多段板式換熱器設(shè)計選型影響因素

黃 超，盧 奇，周 振，任向東，秦 妮，李安軍

(1 上海藍濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司，上海 201518;2 甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730070)

板式換熱器是工業(yè)傳熱過程中必不可少的設(shè)備，幾乎應(yīng)用于包括動力、化工、冶金、食品、輕工等一切工業(yè)部門；同時，也是空調(diào)、供熱中的重要組成部分；在可是續(xù)發(fā)展的國策下，它還是余熱利用、太陽能利用、海水利用、污水利用、地?zé)崂弥械年P(guān)鍵設(shè)備[1]。我國板式換熱器的研究、設(shè)計、制造開始于20世紀60年代。1965年，蘭州石油機械研究所根據(jù)一些資料設(shè)計、制造了單板換熱面積為0.52 m2的水平平直波紋板片的板式換熱器，這是我國首臺生產(chǎn)的板式換熱器。1974年該所制造了我國第一臺人字形波紋板片(單板換熱面積為0.3 m2)的板式換熱器，這對我國板式換熱器的發(fā)展起了重要作用。

1 多段板式換熱器

板式換熱器作為高效換熱設(shè)備，由于板與板之間的間隙小，流體以高速薄層通過，受熱時間短，不致有過熱現(xiàn)象產(chǎn)生，對熱敏性物料尤為適宜，所以它在食品、飲料行業(yè)中得到極為廣泛的應(yīng)用。至今它已廣泛應(yīng)用在乳品工業(yè)、啤酒、黃酒和果酒、冷食品和其他果汁飲料等工業(yè)部門[2]。隨著時間的推移，應(yīng)市場的需求，設(shè)計、研發(fā)、制造了多種多段板式換熱器，多段板式換熱器是可以提供三種以上介質(zhì)換熱使用，是將同一框架上的板束分為二段或多段，每一段分別供二種介質(zhì)進行換熱。具有供第三種介質(zhì)進、出的接口，并同各段或外部管道連接。每增加一種介質(zhì)，一般需增加一塊中間隔板；兩種介質(zhì)時，無需中間隔板。在多段板式換熱器分段處，需裝設(shè)具有加盲孔的特殊板片。

以下簡單介紹幾種多段板式換熱器：

1.1 二段板式換熱器

圖1 二段板式換熱器設(shè)備簡圖

二段板式換熱器一種介質(zhì)由N1口進，N2口出；第二種介質(zhì)由N3口進，N4口出；第三種介質(zhì)由N5口進，N6口出，設(shè)備由一張?zhí)厥獍甯魹?段。2段板式換熱器多用在一種介質(zhì)被二種介質(zhì)加熱或降溫工況。

圖2 二段板式換熱器流程圖

1.2 三段板式換熱器

圖3 三段板式換熱器設(shè)備簡圖

三段板式換熱器一種介質(zhì)由N1口進，N2口出；第二種介質(zhì)由N3口進，N4口出；第三種介質(zhì)由N5口進，N6口出，N5、N6口為增加中間隔板上開孔，設(shè)備由一張?zhí)厥獍甯魹閮啥危谌N介質(zhì)由N7口進，N8口出。三段板式換熱器多用在一種介質(zhì)被三種介質(zhì)加熱或降溫工況。

圖4 三段板式換熱器流程圖

1.3 四段板式換熱器

四段換熱器同三段換熱器原理一樣，并又增加了一塊中間隔板，可以實現(xiàn)一種介質(zhì)被四種介質(zhì)加熱或降溫工況。

圖5 四段板式換熱器設(shè)備簡圖

圖6 四段板式換熱器流程圖

2 影響多段板式換熱器設(shè)計選型因素

多段換熱器并不能當做多臺換熱器串聯(lián)在一起，因為有一種介質(zhì)需要流過每一段，這在計算選型時需要多考慮，和單段板式換熱器計算選型時注意的問題一樣，主要是板型選擇、阻力降校核、流程和流道的選擇。

2.1 板型選擇

首先根據(jù)物料的流量選擇合適的角孔以確定板型，一般可按角孔流速不超過4 m/s左右考慮。可在接管孔處變小，得到合適的流速，減少設(shè)備成本。然后確定單板面積，單板面積過小、則板片數(shù)目多，占地面積大，阻力降減少；反之，單板面積過大，則板片數(shù)目少，占地面積小，阻力降增大，但是難以保證適當?shù)陌彘g流速。要特別考慮當兩側(cè)介質(zhì)的量相差巨大時，板型的選擇[3]。

2.2 壓降校核

在板式換熱器的設(shè)計選型時,一般對壓降有一定的要求,所以應(yīng)對其進行校核。如果校核壓降超過允許壓降,需重新進行設(shè)計選型計算,直到滿足工藝要求為止。多段板式換熱器有一側(cè)介質(zhì)要經(jīng)過每一段，這側(cè)的介質(zhì)的壓降在設(shè)計時需要特別考慮，在隨著段數(shù)的增加，每段的允許壓降越來壓低。特別是四段的換熱器用在巴氏殺菌[4]工況下在經(jīng)過四段加熱的過程后還有一段回流的過程，每段允許壓降更低。在壓降校核的同時要注意進多段換熱器的進料泵的楊程，壓力降過大的話會出現(xiàn)物料打不過去的現(xiàn)象。

2.3 流程和流道的選擇

流程是指板式換熱器內(nèi)一種介質(zhì)同一流動方向的一組并聯(lián)流道，而流道則指板式換熱器內(nèi)，相鄰兩板片組成的介質(zhì)流動通道。在設(shè)計單段換熱器時可以將干個流道按并聯(lián)或串聯(lián)的方式連接起來,以形成冷、熱介質(zhì)通道的不同組合形式。盡量使冷、熱水流流道內(nèi)的對流換熱系數(shù)相等或接近時傳熱系數(shù)獲得較大值[5]。在設(shè)計多段換熱器的時也可以改變流程和流道獲得較大傳熱系數(shù)，但只限用于被加熱的介質(zhì)，因為改變流程時，介質(zhì)的出口位置不會在入口相同側(cè)，造成增加一塊中間隔板，造成成本增加而得不償失。各段的流道設(shè)計時盡量一致，保證物料的板間流速一致，減少換熱器的磨損[6]。

3 實例選型分析

下面以某三段預(yù)熱器計算說明多段預(yù)熱器設(shè)計選型注意的問題。

冷介質(zhì)：物料57600 kg/h，由50 ℃加熱到99 ℃；

熱介質(zhì)：1水13800 kg/h，83 ℃；

熱介質(zhì)：2水6990 kg/h，99 ℃；

熱介質(zhì)：3飽和水蒸汽，0.4 MPa；

最初設(shè)計的計算報告見表1。

表1 第1段換熱器工藝計算報告書

表2 第2段換熱器工藝計算報告書

續(xù)表2

操作壓力(進/出)/MPa0.50.49810.50.4045密度/(kg/m3)972.061184.8比熱/(J/(kg·℃)) 4193.7023194.202導(dǎo)熱系數(shù)/(W/(m2·℃))0.6730.661動力粘度/(Pa·s)0.00035430.0016396板間流速/(m/s)0.0850.576介質(zhì)傳熱系數(shù)/(W/(m2·℃))5318.3114197.78污垢系數(shù)/((m2·℃)/W)1.7E-51.7E-5所需熱負荷272015.24 kCal/h(316353.72 W)平均對數(shù)溫差/℃7.78實際面積/m215.54無垢傳熱系數(shù)/(W/(m2·℃))3400.9有垢傳熱系數(shù)/(W/(m2·℃))3044.75設(shè)備參數(shù)設(shè)備型號BR0.42H-1.0/150-16.38-E流程組合(1x19H/1x19H)+1總板片數(shù)/張39接管直徑/mmDN100DN100 接管流速/(m/s)0.251.72

表3 第3段換熱器工藝計算報告書

設(shè)計時考慮到第二段熱水的量相比較物料特別少，在選型時選單板面積較小的板型時，熱水流速過低，換熱效果差，最后蒸汽的消耗增大，所以選擇單板換熱面積比較大的BR042板型。選擇人字形波紋角大的H板可以得到更高的傳熱系數(shù)[7]，減小換熱面積。在設(shè)計時為了考慮蒸汽的消耗和設(shè)備成本沒有預(yù)留面積而導(dǎo)致壓力降增大，在校核過程發(fā)現(xiàn)由于物料粘度比較大，對物料阻力降影響比較大，有可能會導(dǎo)致物料打不過去，經(jīng)過重新調(diào)整設(shè)計，計算報告見表4、表5、表6。

表4 修改后第1段換熱器工藝計算報告書

表5 修改后第2段換熱器工藝計算報告書

續(xù)表5

密度/(kg/m3)971.981184.86比熱/(J/(kg·℃)) 4193.7923193.699導(dǎo)熱系數(shù)/(W/(m2·℃))0.6730.661動力粘度/(Pa·s)0.00035360.0016432板間流速/(m/s)0.0670.456介質(zhì)傳熱系數(shù)/(W/(m2·℃))4509.2812017.54污垢系數(shù)/((m2·℃)/W)1.7E-51.7E-5所需熱負荷270214.92 kCal/h(314259.96 W)平均對數(shù)溫差℃8.86實際面積/m219.74無垢傳熱系數(shù)W/( m2·℃)2936.42667.04設(shè)備參數(shù)設(shè)備型號BR0.42H-1.0/120-20.58-E流程組合(1×24H/1×24H)+1總板片數(shù)/張49接管直徑/mmDN100DN100 接管流速/(m/s)0.251.72

表6 修改后第3段換熱器工藝計算報告書

在調(diào)整后，增加了物料的流道，整體壓力降減少了，可以保證物料通過換熱器，但在預(yù)熱的第三段的蒸汽消耗略有增加，因為第二段的熱水的流速更低，傳熱系數(shù)降低。

4 結(jié) 語

多段板式換熱器在成套設(shè)備中應(yīng)用廣泛，多段板式換熱器能夠在余熱回收中起到很大作用，為用戶節(jié)約很多成本，在設(shè)計選型中有很多需要注意的問題，這些需要我們不斷研究、改進，有很多不足之處還要進一步深入研究。