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板式换热器高效传热新思路点击：1942 日期：[ 2014-04-26 21:53:37 ] |
| 板式换热器高效传热新思路 王峰 天津滨海能源发展股份有限公司 【摘要】结合传热学的基本理论，对板式换热器的传热过程进行科学分析。提出了实现板换高效传热的新思路，即提高板换的过流速度。 【关键词】传热学 板式换热器 高效传热 过流速度 一、简介 间接连接的供热系统具有运行可靠，调节方便的特点，在我国已被广泛应用，天津开发区供热也是沿用这种方式。此种系统要求在一定的供暖区域内建立换热站，将由锅炉生产的一次热媒（蒸汽、热水）与二次热媒（采暖系统循环回水）进行换热，最终将升温的热媒供于用户。在这一环节中，存在较大的能耗，相应具有较大的节能潜力，对工艺的良性改进将产生巨大的效益。如何在已有的设备条件下，增强换热，节能降耗，是摆在我们面前的一个重要课题。 在换热站中换热器无疑是最重要的设备，它换热效率的高低直接影响着整个供热系统的热效率。经过实践检验，在众多形式的换热器中，板式换热器具有良好的传热性能和优越的流通性能。其传热效率高，结构紧凑，安装维修方便，可根据需要改变换热面积及流程组合，特别适用于集中供热，特别是水—水换热，应用的非常普遍。但是，在实际运行中，我们碰到了一些问题是值得研究和商榷的。比如，水在板换中的流速问题，在汽—水换热中如何利用板换等。本文将对以上问题展开讨论，以期更好的发挥板换高效传热的特性。 由于一次热媒分为水和蒸汽，我们必须对此分别讨论。 二、板式换热器原理 1、板式换热器的理论模型 对于板式换热器，如图一［1］，可以抽象为平壁换热。 2、分析 由传热学知识 由以上各式不难推断，所谓强化传热，是指提高换热设备单位面积的传热量（热流密度），使换热设备达到体积小、重量轻的目的，或是在已有的设备条件下，使热媒的流量减小，从而节约电能。 提高传热系数k，也就是降低单位面积的总热阻。一般板换换热面的厚度较小而导热系数λ较大，故要提高换热系数，必须增大换热壁两侧的对流换热系数α1、α2。 而α=Nufλf/D其中λ为水的导热系数，D为板换的定型尺寸，由理论和实验可知，当水的流动开始由层流向紊流过渡后，即Re≥2200后，Nu数随着Re数的增加而增加。而Re数的增加取决于水流速的增加，由此我们可以看出增大水的流速将是强化板换换热的重要手段。 三、板换在水-水换热中的换热效率提高方式 1、板换使用现状 从板换板型的强化传热方面看，国内的产品并不比国外产品差很多。但国内外相同传热面积允许带的采暖面积差很多，主要原因是设计指导思想问题。在国内设计人员中，普遍认为板换的一次侧压降不能超过0.07MPa。由于这一限制，板换内的水流速通常在0.2—0.3m/s之间。与这一流速相对应，传热系数只有2000-3000W/m2。由于传热系数选用过低，在传热面积估算时通常认为一平方米的传热面积只能供500平方米的住宅建筑面积。实际上国产板换，当水流速达到0.5—0.6m/s时，传热系数一般都能达到5000-6000W/m2［2］。也就是说按此作为运行参数指定的依据，1平方米的传热面积就可供800平方米以上的住宅建筑面积。 2、提高流速以增加板换传热系数 应该看到板换的最大优点就是高效传热，如果我们的板换不在5000~6000W/m2下运行，而是在2000~3000W/m2下运行，那就是舍其长而用其短，不但在技术上是不合理的，而且在经济上也是很大浪费。那么，板换的允许压降为什么不可以突破0.07MPa呢？比较流行的说法，是怕提高循环水泵扬程，增加电耗，也怕外网提供不了更大的资用压头。实际上这些担心是没有必要的。 首先，把供热系统看成一个整体，从系统设计水压图上分析，就能发现，随着热源的丰富，其一次外网的资用压头都有足够的富余。而在实际运行中，人们又常常看到，系统的末端热力站给不出足够的资用压头。这种设计工况和与运行工况的不一致，也就是水平失调，正是由于系统中上游的热力站实际压降过小，没有把多余的资用压头消耗掉的原因所致。这就造成了中上游各站瓜分下游站热媒的情况。从这个意义上讲加大供热系统中上游热力站的允许压降，不但可以增加板换流速、强化其传热性能，而且能够消除其多余资用压头。况且我们系统的水力平衡措施已增加很多，可以通过加装自力式平衡阀（可在一定压力范围内限制流量）［3］的方法进行系统控制，还可用中继泵对最不利路径采取局部改进的方法。 其次，至于说，增加板换的允许压降，一定要提高系统循环水泵扬程，这个问题值得商榷。由于一次网水平失调的存在，系统的压降较小，泵的工作点不在最佳范围内，适当的增加中上游压降将使工作点上移（如图二）［3］，这样足以改善循环水泵的有效功率，增加泵的效率。而且由于系统的水力失调得到控制，板式换热器换热的加强，使得一次热媒的需要量减小，可以达到节能的目的。因为泵轴功率与流量的三次方成正比，反之要消耗更多的电能。如一般3万平方米左右建筑面积的供热系统，循环水泵的电功率在15~30kW之间，若循环水量提高1.4倍，水泵的电功率则提高2.7倍，达41~82kW［3］。 从拆检后板换来看，那些流速高的换热器结垢量远小于流速较低的板换，前面理论模型中未考虑水垢热阻，但它在实际中往往是不可忽略的，我们提高板换中水的流速在很大程度上可抑制水垢的生成。综上分析，应该将板换的压降从目前0.07MPa，提高到0.1~0.12MPa，使板换的流速达到0.5~0.6m/s，传热系数为5000~6000W/m2。因此对于水—水换热工艺，可在实际运行中通过合理提高流速，强化传热。 四、板式换热器在汽—水换热工艺中的应用 1、单级汽水换热的缺点 对于汽—水换热的情况，由于蒸汽的压力和温度往往高于板换的耐温额定值，我们不能直接将其用于汽水换热。在传统设计中常用管壳式和螺旋板式进行此类换热，但由于它们的换热效率较低，一次热媒换热后形成凝结水温度往往在80摄氏度以上，而且含汽量较大，不利于冷凝水的回收和能源的节约。特别是在离热源厂较远的换热站，冷凝水只能排放于二次网的补水箱中，这部分热能只能散失到大气中。 2、单级汽水换热站改造方案 如果我们在原有换热器后串联板式换热器，将冷凝水作为它的一次热媒，对供热系统的回水进行预热，这样可节省大量能源。但由于管壳式和螺旋板式容易结垢，且由于调节需要，蒸汽的压力往往不是很高，冷凝水的流速受影响，预热过程往往不起很大作用。 可以利用蒸汽喷射泵解决此类问题，图三［4］为蒸汽喷射泵的构造简图与静压变化图。蒸汽喷射泵的工作介质是蒸汽，压力为P0的蒸汽在喷管中进行绝热膨胀后，以很高的流速vp从喷射口喷射出来，卷吸周围的被引射水，使被引射水具有一定的速度进入混合室，同时蒸汽凝结于水。在混合室入口处，水的速度场很不均匀，经过混合室使混合水的流速得以均衡，使压力从混合室入口压力P2升至混合室出口压力P3。再经过扩散管混合水压力升高至Pg流出喷射泵。喷射泵的造价较低，很适于对老站的改造，而且节能效果明显。 改造后的水水+汽水二级换热工艺如图四所示。进入汽水换热器的蒸汽分为两路，其一进汽水换热器，另一进入蒸汽喷射泵，作为抽引用汽，汽水混合后进入板式换热器进行第一级换热。以此方式可最大限度利用蒸汽所携热量，增加综合换热效率。 五、结论 应该充分利用板式换热器高效传热的特性。本文推导和论述了利用板式换热器增大换热效率的两种简单方法。通过作者所在单位的实际应用，经统计热效率平均提高8%左右，节约了能源，大大增加了供热的经济效益。 参考文献 ［1］俞佐平传热学高等教育出版社1988 ［2］石兆玉区域供热适合我国国情的热力站机组应有的性能特点二○○一年第三期 ［3］丁亦如区域供热供热（冷）系统中的水力失调与自力式流量控制器的应用96年第5期 ［4］哈尔滨建筑学院等供热工程中国建筑工业出版社1980 |
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