楊俊威 金 濤

(浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所)

用于水產(chǎn)品解凍水能量回收的換熱器選擇*

楊俊威**金 濤

(浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所)

針對(duì)水產(chǎn)品解凍水能量回收問題，比較了管式和板式換熱器的優(yōu)、缺點(diǎn)，介紹了不同類型換熱器的工作原理和應(yīng)用領(lǐng)域，就換熱器中的污垢和腐蝕兩方面作了重點(diǎn)介紹，在此基礎(chǔ)上對(duì)焊接式板式換熱器做了簡(jiǎn)要介紹。最終選取板式換熱器作為解凍水能量回收的換熱器。

板式換熱器 水產(chǎn)品解凍水能量回收 結(jié)垢 腐蝕

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)于沿海各省份來說，能源短缺一直制約著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，必須尋求可替代化石能源的新能源和可再生能源，浙江省具有豐富的海水資源，海水溫度同時(shí)滿足了冬季制熱、夏季制冷的需求，非常適宜作為海水源熱泵的冷熱源，具有優(yōu)于其他地區(qū)使用海水源熱泵的優(yōu)勢(shì)。水產(chǎn)品解凍水主要是溫度較低的海水和含有大量鹽類的水，可充分利用換熱過程來進(jìn)行能量回收。為了使換熱設(shè)備適應(yīng)換熱介質(zhì)，需要對(duì)換熱介質(zhì)(如解凍海水)加以分析，海水中含有大量的鹽(即氯離子)和泥沙，鹽類包含的離子以氯離子、鈣離子、鎂離子為主；同時(shí)泥沙中含有微生物和藻類。因此，換熱過程中需要考慮海水的溫度、溶解氧、pH值、鹽度、流速、離子含量、固體顆粒及微生物等因素給換熱設(shè)備帶來的腐蝕和結(jié)垢問題，設(shè)計(jì)人員可通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方法解決換熱設(shè)備結(jié)垢的難題及微生物滋生、海洋生物附著等現(xiàn)象，通過對(duì)材料的選取解決腐蝕問題。工程上常用的換熱設(shè)備有管式換熱器和板式換熱器，筆者將對(duì)兩種換熱設(shè)備進(jìn)行各方面的對(duì)比，以選擇符合要求的換熱器進(jìn)行水產(chǎn)品解凍水的能量回收。

1 管式和板式換熱器的比較

1.1管式換熱器

管殼式換熱器分為固定管板式換熱器和浮頭式換熱器。固定式用的較多，管式換熱器多應(yīng)用于煉油、石油化工，適用于冷卻，冷凝、加熱、蒸發(fā)和廢熱回收各個(gè)方面，在工程中應(yīng)用較為廣泛。它具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、彈性大、可靠程度高及適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，但其在換熱效率、設(shè)備的體積及金屬材料的消耗量等方面不如其他換熱器，固定式換熱器殼側(cè)不能清洗，并且檢查困難，不能采用較臟或有腐蝕性的介質(zhì)，宜用于殼體與管子溫差小、殼程壓力不高、殼程結(jié)垢不嚴(yán)重或能用化學(xué)清洗的場(chǎng)合。

1.2板式換熱器

板式換熱器(PHE)是由一系列波紋形的平行板構(gòu)成的，平板做成波紋形是為了增加湍流和機(jī)械強(qiáng)度，板式換熱器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作流體在兩塊板片所形成的窄小而曲折的通道中流過。冷、熱流體依次通過各個(gè)流道，中間隔一層板片，通過此板片進(jìn)行換熱。板式換熱器易拆裝、換熱系數(shù)大、占地面積小、不易結(jié)垢、結(jié)構(gòu)緊湊、適應(yīng)性強(qiáng)、可以一機(jī)多用，同時(shí)，還具有易于清洗及容易控制滅菌和巴氏滅菌所需的熱量等優(yōu)點(diǎn)。由于石墨可以耐高溫高壓，隨著石墨墊片、石墨板材技術(shù)在板式換熱器中的應(yīng)用，如今板式熱交換器可適用于電力和化學(xué)過程。在未使用石墨材料時(shí)，板式換熱器的最大操作溫度為150℃，最大操作壓力是1.6MPa，而采用壓縮石墨墊片后，可將最高操作溫度提高到360℃，最高操作壓力提高到2.8MPa[1]，增加了其應(yīng)用范圍。

圖1 板式換熱器的基本結(jié)構(gòu)

綜上所述，管式和板式換熱器各有優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)二者進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，板式換熱器具有較高的換熱效率，在穩(wěn)定的工作情況下，換熱效率可以達(dá)到90%及以上，高于其他換熱器，而且其體積小、重量輕，用材少也節(jié)約成本；管式換熱器需要讓易結(jié)垢的介質(zhì)走管程，防止結(jié)垢，而板式換熱器可以通過設(shè)計(jì)特殊的板片結(jié)構(gòu)來解決結(jié)垢問題；針對(duì)防腐問題，兩種換熱器都可以通過選用特定的材料來達(dá)到防腐的目的。因此，對(duì)于同一種解凍水介質(zhì)，綜合考量后選用板式換熱器來進(jìn)行換熱。

1.3板式換熱器傳熱機(jī)理及應(yīng)用

在板式換熱器設(shè)計(jì)中，板片按一定的間隔通過橡膠墊片壓緊組成通道，兩種存在溫度差的流體在受迫對(duì)流傳熱過程中通過角孔進(jìn)入板片通道，在相鄰?fù)ǖ乐袃煞N不同流體形成逆流或順流通過板片進(jìn)行熱量的交換，換熱板片被壓成各種不同波紋形式，以增加換熱板片面積和剛性。合理的波紋形式能使流體在低雷諾數(shù)下達(dá)到高度湍流，創(chuàng)造出最高的換熱效率。由于熱傳遞板表面采用波紋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，即使流體流速未達(dá)到湍流所需的最低雷諾數(shù)條件，流體在板片之間的運(yùn)動(dòng)亦呈三維運(yùn)動(dòng)，促使流體形成劇烈紊動(dòng)，減少邊界層熱阻強(qiáng)化傳熱效率。

目前板式換熱器已廣泛應(yīng)用于冶金、造紙、化工、石油、食品、電力、醫(yī)藥及船舶等領(lǐng)域?？捎糜诩訜?、冷卻、蒸發(fā)、冷凝、殺菌消毒及余熱回收等場(chǎng)合。下面筆者將從板式換熱器在實(shí)際使用中出現(xiàn)的污垢和腐蝕方面進(jìn)行闡述[2～8]。

2 板式換熱器的結(jié)垢

2.1常見的污垢類型

污垢沉積增加了熱流熱阻，導(dǎo)致液壓和熱擾動(dòng)，所以污垢需要清洗，使換熱器恢復(fù)到原來的狀態(tài)。液體側(cè)污垢類型有沉淀和結(jié)晶污垢、化學(xué)反應(yīng)污垢、微粒污垢、腐蝕污垢、生物污垢、凝固和冷凍污垢。李文輝從上述幾個(gè)方面進(jìn)行分析，指出不同結(jié)垢類型都有其發(fā)生的條件，一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)可能同時(shí)存在幾種類型的污垢，各種結(jié)垢類型間又可能相互作用和促進(jìn)，有的占主導(dǎo)地位，而有的則不明顯，同時(shí)還從流體性質(zhì)、換熱器的幾何結(jié)構(gòu)、流速和溫度4個(gè)方面說明了其對(duì)結(jié)構(gòu)的影響[9]。姜立清從兩個(gè)方面闡述了結(jié)垢的原因：以離子或分子狀態(tài)溶解于水中的雜質(zhì)，如鈣鹽、鎂鹽、鈉鹽，其中鈣鹽(如CaCO3、CaSO4)是引起結(jié)垢的主要原因；以膠體狀態(tài)存在的雜質(zhì)，如鐵化合物、微生物、污泥及粘垢等是次要原因[10]。趙本興從水垢、鐵垢和生物垢3方面說明了結(jié)垢的原因并指出其危害[11]?？傊?，鹽呈現(xiàn)的逆溶解效應(yīng)是造成板式換熱器結(jié)垢的主要原因，冷卻水和金屬壁的溫度升高，水流速度和板片的幾何形狀也對(duì)其造成了影響。

綜上所述，板式換熱器結(jié)垢會(huì)帶來?yè)Q熱效率的下降，影響正常工藝參數(shù)的執(zhí)行；嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致管道堵塞、增大能耗，也可能造成垢下腐蝕，更有甚者會(huì)使設(shè)備由于腐蝕過大而泄漏報(bào)廢。

2.2對(duì)污垢的監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)

針對(duì)以上情況，有必要對(duì)換熱器結(jié)垢進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)，并采取一定的措施來解決結(jié)垢問題。文孝強(qiáng)等建立了基于模擬退火支持向量機(jī)的板式換熱器污垢熱阻預(yù)側(cè)模型[12]，結(jié)果表明預(yù)側(cè)值與實(shí)驗(yàn)得到的實(shí)側(cè)值基本吻合，平均誤差很小，滿足工程需求。Nolan M C和Scott B H做了關(guān)于換熱器結(jié)垢、過濾器設(shè)計(jì)、材料的兼容性在線監(jiān)測(cè)驗(yàn)證假設(shè)[13]，他們用測(cè)流監(jiān)控(SSM)作為一個(gè)有用的測(cè)試平臺(tái)，作為對(duì)用于控制原水生物污垢的化學(xué)處理程序的選擇和優(yōu)化。同樣，開發(fā)電弧爐煉鋼技術(shù)是為了減輕兩板框和殼管式換熱器的尺寸[14]。Rivero C和Napolitano V描述了一個(gè)實(shí)用程序基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)，它允許預(yù)測(cè)沉積厚度、整體傳熱系數(shù)和臨界時(shí)間，這樣可以減少在巴氏滅菌過程中污垢的影響[15]。Merheb B等提出了一種新的聲學(xué)技術(shù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控板式換熱器內(nèi)部污垢[16]。

2.3特殊的板片結(jié)構(gòu)

板式換熱器的抗結(jié)垢性能比列管式換熱器好。在設(shè)計(jì)中，將介于角孔和主要換熱區(qū)域中間的一部分設(shè)計(jì)成巧克力分布方式，這樣有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：使流體均勻流過整個(gè)板片；A、B處的壓力降相同(圖2)；在該巧克力區(qū)域的壓力損失最?。辉试S平行流；避免了遠(yuǎn)處的死角。該結(jié)構(gòu)即可充分使用傳熱面積，又沒有死角區(qū)域的結(jié)垢。同時(shí)，平行流通過巧克力分布區(qū)能夠達(dá)到原來對(duì)角流的全部功能。

圖2 板片結(jié)構(gòu)

在此基礎(chǔ)上，對(duì)于已經(jīng)結(jié)垢的情況，要采取相應(yīng)的措施來解決污垢帶來的問題。李華峰等分別給出了一些清洗方法，包括化學(xué)清洗、機(jī)械清洗及機(jī)械在線除垢技術(shù)等方法并進(jìn)行了具體的說明[17～20]。

綜上所述，除了采取監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)污垢的方法和在產(chǎn)生污垢時(shí)采取有效措施解決污垢問題外，還必須從入口介質(zhì)方面把好關(guān)，從設(shè)計(jì)、選材、制造、安裝、運(yùn)行管理及維護(hù)保養(yǎng)等方面全面地進(jìn)行控制。同時(shí)，在使用過程中，按照換熱器的使用性能進(jìn)行生產(chǎn)操作，加強(qiáng)換熱器的運(yùn)行管理，強(qiáng)化其自身的阻垢能力，這些都是提高換熱效率、節(jié)約能源，保證換熱設(shè)備長(zhǎng)周期、滿負(fù)荷、安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的簡(jiǎn)單有效方法。

3 板式換熱器的腐蝕

3.1腐蝕的類型

板式換熱器在工業(yè)上的應(yīng)用越來越多，防止換熱器的失效就顯得非常重要，其中包括由于腐蝕導(dǎo)致的換熱器失效。因此，必須了解換熱器腐蝕的原因，并采取合適的解決辦法。板式換熱器腐蝕失效類型有點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力開裂腐蝕、晶間腐蝕、均勻腐蝕及其他一些腐蝕失效。點(diǎn)蝕是由閉塞電池腐蝕作用引起的一種局部腐蝕，使局部金屬表面的鈍化膜破壞，形成尺寸小于1mm的穿孔或蝕坑；縫隙腐蝕是由閉塞電池腐蝕作用引起的一種呈斑點(diǎn)狀或潰瘍性的局部腐蝕，與點(diǎn)腐蝕的主要區(qū)別是腐蝕產(chǎn)生在金屬零件的縫隙處，由于滯留介質(zhì)的電化學(xué)不均勻性而導(dǎo)致的；應(yīng)力開裂腐蝕是在靜態(tài)拉伸應(yīng)力與電化學(xué)介質(zhì)共同作用下，由陰極溶解過程引起的金屬局部腐蝕裂紋或斷裂；晶間腐蝕起源于金屬表面并沿晶粒邊界深入到內(nèi)部的腐蝕，可導(dǎo)致晶粒間的結(jié)合力喪失，使材料的強(qiáng)度降低；均勻腐蝕是指接觸介質(zhì)的金屬表面全部或大部分被腐蝕的現(xiàn)象；其他腐蝕失效有磨蝕及微生物腐蝕等。

董雷軍等分別對(duì)某設(shè)備板片的失效進(jìn)行了研究，通過掃描電鏡觀察、化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)、殘余應(yīng)力測(cè)試及能譜分析與垢層X射線衍射分析等方法來判定失效的類型[21，22]。這些方法的結(jié)合使用能夠有效地判定失效類型，與宏觀觀察的結(jié)果也相同。Turissini R L等討論了板式換熱器的腐蝕故障，研究了在墊圈腐蝕和應(yīng)力腐蝕兩種縫隙腐蝕影響下導(dǎo)致的板式換熱器失效[23～25]。Singh I等調(diào)查了墊圈失效的原因并在實(shí)現(xiàn)過程控制解決方案中取得了成功[26]。雷國(guó)慶和張治川對(duì)板式換熱器的縫隙腐蝕做過詳細(xì)的研究，提出了影響縫隙腐蝕的因素有板片的幾何形狀和板片所在的工作環(huán)境，分析了縫隙腐蝕產(chǎn)生的原因，并提出了相應(yīng)的解決措施[27]。

3.2防腐蝕的措施

針對(duì)以上腐蝕現(xiàn)狀，孫淑娟和鄭美麗提出了如下防腐措施[28]：

a. 首先要考慮材料抗介質(zhì)腐蝕的能力，正確地選用板片材料；

b. 將不銹鋼板片進(jìn)行表面鈍化處理，使氧化膜表面生成一層堅(jiān)牢密實(shí)而又非常薄的膜，因而獲得良好的耐蝕性能；

c. 在設(shè)計(jì)板片的成形模時(shí)，應(yīng)采用殘余應(yīng)力小的結(jié)構(gòu)；

d. 為減輕對(duì)板片表面的劃傷，要對(duì)模具表面進(jìn)行拋光；

e. 板片與墊片的粘結(jié)劑，不要采用過期的和含有氯根的粘結(jié)劑，防止析出Cl-離子而引發(fā)腐蝕；

f. 選擇正確合理的板片結(jié)構(gòu)和正常流速，一般板間平均流速為0.2～0.8m/s；

g. 增加板片觸點(diǎn)的接觸率，減少磨振對(duì)觸點(diǎn)的破壞；

h. 板式換熱器的密封墊片也是關(guān)鍵的零部件，取密封周邊的長(zhǎng)度是換熱面積的6～8倍。

綜上所述，防腐必須從設(shè)計(jì)時(shí)就開始考慮，通過了解腐蝕的機(jī)理、腐蝕的類型和腐蝕的危害，在具體的應(yīng)用上做出相應(yīng)的對(duì)策，這樣就可以將腐蝕降到最低的程度。同樣，板式換熱器在具體的應(yīng)用中會(huì)涉及到換熱器冷卻水系統(tǒng)中結(jié)垢和腐蝕兩種情況，它們之間并不是單獨(dú)各自作用而是相互作用、相互影響的。板式換熱器所受到的損害也不是由單一因素引起的，結(jié)垢可以導(dǎo)致腐蝕，腐蝕也能夠造成污垢。所以，防污垢和防腐蝕應(yīng)該同時(shí)到位，只有綜合考慮了這些因素，才能使板式換熱器在解凍水介質(zhì)中不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的腐蝕和結(jié)垢現(xiàn)象。

4 焊接式板式換熱器

焊接式板式換熱器有半焊式、全焊式和組件式。板式換熱器通常為散裝形式，且所承受的壓力小、溫度低。半焊接式在一對(duì)板片的密封處進(jìn)行焊接，再用密封墊片進(jìn)行組裝，這種形式可以用化學(xué)方法清洗但不可進(jìn)行機(jī)械清洗；組焊式是將一些板片進(jìn)行焊接，再用密封墊片組裝，可承受較大的壓力和較高的溫度，但要求介質(zhì)干凈；全焊式是將所有板片焊接在一起，對(duì)介質(zhì)要求比較苛刻，必須是不容易結(jié)污垢的介質(zhì)，當(dāng)然其優(yōu)點(diǎn)也顯而易見，能夠承受高溫高壓，而且墊片不會(huì)泄漏[29]，高溫高壓的優(yōu)點(diǎn)可使其用于解凍水介質(zhì)的換熱。筆者重點(diǎn)介紹半焊和全焊接式換熱器。

4.1半焊式板式換熱器

對(duì)于半焊式換熱器來說，焊接在一起的板間通道走壓力較高的流體，用墊片密封的板間通道走壓力較低的流體，因此半焊式換熱器提高了一側(cè)的工作壓力。此外，這種結(jié)構(gòu)能夠讓流體很容易就達(dá)到湍流狀態(tài)，容易傳熱，這也是這種換熱器高效、緊湊的原因所在。焊接在一起的板片可走腐蝕性的流體，增加了其適用范圍。其板片焊接方式如圖3所示。

圖3 半焊式板式換熱器

4.2全焊式板式換熱器

對(duì)于全焊式板式換熱器來說，由于板片互相焊接在一起，因此特別適用于高溫、高壓下工作，較其他換熱器有較大的傳熱優(yōu)勢(shì)，在較低的雷諾數(shù)下就能達(dá)到湍流，污垢熱阻較小，不會(huì)有液體滯留，便于檢修、不存在流動(dòng)死區(qū)，由于不用密封墊片則耐熱耐壓能力強(qiáng)，不過全焊式板式換熱器結(jié)構(gòu)制造困難，板片破損后也無法修理。其板片焊接方式如圖4所示。

圖4 全焊式板式換熱器

綜上所述，焊接式換熱器比起常規(guī)換熱器能夠承受更高的溫度和更高的壓力，不過也要求流體介質(zhì)不易結(jié)垢，所以在用于解凍水能量回收時(shí)，釬焊式需要慎重選擇。

5 結(jié)束語

雖然板式換熱器具有某些優(yōu)異的性能，但尚存在一些問題，有待今后加以妥善解決。板式換熱器的進(jìn)一步發(fā)展方向，將是提高操作溫度和操作壓力、設(shè)計(jì)大型板片、增大處理量、擴(kuò)大適用范圍，并采用新的結(jié)構(gòu)材料和新的制造工藝。在用水產(chǎn)品解凍水作為換熱介質(zhì)時(shí)，使用尺寸更小、結(jié)構(gòu)更緊湊的換熱器會(huì)提高其換熱效率，使用時(shí)還應(yīng)充分考慮換熱器防結(jié)垢和防腐蝕的問題，經(jīng)對(duì)比分析，選用板式換熱器作為解凍水能量回收的換熱器性能更優(yōu)。

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HeatExchangerSelectionforThawingWaterRecoveryofAquaticProducts

YANG Jun-wei, JIN Tao

(InstituteofChemicalMachineryEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)

Considering the thawing water recovery of aquatic products, both tubular and plate heat exchangers were compared; and the plate heat exchanger’s working principle and application range were introduced, including both fouling and corrosion matters which troubling heat exchangers. The welded plate heat exchanger was discussed to select the plate heat exchanger as the one for the thawing water recovery of aquatic products.

plate heat exchanger, thawing water recovery of aquatic products, fouling, corrosion

*浙江省公益技術(shù)應(yīng)用研究項(xiàng)目(2013C31SAA00013)。

**楊俊威，男，1989年1月生，碩士研究生。浙江省杭州市，310027。

TQ051.5

A

0254-6094(2015)01-0001-06

2014-04-10，

2015-01-08)