系統(tǒng)工況對板式換熱器傳熱性能的影響

   摘要：就不同系統(tǒng)工況對板式換熱器傳熱性能的影響,以及不同結構板式換熱器如何適應于系統(tǒng)工況,從而產生不同的傳熱效果等問題進行了分析,指出系統(tǒng)工況影響換熱器傳熱性能的原因,并提出解決問題的辦法。
    關鍵詞：板式換熱器　傳熱性能　工況　影響
    分類號：TQ 051·5
    我國自本世紀60年代開始研制板式換熱器, 80年代中期板式換熱器用于供熱系統(tǒng)中,隨著我國集中供熱系統(tǒng)的不斷擴大, 對板式換熱器的需求量越來越大。我國目前生產的板式換熱器的形式還比較單一,在實供熱系統(tǒng)中運行的換熱器還存在許多問題。筆者認為,目前的主要問題是絕大多數供熱工況中,板式換熱器的效果得不到充分發(fā)揮。下面就討論這個問題,并就目前解決此問題的一些辦法進行分析和比較。
    1　傳熱效果不佳的原因
    在供熱系統(tǒng)中,換熱器的主要功能就是為用戶制備熱水。其熱源來自于熱網或集中鍋爐房。我國一般采用的一次熱媒溫度為 130~80℃或110~80℃,二次熱媒溫度為 95~70℃,近幾年多采用60~50℃為二次熱媒溫度。由于一次熱媒側與二次熱媒側的溫差不同,所以在換熱器內冷、熱兩側的介質處理量不同,溫差大的一側介質處理量小,而溫差小的一側介質處理量大。因而導 致了冷熱介質在換熱器板間流速不等,即一側流速高一側流速低。流速高的一側其介質對流換熱系數α就大,而流速低的一側對流換熱系數就小。當冷熱介質的對流換熱系數α1與α2相差較大時,就會影響設備的傳 系數K值,進而影響換熱器的傳熱效果。有一實用工況為:一次熱媒溫度130~ 80℃,二次熱媒的溫度95~70℃,熱負荷 Q=1 000 kW。在一特定普通板式換熱器內,一次側的板間流速w1=0·2 m/s,二次側板間流速w2=0·4 m/s。而一次熱媒對流換熱 系數α1=8 964 W/ (m2·K),二次熱媒的對 流換熱系數α2=13 362 W/ (m2·K)。此時換 熱器傳熱系數K=4 248 W/ (m2·K)。假設 w1=w2=0·4 m/s,選用一適合本工況的換 熱器,其α1= 13 528 W/ (m2·K),α2= 13 362 W/ (m2·K),此時換熱器的傳熱系數 K=5 056 W/ (m2·K),這兩種情況換熱器阻力降Δp值的在允許范圍內。但后者比前者的傳熱系數增加19%。
    由此可以看出,現生產的板式換熱器在大多數供熱工況中傳熱效果得不到充分發(fā)揮, 這是目前供熱系統(tǒng)中存在的主要問題。
    2　幾種典型的解決辦法
    2·1　合理設計換熱器的流程
    合理設計換熱器的流程對換熱器的熱工性能有很大的影響,若流程設計合理,在相 同熱負荷下,可得到較小的換熱面積,這樣就節(jié)省了設備投資。下面我們看一實際供熱運行工況:一次熱水溫度110~80℃,二次熱水溫度60~50℃,熱負荷Q=1 000 kW。 若選用天津市換熱裝備廠生產的BR0·2型板式換熱器,通過設計不同的流程形式,可得到換熱器不同的傳熱性能,見表1。
                  
    此例表明,在同一負荷下選擇不同的流 程可節(jié)約設備投資25%。然而多流程設計 會導致:①冷熱介質進出口接管只能安裝在 固定板和活動板兩側,從而給換熱器的安裝 維修帶來不便。②由于熱介質采用了多流 程,流體阻力增加,相對設備運行費用增 大。③冷熱介質在板間非全部逆流,影響換 熱效果。④采用多流程極易造成板間通道堵 塞,不利于整機運行。
    2·2　采用不等截面板式換熱器
    針對多流程設計中存在的弊端,可采用冷熱流通截面不等的板式換熱器。通過調整換熱器冷熱兩側的流通截面積來調節(jié)兩側的板間流速,可提高介質處理量小的一側的對流換熱系數α值,從而達到提高整機傳熱效果的目的。目前,這是不等溫差傳熱中用普通板式換熱器傳熱效果不佳時最理想的一種解決辦法。
    這種換熱器的結構,見圖1。它是由A板和B板兩種不同形狀的板型組成的,見圖2。A板正面與B板反面形成大的流通截面F1,A板的反面與B板的正面形成小的流通截面F2, F1∶F2=C。調整C值就能使板式換熱器得到合理的冷熱對流換熱系數 α1,α2值,從而使板式換熱器K值達到一個合理的值。
                     
                     
    下面再討論一個實際供熱的工況,即對不等截面板式換熱器對供熱工況的適應性進 行分析。工況參數為:一次熱水溫度130~ 80℃,二次熱水溫度95~70℃。一次熱水的體積流量V1與二次熱水的體積流量V2 之比為1∶2,對此工況,應將板式換熱器的流 通截面積之比定為:F′1∶F′2=1∶2。如此就能保證此工況下換熱器冷、熱兩側板間流速 w1′=w2′,且能使其對流換熱系數α1、α2和 阻力降Δp1′、Δp2′保持在合理范圍內。對以上工況的普通板式換熱器與不等截面板式換熱器作一比較。假設普通板式換熱 器單通道冷熱流通截面積之和(F1+F2),與 不等截面板式換熱器單通道冷熱流通截面積 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。由傳熱學和流體力學可知,流體在換熱器內流動時,流體與換熱面間的對流換熱系數α與流道阻力可用如下準則方程表示:
                     
    式中　Nu———努謝爾數,Nu=αde/λ
    Re———雷諾數,Re=wde/λ
    Pr———普朗特數
    Eu———歐拉數,Eu=Δp/(ρw2)
    de———換熱器單通道當量直經,m
    Δp———流體阻力降,MPa
    w———流體在換熱器板間流速,m/s
    ρ———流體密度,kg/m3
    λ———流體熱導率,W/(m·K)
    υ———流體的運動粘度,m2/s
    α———流道內流體與壁面間的對流
    換熱系數,W/(m2·K) C,C1,n,n1為常數。
    由式(1)和式(2):
                 
    我們知道,當流體流經某一型號板所組成的通道時,若流體體積流量V和進出口溫度T不變,則Re與Pr亦不變。本工況若選用普通板式換熱器,則一次側的α與Δp為:
                
    由式(15)、式(16)可看出,在同一工況下,對冷熱兩側流通截面積之和相等的普通型和不等截面型板式換熱器來說,后者一次側的對流換熱系數α1′比前者對流換熱系數α1提高50%,由此使板式換熱器的傳熱性能 大大提高。盡管一次側的阻力比普通板式換熱器高2·25倍(式(16)),但由于原普通板式換熱器的阻力極低,故現阻力的增加也不會超過系統(tǒng)允許的阻力值,且與通過設計多流程來改變傳熱效果的換熱器相比,其阻力增幅也不算大。
    至此筆者認為,由于絕大多數供熱工況都是不等溫差傳熱的,即冷熱兩側處理量是不等的,所以不等流通截面板式換熱器在供熱中是一種較理想的換熱設備,是目前大多數供熱工況中傳熱效果不佳最理想的解決辦 法。建議生產廠家積極開發(fā)此類產品。
    2·3　進出口加旁通管
    在換熱器進出口間加一旁通管的形式, 見圖3。通過控制調節(jié)閥的開度和進換熱器的水量,可滿足系統(tǒng)對換熱器阻力的要求,并用流經旁通管的水與換熱器出口的水混合達到系統(tǒng)要求的供水溫度。此裝置是對普通板式換熱器在不等溫差傳熱工況下,由于大處理量側阻力過大而不得不加大換熱器傳熱面積的一種緩解措施。它只能用于普通換熱器 的大端差值傳熱工況,且是以消耗換熱器內 部傳熱驅動力為代價的。從以下的實際供熱工況中可以看到這一點。
                     
    例如某一供熱工況,一次熱水的溫度為 130~80℃,二次熱水溫度95~70℃。現采 用一具有合理板型的不等截面板式換熱器 其對數平均溫差Δtm1為20℃。
若采用在普通板式換熱器上加旁通裝 置,則可確定流經換熱器內流體一次側的溫度為:130~80℃,二次側的溫度為120~ 70℃,其對數平均溫差為:
    Δtm1=〔(T1- t2)+(T2- t1)〕/2=　
    〔(130-120)+(80-70)〕/2=10 (17)
    從式(17)與式(18)可看出,采用加旁通管的板式換熱器比采用不等截面板式換熱器 時的對數平均溫差減少了50%。在兩臺換 熱器(即不等截面板式換熱器和加旁通管的普通板式換熱器)內所完成的傳熱量Q是相等的,即Q=Q1=Q2,傳熱系數K值亦應近似相等。而對具有合理板型的不等截面板式換熱器,其阻力值應在一合理范圍內。由傳熱系數K的公式可知:
                    
    由此可知,對本工況選用加旁通管裝置的普通板式換熱器,比選用具有合理板型的不等流通截面的板式換熱器的換熱面積增加 100%,即選用加旁通管的板式換熱器是選用具有合理板型的不等截面板式換熱器投資的 2倍。筆者認為,在供熱系統(tǒng)中,這種旁通裝 置只能作為冷熱介質處理量相差較大時對通用性較強的板式換熱器用于系統(tǒng)中的一種緩解措施,它不能代替不等截面板式換熱器在 供熱系統(tǒng)中的作用。隨著換熱器品種的增多,及其對工況適應性的增強,這種裝置在與板式換熱器配套使用中將失去它的作用。
    3　結語
    系統(tǒng)工況對板式換熱器影響很大,其主要原因是板式換熱器結構對系統(tǒng)工況的適應問題,即不同的系統(tǒng)工況需要不同結構的板式換熱器,否則就不能達到最佳傳熱效果。上述列出的3種解決辦法中,筆者認為第2 種(在絕大多數傳熱工況中采用不等流通截面板式換熱器)是目前最理想的解決辦法,應推廣使用?？傊?在今后板式換熱器的開發(fā)、設計及生產中,應盡可能使板式換熱器的結構適應系統(tǒng)對工況的要求,以減少或消除系統(tǒng)工況對板式換熱器傳熱性能的影響,從而實現最佳傳熱,達到節(jié)能、節(jié)約投資以及提高經濟效益的目的。
    參　考　文　獻
    1　湯蕙芬,范季賢·城市供熱手冊·天津:天津科學技術 出版社,1992·48~68
    2　天津大學化工原理教研室·化工原理·天津:天津科學 技術出版社,1983·277~315