板式換熱器在電廠中的應用研究

任改霞 趙 鋒

(1．西安科技大學高新學院建筑與土木工程學院，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備，可實現(xiàn)工藝過程對介質(zhì)的特定溫度需求，它廣泛應用于電力、化工、石油、動力等工業(yè)領域，并在國家生產(chǎn)建設中占有重要地位［1］。換熱器的形式多種多樣，根據(jù)換熱器的結構進行分類，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)領域應用最為廣泛的應屬傳統(tǒng)的管殼換熱器，它具有結構簡單、制造容易、封閉性好的特點，但該型換熱器也同時具有換熱效果差、體積龐大、不易吊裝與運輸?shù)热秉c，非常不利于電廠裝置的集約化、小型化發(fā)展趨勢。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、結構緊湊、拆卸方便、板片品種多、使用范圍廣等特點［2，3］。近年來，板式換熱器技術也日趨成熟，其在電廠及相關領域的應用也不斷深入，為電廠工程節(jié)約了建設工期及運營成本。

目前，關于板式換熱器的設計、運行還主要依靠試驗研究，本文主要通過板式換熱器的工作原理、材料結構、傳熱計算原理及常見問題的處理方案，結合典型應用案例分析板式換熱器在電廠領域的實際應用。

1 結構及工作原理

板式換熱器根據(jù)使用裝配形式主要為懸掛式。懸掛式結構由波紋板片、密封墊、固定壓緊板、中間板、活動壓緊板、支架、上下定位導桿、壓緊螺栓等主要零件組成。常見的波紋板在板面上有四個角孔，板面之間通過密封墊片以隔離冷熱側流體，相鄰板片根據(jù)冷熱流體的逆向流動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)流動時形成湍流，從而獲得較高的傳熱效率。

圖1 板式換熱器的結構圖

2 傳熱計算

板式換熱器的設計計算常用方法有對數(shù)傳熱溫差法、ε—NTU法及熱混合設計法，但在實際計算中對數(shù)傳熱溫差法應用較為廣泛，其主要通過計算K及Δt對換熱量進行計算。

2．1 板式換熱器的傳熱系數(shù)計算式［4］

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

2．2 對流換熱特征數(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為流體運動粘度，m2/s;Pr為普朗特數(shù)，Pr=γ/a，a為熱擴散率，m2/s;μ和μw分別為對應流體特征溫度和板片壁溫下的流體動力粘度，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，通?？山普J為μ=μw;當流體被加熱時指數(shù)n取0．4，當流體被冷卻時指數(shù)n取0．3，根據(jù)文獻［5］，上述特征數(shù)方程可以分別寫為:

熱側:

冷側:

2．3 當量直徑

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分別為逆流換熱時冷熱量流體端部溫差的最大值和最小值。

3 電廠應用實例

以電廠某放熱水池的冷卻為計算實例，根據(jù)表1的三類冷卻需求，分別計算所選擇板式換熱器的實際換熱能力。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)及對數(shù)傳熱溫差方法的計算結果如表2所示。從試驗結果可以得出，當水池處于3種運行工況時，換熱器皆能滿足所產(chǎn)生的熱負荷。

表1 放熱水池冷卻工況

4 板式換熱器常見問題

板式換熱器作為電廠中熱交換設備，在使用過程中也會產(chǎn)生各類缺陷及問題，現(xiàn)對主要問題的原因及處理措施匯總如下:

1)接管法蘭部位的滲漏。原因分析:法蘭螺栓松動;密封墊錯位、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，檢查并進行替換安裝。

2)換熱板片間的滲漏。原因分析:壓緊板間距過小;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 計算結果

3)換熱板片與壓緊板之間的泄漏。原因分析:密封墊松動或破損;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;對換熱板片進行打壓試驗檢查，必要時更換板片。

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

5 結語

1)簡述了板式換熱器的主要特點、結構及工作原理。

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

3)分析板式換熱器在電廠應用過程中產(chǎn)生的常見問題，并提出各類問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)狀及進展［J］．冶金能源，2011，30(11):52-55．

［2］錢頌文．換熱器設計手冊［M］．北京:化學工業(yè)出版社，2002．

［3］祁玉紅．三種常用換熱器的比較［J］．青海大學學報(自然科學版)，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用研究［J］．中國核電，2008，3(3):270-275．