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第一章 板式換熱器的發展現況和展望


第一節 板式換熱器的發展現狀


一、板式換熱器的發展現況:


1、概述:


最近幾十年來板式換熱器發展很快,主要表現在以下幾個方面。





⑴ 板式換熱器的種類越來越多,技術性能越來越好,應用范圍越來越廣。





① 板式換熱器的種類:





從板式換熱器的連接方式上看:從可拆式板式換熱器發展到釬焊式板式換熱器。從半焊接式、全焊接式發展到板殼式換熱器。


從板片的形式上看:從對稱型發展到非對稱型。


從板片的流道上看:從對稱流道發展到寬窄流道、寬寬流道。


從板片波紋的深淺看:從波深為3~5mm的一般板發展到波深為2~2.5mm的淺密波紋板。





② 板式換熱器的技術性能越來越好





板式換熱器的設計溫度、設計壓力范圍。





工作溫度從可拆式的260℃發展到板殼式的1000℃。


工作壓力從可拆式型的2.5MPa發展到板殼式的8.0MPa。


傳熱系數從2000W/m2·k發展至12000W/m2·k。


最大當量直徑28mm。


最大可拆式單板換熱面積4.75m2。


最大焊接式單板換熱面積18m2。


最小釬焊式單板換熱面積0.006m2。


最大可拆式單臺換熱面積2500m2。


最大全焊式單臺換熱面積10000m2。


最大接管尺寸500mm。





③ 板式換熱器的應用范圍越來越廣(見表1-1)。





表1-1 各種類型板式換熱器的應用范圍





⑵ 板式換熱器向大型化、小型化、專業化、多元化、裝置化發展。





① 大型化





大型板式換熱器主要用于中央冷卻系統(以下簡稱CCS),該系統集中冷卻各種工廠使用的冷卻水,并作為發電廠軸承冷卻水的冷卻器。板式換熱器的容量與工廠的規模,工藝過程等有關,必要的冷卻水量從數千至數萬m3/h,大型板式換熱器可達數十萬m3/h,CCS中希望采用盡可能少的臺數進行處理,故要求采用大型板式換熱器,近幾十年,中東地區建設了許多具有世界級規模的LNG工廠,使用過去的冷卻塔的冷卻方式不能確保補給水,故希望變更為使用板式換熱器的CCS方式。過去發電廠使用S&T軸承冷卻水方式,但通過性能評價說明,板式換熱器在成本、傳熱性能、小型化及維護性等方面均具有明顯的優越性,因此需要將它們更換為板式換熱器的方式。如巴塞羅那論壇區能源系統采用的是垃圾利用(將巴塞羅那市區收集的垃圾進行厭氧分析,產生人造燃氣),廢熱發電(垃圾產生的燃氣加熱蒸汽鍋爐,驅動氣輪發電機,向論壇區及城市電網供電),發電余熱制冷(高壓蒸汽發電后衰減為低壓蒸汽,被送至遠大空調制造的吸收式制冷機加熱溴化鋰溶液,進行制冷),海水冷卻。設備設計容量:吸收式制冷機4×4500 kW;蒸汽—水板式換熱器4×5000 kW;蓄冷罐5053m3;海水板式換熱器4×12000 kW(每臺海水板式換熱器流量961m3/h,壓力降58kPa ),板片材料為鈦。海水冷卻板式換熱器(見照片1-1)。





上述用途的共同特征是以海水作為冷卻水的水源,在板式換熱器中使用海水的問題之一是防垢。今后,隨著CCS和電廠中的冷卻器采用板式換熱器不斷增長的要求,就必須研究海生生物附著在板片上后對傳熱性能的影響程度,并要了解板片的耐腐蝕性能。





a、耐海水性





使用海水時的防污問題,F在,作為防止海生生物附著的方法有往海水中連續注入通過電分解方法得到次亞鹽酸鈉(NaClO)的方法。實際運行說明,在使用海水的板式換熱器中連續注入次亞鹽酸鈉(0.9ppm)后進行測定,運行3個月后,其總傳熱系數沒有發生變化。在夏季海藻和貝類容易繁殖的時期,連續注入次亞鹽酸鈉也能確保傳熱性能不變。其它的方法還有,從環境保全上看,采用臭氧和熱水的防污也是有效的,但尚未進行實驗驗證和確立相應的技術方法。





b、耐腐蝕性





使用海水時,板片的材質一般為鈦板。鈦對海水具有優良的耐腐蝕性,從相關的耐腐蝕性資料可知,對于海水來說,即使至120℃,鈦板也不會腐蝕。此外,為了抑制海生生物的附著而注入的次亞鹽酸鈉還會產生一種堅固的非動態的膜,從而提高了鈦板的耐腐蝕性。使用丁腈類橡膠作為密封墊片,即使海水溫度達到80℃,也不會對它產生任何腐蝕。在耐熱性方面,當海水溫度低于60℃時,不會產生熱的劣化現象,能長期確保良好的密封性能。





c、大型板式換熱器的特性





·每臺板式換熱器的處理流量與板的角孔口徑有關,大型板式換熱器角孔的口徑為Φ500,每臺處理的流量為5000m3/h,與以往的所謂大型板式換熱器比較,所需臺數可以減少一半。其結果,換熱器用過濾器、安裝工程和管道的初投資,板的清洗和密封墊片的更換等維護費用均能明顯地降低,并且還能節省占地空間,以下通過一實例說明,現今大型板式換熱器與以往大型板式換熱器的比較(見表1-2),從臺數上看,大型機僅需2臺,而以往大型機要4臺; 從初投資上看,2臺大型機的投資 約比以往大型機大10%,但它的過濾器投資約為以 表1-2 與以往大型機的比較 往型的2/3,安裝工程約為一半,其總費用約能減少30%。從設置空間上看約能減少40%。即使設置1臺備用機,總費用也能減少15%,空間也能節省30%。在分解清洗方面,由于板片數少,人工費亦降低約30%。





·對海水的處理措施。 當海水中的海藻、貝類附著在板的內部或堵塞在角孔的附近時,會降低海水的流量,從而不能確保冷卻性能,故當海水從角孔到板的內部時,不應有突起的障礙物,使流路呈直線型,這是防止海生生物堵塞角孔的方法之一。為了驗證以上效果,對通過海水的大型板式換熱器進行測定,測試結果證明,當角孔附近附著很少量的藻類時,對流路的性能沒有影響。但為了保證板內流道的通暢,絕不允許通過直徑大于板間距的異物,故必須在進入換熱器前安裝過濾器。





d、高性能化





與以往板式換熱器比較,均勻流路無偏流是保持高性能的主要途徑。措施之一是在板內部的主傳熱面上設置偏流抑制板,使液體入口處的流路為最短,從而使主傳熱面為均勻流(見圖1-2)。其次,設計板片時,應使板中央部的流量增多,即要防止端部的流量增多。如前所述,由于防止偏流板能減少角孔的壓力降,因此,其傳熱性能比以往大型板約增加15~20%。





③ 超小型化


在選擇與使用條件相應的板式換熱器的尺寸時,必須考慮初投資和設置空間等問題。板式換熱器的市場之一是用在耗能量少的食品、醫藥流體的殺菌,少量流體的加熱/冷卻等用戶。為此,必須開發出超小型的板式換熱器,以適應產品多樣化,生產規模參差不齊的要求,并滿足耗能量少的熱能行業的要求。目前市場上超小型板式換熱器具有小型化、低成本、高性能、重量輕、生產快等優點。





a、換熱器的尺寸,最大的板片也僅相當于A4用紙的尺寸,重量每臺約20kg,可安裝在墻上。


b、標準板片數為12、24、36、48四類;板的材質為SUS316和鈦兩類;密封墊片為三元乙丙橡膠和硅橡膠兩類。


④專用化


a、用于食品流體的熱殺菌、加熱/冷卻工藝過程中的板式換熱器必須具備以下三個條件:提高生產率;確保衛生性;保障食品品質穩定性等。


b、食品專用板式換熱器是為了滿足上述三個條件而開發出的已商品化的板式換熱器,以它作為咖啡、調味液、醬油等殺菌器使用時受到了普遍的好評。


c、在設計食品專用板式換熱器時,應使板片內的流速分布均勻,為此,在板面上,即使是局部也不應該形成液垢,并能進行長時間的連續運行,目的是達到均勻的升溫/冷卻過程,提高制品的品質和保證質量的穩定。若采用CIP還能清洗板式換熱器的所有板面。


d、采用鑲嵌式結構的密封墊片,以適應新性能的要求,維護時間是原有裝置的1/2~1/3。





⑤ 多元化





a、全焊式板式換熱器


眾所周知,板式換熱器具有許多優越性,但由于存在如下問題,限制了它的應用范圍和發展,密封性較差,易泄露,需經常更換墊片,較麻煩,耐壓能力較低,一般約為1MPa;耐溫能力受墊片材料的限制;流道小,不適宜于氣—氣換熱或蒸汽冷凝;易堵塞,不宜用于含懸浮物質的流體等。隨著板式換熱器制造技術,板材質和焊接板的出現,克服了上述缺點,擴大了應用范圍。


在所有工業行業內實施節能的進程中,降低燃料費用是各企業急需解決的問題。廢氣、廢水熱回收是節能,降低燃料費的重要舉措之一,為了適應這種形勢,開發出了全焊接板式換熱器機組。








·形狀:組合了標準化的極薄平板的全焊接結構的錯流型的氣—氣(空氣)換熱器有兩種類型,即高溫型、低溫型。


·特征:機組組合而成,便于擴張,從小風量至大風量(60~300000Nm3/h),使用范圍廣;平板薄,效率高(溫度效率達80%以上);可以用于高溫(1000℃),高壓(30kPa)的氣體;全焊接氣密結構,不會混入排氣、臭氣;結構便于維護、清掃;根據使用溫度和氣體的種類選擇合適的材質。


·結構:為了承受高溫條件下的熱應力,將薄板加工成六角形狀的單體后組裝成機組,目的是分散熱應力,構成耐高溫的結構(見圖1-3)


·材質:S-TEN,S適合于溫度低于350℃的機組;鋁合金板適合于排氣溫度低于500℃的機組;SPCC適合于溫度低于200℃的機組;SUS系統應根據溫度、排氣的性質選擇其他非鐵金屬,如錫、銅。


·板厚:0.3~2.0mm(標準0.8mm,低溫用0.4mm)。


·耐壓:在600℃時為10kPa;在900℃時為5kPa。


·氣密性:T型為通過風量的0.001以下,用于脫臭;N型為通過風量的0.1%以下,一般用途;S型通過風量的1.0%以下。


·壓力降:高溫側、低溫側壓力降是不同的。高溫側(排氣)在僅依靠風機的機外剩余壓力和煙囪的引力條件下,允許值為50Pa以下。


·最高使用溫度:與受熱側的回收溫度和操作壓力有關,但可達到1000℃。


·排氣中的粉塵濃度:當排氣通路為單流程時,由于傳熱面為平板,故很難堵塞,粉塵濃度約為0.1~0.5g/Nm3。





·流向(流程方向):原則上可自由設計,事前可與用戶協商,進行最優設計。


·互換性:當機組需要更換某些部件時,機組的結構應便于更換。


·布置:可縱向、橫向或水平設置。


·保溫:外型便于保溫,一般采用板式保溫,便于維護。最近,已經開發出利用排氣預熱鍋爐給水的低壓損機組裝置。目前,全焊式板式換熱器用于鋼鐵、石油、鍋爐等行業,并已取得了很大的成績。





b、板式錯流型換熱器





·板式錯流型換熱器是一種結構簡單,具有彈性密封、傳熱面不焊接和應用范圍廣等優點。


·原理結構:在鋼結構的固定框架中,將每1片傳熱板成90度逐一重合而成。排氣從垂直方向通過傳熱板,空氣從水平方向通過。(見圖1-4)


·特點:傳熱板通過彈性密封組合而成,能自由地吸收熱膨脹,故能滿足溫度變化形成的應力變化的要求,幾乎不發生泄漏問題;由于傳熱面不焊接,可根據對象溫度的變化,選擇許多合適的材料,其適用范圍,從氧露點以下的低溫至1000℃左右的高溫(見圖1-5);為了防止排氣中粉塵產生的磨損和堵塞問題,采取了許多相應措施?山M合數個至數十個,故處理量非常大,可作為大容量的空氣預熱器。










 

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