|
系统工况对板式换热器传热性能的影响
工程师 胡 峰
天津市换热装备总厂(天津300241)
摘要：就不同系统工况对板式换热器传热性能的影响,以及不同结构板式换热器如何适应于系统工况,从而产生不同的传热效果等问题进行了分析,指出系统工况影响换热器传热性能的原因,并提出解决问题的办法。
关键词：板式换热器 传热性能 工况 影响
分类号：TQ 051·5
我国自本世纪60年代开始研制板式换热器, 80年代中期板式换热器用于供热系统中,随着我国集中供热系统的不断扩大, 对板式换热器的需求量越来越大。我国目前生产的板式换热器的形式还比较单一,在实供热系统中运行的换热器还存在许多问题。笔者认为,目前的主要问题是绝大多数供热工况中,板式换热器的效果得不到充分发挥。下面就讨论这个问题,并就目前解决此问题的一些办法进行分析和比较。
1 传热效果不佳的原因
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。我国一般采用的一次热媒温度为 130~80℃或110~80℃,二次热媒温度为 95~70℃,近几年多采用60~50℃为二次热媒温度。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 系数K值,进而影响换热器的传热效果。有一实用工况为:一次热媒温度130~ 80℃,二次热媒的温度95~70℃,热负荷 Q=1 000 kW。在一特定普通板式换热器内,一次侧的板间流速w1=0·2 m/s,二次侧板间流速w2=0·4 m/s。而一次热媒对流换热 系数α1=8 964 W/ (m2·K),二次热媒的对 流换热系数α2=13 362 W/ (m2·K)。此时换 热器传热系数K=4 248 W/ (m2·K)。假设 w1=w2=0·4 m/s,选用一适合本工况的换 热器,其α1= 13 528 W/ (m2·K),α2= 13 362 W/ (m2·K),此时换热器的传热系数 K=5 056 W/ (m2·K),这两种情况换热器阻力降Δp值的在允许范围内。但后者比前者的传热系数增加19%。
由此可以看出,现生产的板式换热器在大多数供热工况中传热效果得不到充分发挥, 这是目前供热系统中存在的主要问题。
2 几种典型的解决办法
2·1 合理设计换热器的流程
合理设计换热器的流程对换热器的热工性能有很大的影响,若流程设计合理,在相 同热负荷下,可得到较小的换热面积,这样就节省了设备投资。下面我们看一实际供热运行工况:一次热水温度110~80℃,二次热水温度60~50℃,热负荷Q=1 000 kW。 若选用天津市换热装备厂生产的BR0·2型板式换热器,通过设计不同的流程形式,可得到换热器不同的传热性能,见表1。
此例表明,在同一负荷下选择不同的流 程可节约设备投资25%。然而多流程设计 会导致:①冷热介质进出口接管只能安装在 固定板和活动板两侧,从而给换热器的安装 维修带来不便。②由于热介质采用了多流 程,流体阻力增加,相对设备运行费用增 大。③冷热介质在板间非全部逆流,影响换 热效果。④采用多流程极易造成板间通道堵 塞,不利于整机运行。
2·2 采用不等截面板式换热器
针对多流程设计中存在的弊端,可采用冷热流通截面不等的板式换热器。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,可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。目前,这是不等温差传热中用普通板式换热器传热效果不佳时最理想的一种解决办法。
这种换热器的结构,见图1。它是由A板和B板两种不同形状的板型组成的,见图2。A板正面与B板反面形成大的流通截面F1,A板的反面与B板的正面形成小的流通截面F2, F1∶F2=C。调整C值就能使板式换热器得到合理的冷热对流换热系数 α1,α2值,从而使板式换热器K值达到一个合理的值。
下面再讨论一个实际供热的工况,即对不等截面板式换热器对供热工况的适应性进 行分析。工况参数为:一次热水温度130~ 80℃,二次热水温度95~70℃。一次热水的体积流量V1与二次热水的体积流量V2 之比为1∶2,对此工况,应将板式换热器的流 通截面积之比定为:F′1∶F′2=1∶2。如此就能保证此工况下换热器冷、热两侧板间流速 w1′=w2′,且能使其对流换热系数α1、α2和 阻力降Δp1′、Δp2′保持在合理范围内。对以上工况的普通板式换热器与不等截面板式换热器作一比较。假设普通板式换热 器单通道冷热流通截面积之和(F1+F2),与 不等截面板式换热器单通道冷热流通截面积 之和(F′1+F′2)相等,即(F1+F2)=F′1+F′2 =2F,故F1=F2=F,而F′1=(2/3)F,F′2= (4/3)F。由传热学和流体力学可知,流体在换热器内流动时,流体与换热面间的对流换热系数α与流道阻力可用如下准则方程表示:
式中 Nu———努谢尔数,Nu=αde/λ
Re———雷诺数,Re=wde/λ
Pr———普朗特数
Eu———欧拉数,Eu=Δp/(ρw2)
de———换热器单通道当量直经,m
Δp———流体阻力降,MPa
w———流体在换热器板间流速,m/s
ρ———流体密度,kg/m3
λ———流体热导率,W/(m·K)
υ———流体的运动粘度,m2/s
α———流道内流体与壁面间的对流
换热系数,W/(m2·K) C,C1,n,n1为常数。
由式(1)和式(2):
我们知道,当流体流经某一型号板所组成的通道时,若流体体积流量V和进出口温度T不变,则Re与Pr亦不变。本工况若选用普通板式换热器,则一次侧的α与Δp为:
由式(15)、式(16)可看出,在同一工况下,对冷热两侧流通截面积之和相等的普通型和不等截面型板式换热器来说,后者一次侧的对流换热系数α1′比前者对流换热系数α1提高50%,由此使板式换热器的传热性能 大大提高。尽管一次侧的阻力比普通板式换热器高2·25倍(式(16)),但由于原普通板式换热器的阻力极低,故现阻力的增加也不会超过系统允许的阻力值,且与通过设计多流程来改变传热效果的换热器相比,其阻力增幅也不算大。
至此笔者认为,由于绝大多数供热工况都是不等温差传热的,即冷热两侧处理量是不等的,所以不等流通截面板式换热器在供热中是一种较理想的换热设备,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。建议生产厂家积极开发此类产品。
2·3 进出口加旁通管
在换热器进出口间加一旁通管的形式, 见图3。通过控制调节阀的开度和进换热器的水量,可满足系统对换热器阻力的要求,并用流经旁通管的水与换热器出口的水混合达到系统要求的供水温度。此装置是对普通板式换热器在不等温差传热工况下,由于大处理量侧阻力过大而不得不加大换热器传热面积的一种缓解措施。它只能用于普通换热器 的大端差值传热工况,且是以消耗换热器内 部传热驱动力为代价的。从以下的实际供热工况中可以看到这一点。
例如某一供热工况,一次热水的温度为 130~80℃,二次热水温度95~70℃。现采 用一具有合理板型的不等截面板式换热器 其对数平均温差Δtm1为20℃。
若采用在普通板式换热器上加旁通装 置,则可确定流经换热器内流体一次侧的温度为:130~80℃,二次侧的温度为120~ 70℃,其对数平均温差为:
Δtm1=〔(T1- t2)+(T2- t1)〕/2=
〔(130-120)+(80-70)〕/2=10 (17)
从式(17)与式(18)可看出,采用加旁通管的板式换热器比采用不等截面板式换热器 时的对数平均温差减少了50%。在两台换 热器(即不等截面板式换热器和加旁通管的普通板式换热器)内所完成的传热量Q是相等的,即Q=Q1=Q2,传热系数K值亦应近似相等。而对具有合理板型的不等截面板式换热器,其阻力值应在一合理范围内。由传热系数K的公式可知:
由此可知,对本工况选用加旁通管装置的普通板式换热器,比选用具有合理板型的不等流通截面的板式换热器的换热面积增加 100%,即选用加旁通管的板式换热器是选用具有合理板型的不等截面板式换热器投资的 2倍。笔者认为,在供热系统中,这种旁通装 置只能作为冷热介质处理量相差较大时对通用性较强的板式换热器用于系统中的一种缓解措施,它不能代替不等截面板式换热器在 供热系统中的作用。随着换热器品种的增多,及其对工况适应性的增强,这种装置在与板式换热器配套使用中将失去它的作用。
3 结语
系统工况对板式换热器影响很大,其主要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。上述列出的3种解决办法中,笔者认为第2 种(在绝大多数传热工况中采用不等流通截面板式换热器)是目前最理想的解决办法,应推广使用。总之,在今后板式换热器的开发、设计及生产中,应尽可能使板式换热器的结构适应系统对工况的要求,以减少或消除系统工况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、节约投资以及提高经济效益的目的。
参 考 文 献
1 汤蕙芬,范季贤·城市供热手册·天津:天津科学技术 出版社,1992·48~68
2 天津大学化工原理教研室·化工原理·天津:天津科学 技术出版社,1983·277~315
|
