的熱負(fù)荷。

表1 放熱水池冷卻工況

4 板式換熱器常見問(wèn)題

板式換熱器作為電廠中熱交換設(shè)備，在使用過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生各類缺陷及問(wèn)題，現(xiàn)對(duì)主要問(wèn)題的原因及處理措施匯總?cè)缦?

1)接管法蘭部位的滲漏。原因分析:法蘭螺栓松動(dòng);密封墊錯(cuò)位、損壞;法蘭密封墊不在有效密封區(qū)域。處理措施:檢查并緊固螺栓;拆下法蘭及密封墊，檢查并進(jìn)行替換安裝。

2)換熱板片間的滲漏。原因分析:壓緊板間距過(guò)小;密封墊破損，換熱板片因腐蝕破損。處理措施:調(diào)整壓緊板間距，提高壓緊系數(shù);更換密封墊片;若板片存在穿孔破損，則更換板片。

表2 計(jì)算結(jié)果

3)換熱板片與壓緊板之間的泄漏。原因分析:密封墊松動(dòng)或破損;換熱板片出現(xiàn)裂紋;換熱板片與壓緊板之間存在異物。處理措施:調(diào)整或更換密封墊;更換同類型換熱板片;清除異物并加緊力矩。

4)串液現(xiàn)象，即冷熱介質(zhì)混合。原因分析:密封墊錯(cuò)位或破損;換熱板片產(chǎn)生裂紋及孔眼。處理措施:調(diào)整及更換密封墊;對(duì)換熱板片進(jìn)行打壓試驗(yàn)檢查，必要時(shí)更換板片。

5)傳熱效果下降明顯。原因分析:與設(shè)備連接的閥門沒有全開;板式換熱器內(nèi)部堵塞;板片結(jié)垢導(dǎo)致壓降增大，傳熱性能降低。處理措施:調(diào)節(jié)閥門開度;對(duì)換熱器內(nèi)部進(jìn)行反沖洗，必要時(shí)拆解換熱器;拆解板片，進(jìn)行高壓沖洗及研磨處理。

5 結(jié)語(yǔ)

1)簡(jiǎn)述了板式換熱器的主要特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)及工作原理。

2)描述了板式換熱器傳熱計(jì)算的主要計(jì)算方法以及計(jì)算特征方程式，并以電廠某放熱水池在不同工況下的放熱特性作為計(jì)算實(shí)例進(jìn)行傳熱計(jì)算，結(jié)果表明所選的板式換熱器能夠滿足熱負(fù)荷要求。

3)分析板式換熱器在電廠應(yīng)用過(guò)程中產(chǎn)生的常見問(wèn)題，并提出各類問(wèn)題的原因分析及缺陷處理措施。

［1］趙曉文．板式換熱器的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展［J］．冶金能源，2011，30(11):52-55．

［2］錢頌文．換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002．

［3］祁玉紅．三種常用換熱器的比較［J］．青海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，24(6):60-62．

［4］鄭瑞蕓．板式換熱器在變流量工況下的相對(duì)傳熱系數(shù)分析［J］．暖通空調(diào) HV＆AC，2010，40(10):85-88．

［5］王世超．換熱器類型在核電廠中的應(yīng)用研究［J］．中國(guó)核電，2008，3(3):270-275．