u形管式换热器
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板式换热器中污垢系数与面积余量的分析与选取点击：2053 日期：[ 2014-04-26 21:14:34 ] |
| 板式换热器中污垢系数与面积余量的分析与选取 何满红 王晓晨 兰州兰石换热设备有限责任公司 【摘要】板式换热器作为一种高效节能的换热产品已经广泛应用于各行各业中，针对不同的行业和用途，在设计选择方案是会面临各种各样不同的工作介质，因此针对不同的工作介质，如何选取板式换热器污垢系数或面积余量成为每一个设计者必须面对的课题。现将一些产品设计方面的体会拿出来与大家共享。 【关键词】板式换热器污垢系数面积余量 一、板式换热器设计过程中污垢系数与面积余量二者的关系和区别 说到污垢系数首先要讲一下污垢是如何形成的。结垢是换热器运行中最为常见的一个问题。结垢是指工作介质在经过换热器长期流动过程中，含有的杂质和钙镁离子固化后在换热器表面附着沉积，从而在换热器表面形成一层污垢，进而阻碍能量通过换热壁面进行传递。污垢可以降低换热效率，阻碍介质流动，并会增大换热器压降。考虑到多方面的操作问题，在设计阶段必须适当的考虑换热表面会形成结垢的因素，才有可能将污垢的影响降至最低，从而尽可能延长换热器使用周期。 通常在设计一台换热器运行一段时间可能产生的污垢时，设计者采用污垢系数来表示污垢对换热器整体使用效果的影响，从而提高换热器的寿命，运行时间和效率。这通常会增加换热器的面积。在很多应用中，比如一些工作介质因为含有一些杂物而不是特别干净，又要长期连续运行。换热器会连续使用很长的周期而不进行清洗。这就意味着换热器必须长时间保持工作效率。我们只有通过提高换热器的设计污垢系数来补偿污垢的影响，使得换热器在结垢的状态下仍能有效工作到预期的时间。 面积余量则是板式换热器中一种表示富裕面积的度量。与污垢系数相比更能直接表示设计者进行方案设计的意图，直观地表达了该设计方案预留了多少的操作空间。总的来讲，它比规定一个污垢系数更为有效。这种污垢系数常用在管壳式换热器中，但对板式换热器，往往引起误解。 因此，简单的说，面积余量和污垢系数对换热器而言表达了同样的内容，只是表达的方式和侧重点不同，但切记不要二者同时考虑（个别案例除外）。污垢系数对管壳式换热器更容易表达设计者的意图。在管壳式换热器中，污垢系数通常用来补偿污垢产生的影响。由于比较低的内部流速，平整的管壁无法在低流速时形成非常好扰动状态，因此管壳式换热器更容易结垢，而结垢也是影响管壳式换热器设计面积的主要因素。对于结垢或损坏的管子，一般采用焊接或机械堵塞的方法修补破损的中的个别管束。在换热器的整个使用寿命中，会有越来越多的管束被封堵，直到其性能降至不可用。因此，会准备大量多余的管子以保证换热器的寿命。 而对板式换热器而言，因为其自身的优势，拆装比较方便，不象管壳式换热器那样一旦管束结垢堵塞或破损只能靠堵死该流道来避免使用事故。板式换热器则可以在结垢比较严重或板片出现破损的情况下拆开清理垢层或换掉破损的板片即可。所以说板式换热器无需靠增大过多的富裕面积来满足实际使用工艺，另外过多的富裕面积还会增大换热板片表面结垢的倾向。增加的板片越多，流经换热板片表面的流速就会越低。板式换热器相比比管壳式换热器而言，在相同的条件下能够达到更好的内部湍流效果，因为其换热板片是由模具压制出来的带有一定深度和角度的波纹板片，两片换热板会组合出带有无数触点的流体通道，这样工作介质在里面以一定的流速流动时会加强扰动，形成非常好湍流效果，产生一种自清洗效果，这也是板式换热器总体来说不易结垢的原因。当因为考虑污垢系数而加大换热面积，换热板片内部流速降至非常低时，板间的流动状态就会由湍流状态变成层流状态，这时自清洗功能就会丧失，反而使得板式换热器更加容易结垢，进一步影响实际使用效果。这里举个例子，美国管式换热制造商协会（TEMA）规定的一种冷却塔管壳式换热器污垢系数为0.001m2·℃/W时，相当于板式换热器需要增加大约75%的面积。这会导致板式换热器非常低的板间流速，进而致使更大的结垢倾向。而实际使用中在必要时我们还可以替换和清洗单个的板片，过多的面积则没有太多必要，这只会增加板式换热器的成本。另外，过多的换热面积还会增加设备维修的频率。 二、板式换热器设计过程中对污垢系数或面积余量的选取原则 上面详细讨论了污垢系数和面积余量对换热器的影响和作用，尤其论述了二者对板式换热器的影响和作用。说到在板式换热器设计过程中考虑污垢的影响，就要了解结垢的类型和特点，然后针对不同类型分别考虑其影响。结垢有多种类型，每种污垢的形成都取决于流体和工艺的类型。以下是几种比较常见的结垢理论： “结晶”是最为常见的一种结垢形式。自然水中含有盐份随着温度的降低，溶解度逐渐增大。因此，当自然水在换热过程中被加热时，这些溶解的盐就会在表面结晶。通常解决方法：降低换热器壁面温度会软化沉积物。“沉积”也是比较常见的形成污垢的方式，如果工作介质中含有灰尘、泥沙、铁锈等其它小物体沉淀，也会在通道壁长期附着形成垢层。常见的解决办法是通过换热器的流速设计可以在某种程度上加以控制。［通常解决方法：控制流速］ “有机微生物的滋长”也是导致通道结垢堵塞的因素，常见的工艺是海水和其它介质换热时，其含有的有机微生物会在通道壁面附着滋生，积累到一定程度会形成垢层进而导致板片严重损坏。［通常解决方法：合理选择材料和考虑其形成污垢造成的影响］“化学反应焦化”即出现在高温下碳化氢的沉淀。这种结垢现象主要发生在制糖工艺和粮食深加工及食品等行业，由于这些工艺中换热介质一般粘度比较大，固体含量较高，含糖量高等特点，在换热过程中壁温较高一些，往往会出现焦化结疤的情况。［通常解决方法：降低流体和换热器表面之间的温度］“腐蚀”也可以归结为局部结垢造成的板片失效现象，主要是破坏换热器的板片表面结构，造成设备使用失效重大损失。除非得到合理解决，否则会降低热量交换并损坏设备。 ［通常解决方法：合理选择材料］ “冻结”———换热器表面的过冷导致一些流体流动部分的凝固。主要是低温状态下板壁表面的温度低于工作介质的冷凝点，就会出现冻结结垢的现象。［通常解决方法：降低流体和换热器表面的温度梯度］了解到换热器使用过程中可能出现的结垢情况，我们就要在设计和使用过程中尽可能使得产品避免结垢或结垢最小化。因此在进行板式换热器方案设计时，有一个原则就是设计时要尽可能的降低结垢的影响，尽可能在实际操作过程中使得结垢最小化。 设计时要尽可能的降低结垢的影响在一台指定的换热器中，当设计者需要算出期望的结垢数量时，可以采用很多方法进行调节。 （1）高程度的湍流可以阻止换热器表面的沉积，还可以帮助清洗任何污垢。所以确保设计足够高的速率以减轻结垢，但也不能太高以避免发生磨蚀现象。 （2）尝试保持整个换热器中相同的高速率可以避免沉积出现。尽量减少低速率区和滞流区死角的出现，避免局部结垢出现。 （3）应考虑设备清洗的频率，并尽量使清洗方便进行。 （4）对于板式换热器要选择合适的框架尺寸，以保证在由于结垢降低换热性能时，可以通过增加板片来增加换热面积。使用过程中使结垢最小化 结垢取决于换热器的类型和介质的种类。对于不同的设计和传热介质，各种换热器会有不同的结构形式。管壳式换热器中管程通常容易清洗，而壳程不易。板式换热器可以同时拆开两侧进行清洗。一些换热器可以在停机的每个晚上进行清洗，而有些换热器要隔几个月甚至一年才能清洗。为了降低换热器中的结垢程度，应尽可能的对设备进行清洗。如果板式换热器受到污垢的影响，在框架空间允许的情况下，可以增加多余的板片以重新得到要求的性能。 在掌握了上述板式换热器针对结垢的设计原则后，我们基本上可以对每一个具体的工艺条件和应用场合进行具体分析，选择合适面积余量，个人意见针对常见的水水换热器，板式换热器面积余量取10～15%足够了，一些比较纯净的介质如软化水蒸馏水等面积余量取0～5%；对于一些高粘度但比较干净的的介质，只要不含固体颗粒或粉末装物质，如一些润滑油和有机溶剂类介质，设计面积余量取15～20%足够；对于比较特殊的高粘度且含有部分固体颗粒的介质，则要比较慎重，首先确定该工艺能够使用板式换热器，然后再考虑设计余量的选择。在可以使用的情况下，则要考虑稍微大一些的面积余量，否则设备的清洗会非常频繁，如聚酯行业，由于工作介质里面含有大量的聚酯颗粒，因此设计方案要考虑30～50%的面积余量，才能保证设备较长时间的连续运行。当然板式换热器应用的情况非常复杂，也可以根据合适污垢系数来设计方案。下附针对不同工作介质板式换热器的污垢系数取值表仅供参考。 三、结束语 总而言之，随着板式换热器技术不断的发展，其应用领域和适用的工艺条件也在不断的更新的发展。设计者面临的问题也会千变万化，随时都会面对新的工艺或应用领域，因此设计方案也应该针对具体的工艺做针对性的改变，借鉴前人的经验固然重要，但在总结前人经验的基础上创新进取，继续拓展板式换热器的设计理念和应用实践更应该是我辈中人所为。 参考文献 ［1］杨崇林，张明石，王中铮等《板式换热器工程设计手册》，北京，机械工业出版社 ［2］GB 16409-1996，《板式换热器》 |
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