板换常见知识

2019-03-11 19:03:00 zixun
换热器是合理利用与节约能源、开发新能源的关键设备。据统计,在现代石油化工企 业中,换热器投资占 30% ~40%。在制冷机中,蒸发器和冷凝器的重量占机组重量的 30% ~40%,动力消耗占总动力消耗的 20% ~30%。可见换热器对企业投资、金属耗量以及动力 消耗有着重要的影响。 由于在生产中存在的热交换千变万化, 因此所需的换热器必然各式各 样,但从承受高温、高压、超低温及耐腐蚀能力上看,管壳式换热器的数量和使用场所在 20 世纪 80、90 年代仍居主要地位。随着全焊、钎焊、板壳式等新型结构板式换热器的发展, 以及新技术、新工艺、新材料在板式换热器中的应用,板式换热器在进一步发展自身的传系 数高、对数平均温差大、占地面积小、重量轻、价格低、末端温差小和污垢系数低等优越性 之外,还将它的承压能力从 2.5MPa 提高到 8.0MPa,耐温能力从 150℃提高到了 1000℃,为 其在许多应用领域取代管壳式换热器创造了条件。 板式换热器的特点: 板式换热器的特点: 1.对数平均温差大。 对数平均温差大。 对数平均温差大 2. 占地面积小,结构紧凑,清洗方便。 占地面积小,结构紧凑,清洗方便。 3. 重量轻,板片的厚度一般在 0.4-0.7mm。 重量轻, - 。 4. 传热系数高,板片的波纹能使流体在较小的流速下产生湍流。 传热系数高,板片的波纹能使流体在较小的流速下产生湍流。 纹能使流体在较小的流速下产生湍流 5. 可改变换热面积或流程组合,增加或减少板片数量即可达到所需的换热面积,改变 可改变换热面积或流程组合,增加或减少板片数量即可达到所需的换热面积, 板片的排港列,可适用于不同的换热器。 板片的排港列,可适用于不同的换热器。 6. 价格低。 价格低。 板式换热器的工作原理 板式换热器是由许多波纹形的传热板片,按一定的间隔,通过橡胶垫片压紧组成的可拆卸 的换热设备。板片组装时,两组交替排列,板与板之间用粘结剂把橡胶密封板条固定好,其 作用是防止流体泄漏并使两板之间形成狭窄的网形流道, 换热板片压成各种波纹形, 以增加 换热板片面积和刚性,并能使流体在低流速成下形成湍流,以达到强化传热的效果。板上的 四个角孔,形成了流体的分配管和泄集管,两种换热介质分别流入各自流道,形成逆流或并 流通过每个板片进行热量的交换。 其特点:(1)体积小,占地面积少;(2)传热效率高;(3)组装灵活;(4)金属消 耗量低;(5)热损失小;(6)拆卸、清洗、检修方便;(7)板式换热器缺点是密封周边 较长,容易泄漏,不能承受高压。 板式换热器有哪几部分组成?有什么作用? 板式换热器有哪几部分组成?有什么作用? 板式换热器主要由传热板片、密封垫片、两端压板、夹紧螺栓、支架等组成。 各部件作用如下: 一、传热板片 传热板片是换热器主要起换热作用的元件, 一般波纹做成人字形, 按照流体介质的不同, 传热板片的材质也不一样,大多采用不锈钢和钛材制作而成。 二、密封垫片 板式换热器的密封垫片主要是在换热板片之间起密封作用。材质有:丁腈橡胶,三元乙 丙橡胶,氟橡胶等,根据不同介质采用不同橡胶。 三、两端压板 两端压板主要是夹紧压住所有的传热板片,保证流体介质不泄漏。 四、夹紧螺栓 夹紧螺栓主要是起紧固两端压板的作用。夹紧螺栓一般是双头螺纹,预紧螺栓时,使固 定板片的力矩均匀。 五、挂架 主要是支承换热板片,使其拆卸、清洗、组装等方便。 造成板换泄漏的主要原因 1)换热板片腐蚀穿透; (2)换热板片有裂纹; (3)夹紧螺栓紧固不均匀; (4)换热板片变形太大; (5)密封垫片断裂或老化; (6)密封垫片厚度不均; (7)密封垫片压偏。 板换腐蚀失效类型 ① 点蚀:由“闭塞电池腐蚀”(Ocluded Cell Corrosion)作用引起的一种局部腐蚀—使 局部金属表面的钝化膜破坏,形成尺寸小于 1mm 的穿孔或蚀坑。例如,在不锈钢板片表面生 锈或积垢(碳化物、二氧化硅垢层)处,因导热不良、介质的 pH 值减小产生的腐蚀; ② 缝隙腐蚀:由“闭塞电池腐蚀”作用引起的一种呈斑点状或溃疡形的局部腐蚀。同点蚀 的主要区别是腐蚀产生在金属零件的缝隙处,由于滞留介质的电化学不均匀性而导致的。例 如, 密封垫片槽底或板片封闭流道的角孔垫片外侧处产生的腐蚀; ③ 应力腐蚀开裂:在静态拉伸应力与电化学介质共同作用下,由阴极溶解过程引起的金属 局部腐蚀裂纹或断裂。 例如,板片压制成型时将产生残余内应力, 若与介质中的卤素离子 (如 Cl -、F -等离子)或 H2S 接触可能引起应力腐蚀开裂; ④ 晶间腐蚀:起源于金属表面并沿晶粒边界深入到内部的腐蚀,可导致晶粒间的结合力丧 失,使材料的强度大大降低。例如,不锈钢在过敏温度范围 (400℃~600℃)内产生的腐蚀; ⑤ 均匀腐蚀: 接触介质的金属表面全部或大部分被腐蚀的现象。 例如,板片选材不当,或使用 期过长,超过了允许使用寿命; ⑥ 其他腐蚀失效:主要有露点腐蚀、磨蚀 、微生物腐蚀等。例如,含有酸性物质的热蒸汽 与冷的板片接触,可引起露点腐蚀;板片的介质入口角孔处和导流区的流速过高,或流体中 含有砂粒类颗粒物时,可导致磨蚀;海水中的藻类、细菌、原生物等,可导致板片的微生物腐 蚀。 以上几种腐蚀失效中,Cr-Ni 奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂约占 50%,点蚀和缝隙腐蚀共约 占 20%,所以最危险、最常见。 板换常用板片材质 ① 304 型不锈钢 这是最廉价、最广泛使用的奥氏体不锈钢(如食品、化工、原子能等工业设备)。适用于一 般的有机和无机介质。例如,浓度<30%、温度≤100℃或浓度≥30%、温度<50℃的硝酸; 温度≤100℃的各种浓度的碳酸、氨水和醇类。在硫酸和盐酸中的耐蚀性差;尤其对含氯介 质(如冷却水)引起的缝隙腐蚀最敏感。在含氯水溶液中的适用条件,见表 1-34。PRE 为 19。 ② 304L 型不锈钢 耐蚀性和用途与 304 型基本相同。由于含碳量更低(≤0.03%),故耐蚀性(尤其耐晶间腐 蚀, 包括焊缝区)和可焊性更好,可用于半焊式或全焊式 PHE。 ③ 316 型不锈钢 适用于一般的有机和无机介质。例如,天然冷却水、冷却塔水、软化水;碳酸;浓度<50% 的醋酸和苛性碱液; 醇类和丙酮等溶剂; 温度≤100℃的稀硝酸 (浓度<20%=、稀磷酸(浓 度<30%=等。但是,不宜用于硫酸。由于约含 2%的 Mo,故在海水和其他含氯介质中的耐 蚀性比 304 型好,完全可以替代 304 型,见表 1-34。PRE 为 25。 ④ 316L 型不锈钢 耐蚀性和用途与 316 型基本相同。由于含碳量更低(≤0.03%),故可焊性和焊后的耐蚀性 也更好,可用于半焊式或全焊式 PHE。PRE 为 25。 ⑤ 317 型不锈钢 适合要求比 316 型使用寿命更长的工况。由于 Cr、Mo、Ni 元素的含量比 316 型稍高,故耐 缝隙腐蚀、点蚀和应力腐蚀的性能更好。PRE 为 30。 ⑥ AISI 904L 或 SUS 890L 型不锈钢 这是一种兼顾了价格与耐蚀性的高性价比的奥氏体不锈钢,其耐蚀性比以上几种材料好,特 别适合一般的硫酸、磷酸等酸类和卤化物(含 Cl—、F— )。由于 Cr、Ni、Mo 含量较高, 故具有良好的耐应力腐蚀、 点蚀和缝隙腐蚀性能。 在含氯介质中的适用条件,见表 1-34。 PRE 为 36。 ⑦ Avesta 254 SMO 高级不锈钢 这是一种通过提高 Mo 含量对 316 型进行了改进的超低碳高级不锈钢, 具有优良的耐氯化物 点蚀和缝隙腐蚀性能,适用于不能用 316 型的含盐水、无机酸等介质。在含氯介质中的适用 条件,见表 5-11。PRE 为 47。 ⑧Hastelloy C-276 这是一种昂贵的超低碳 Ni(57%)- Cr(16%)- Mo(16%)合金— C 族镍基合金中的主 要品种。Hastelloy 是 the Cabot Co.公司的注册商标。国外,20 世纪 60 年代开始生产,已有 5.5 万吨以上用于各种工业,具有良好的耐蚀性:在低 PH 介质中几乎不受 Cl—的影响;对 各种浓度的硫酸耐蚀性极好,是可用于热浓硫酸的少数几种材料之一;广泛用于有机酸(如 甲酸、醋酸)、高温 HF 酸和一定浓度的盐酸(<40%=、磷酸(≤50%);氯化物、氟化物 和有机溶剂(如甲醇、乙醇)。PRE 为 69。 最近几十年来板式换热器发展很快,主要表现在以下几个方面。 ⑴ 板式换热器的种类越来越多,技术性能越来越好,应用范围越来越广。 ① 板式换热器的种类: 从板式换热器的连接方式上看: 从可拆式板式换热器发展到钎焊式板式换热器。 从半焊接式、 全焊接式发展到板壳式换热器。 从板片的形式上看:从对称型发展到非对称型。 从板片的流道上看:从对称流道发展到宽窄流道、宽宽流道。 从板片波纹的深浅看:从波深为 3~5mm 的一般板发展到波深为 2~2.5mm 的浅密波纹板。 ② 板式换热器的技术性能越来越好 图 1-1 表示板式换热器的设计温度、设计压力范围。 ?工作温度从可拆式的 260℃发展到板壳式的 1000℃。 ?工作压力从可拆式型的 2.5MPa 发展到板壳式的 8.0MPa。 ?传热系数从 2000W/m?·k 发展至 12000W/m?·k。 ?最大当量直径 28mm。 ?最大可拆式单板换热面积 4.75m2。 ?最大焊接式单板换热面积 18m2。 ?最小钎焊式单板换热面积 0.006m2。 ?最大可拆式单台换热面积 2500m2。 ?最大全焊式单台换热面积 10000m2。 ?最大接管尺寸 500mm 换热器研究和发展方向 1、物性模拟研究 换热器传热与流体流动计算的准确性,取决于物性模拟的准确性,一直为传热界重点研究课 题之一,特别是两相流物性的模拟,两相流的物性基础。来源于实验室实际工况的模拟,反映了 与实际工况的差别,纯组分基本上准确,但油气的组成就与实际工况相差较大,特别是带有固体 颗粒的流体模拟更复杂,为此带来的情况下准确率更高,为此换热器计算更精、材料更节省,物 性模拟将代表换热器的经济技术水平。 2、分析设计的研究 分析设计是近代发展的一门新兴科学,美国 ANSYS 软件技术一直处于国际领先技术,通过 分析设计可以得到流体的流动分布场, 也可以将温度场模拟出来, 这无疑给流路分析法技术带来 发展,同时也给常规强度计算带来更准确、快捷、准确的手段。在常规强度计算仲,可模拟出应 力的阿分布图,是无法得到的计算结果能方便、快捷准确的得到,使换热器更加安全可靠。这一 技术随着计算机应用的发展,将带来技术水平的飞跃,将会逐步取代强度试验,摆脱实验室繁重 的劳动强度。 3、大型化及能耗研究 换热器将随装置的大型化而大型化,直径将超过 5m,传热面积将达到 10000m2,紧凑型换热器将 受欢迎,板壳式换热器、折流杆换热器、板翅式换热器、板式空冷器将得到发展,振动损失将逐 渐克服,高温、高压、安全、可靠的换热器结构将朝着结构简单、制造方便、质量轻发展。随着 全球水资源的紧张,循环水将被新的冷却介质取代,循环设备将被新型、高效的空冷器所取代。 保温绝热技术的发展使热量损失将减少到目前的 50%以下。 4、强化技术研究 各种新型、高效换热器将逐步取代现有常规产品,电场动力效应强化传热技术、添加物强化 沸腾传热技术、通入惰性气体强化传热技术、滴状冷凝技术、微生物传热技术、磁场动力传热技 术将会在新的世纪得到研究和发展,同心管换热器、高温喷流式换热器、印刷线路板换热器、穿 孔板换热器、微尺度换热器、微通道换热器、流化床换热器、新能源换热器将在工业领域及其它 领域得到研究和应用。 5、新材料研究 材料将朝着强度高、制造工艺简单、防腐效果好、质量轻的方向发展,随着稀有金属价格的 下降,钛、钽等稀有金属使用量将扩大,Cr-Mo 钢材料将朝不预热和后热的方向发展。 6、控制结垢及腐蚀的研究 国内污垢数据基本上是 20 世纪 60 年代至 70 年代从国外照搬过来的, 年来污垢研究技术 40 发展缓慢,随着节能、增效要求的提高,污垢研究将会受到国家的重视和投入,通过对污垢形成 的机理、生长速度、印象影响因素的研究,预测污垢曲线,从而控制结垢,这对传热效率的提高 将带来重大的突破,保证装置低耗能、长周期的运行,超声防垢技术将得到大力发展。 腐蚀技术的研究将会有所突破,低成本的防腐涂层,特别是金属防腐镀层技术将得到发展, 电化学防腐技术将成为主导。 换热器的定义 定义 1: 在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器.在换热器中至少要有两种温度不同的 流体,一种流体温度较高,放出热量 定义 2: 余热回收设备工业窑炉实现余热回收的设备主要是换热器,又称为热交换器,热处理过 程中广泛用于流体之间的热量交换 定义 3: 在工程上将某种流体的热量以一定的传热方式传递给他种流体的设备称为热交换器.在 这种设备内至少有两种温度不同的流体参与传热高温流体放出热量而低温流体吸收热量 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备,又称热交换器。换热器是化工、石油、 钢铁、汽车、食品及其他许多工业部门的通用设备,在生产中占有重要地位。尤其在化工生 产中,换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等,应用甚为广泛。 近年来,随着我国石化、钢铁等行业的快速发展,换热器的需求水平大幅上涨,但国内企 业的供给能力有限,导致换热器行业呈现供不应求的市场状态,巨大的供给缺口需要进口来 弥补。 根据海关的统计(见表 1),2001~2005 年,我国平均每年从国外进口 换热器 22.49 万台, 总金额达到 14.02 亿美元。 其中, 2004 年一年就进口了 34.11 万台, 仅 共计 4.9 亿美元。 虽然,我国的换热器出口数量也不少,但其规模远远小于进口规模(见图 1)。2001 年,我 国换热器的进口数量、金额和均价分别比出口数量、金额和均价多 44640 台、8021.6 万美元、 245.72 美元/台; 但到了 2005 年, 进出口间的差距已扩大到 75667 台、 34517 万美元和 1347.57 美元/台。这说明,我国换热器市场增长的速度远远超过了供给增长的速度。 同时,我国出口的换热器均价平均不到进口均价的一半,2005 年更是降到了 25%以下。 可以想见,我国出口的产品多是附加值低的中、低端产品,而进口的产品多是附加值高的高 端产品。这充分说明我国对高端换热器产品需求旺盛但供给不足的市场现状。预计“十一 五”期间, 我国的换热器进口规模还将维持在一个相对较高的水平 (约 200~300 万台之间) , 且更加向高端产品集中。 根据中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要,“十一五”期间我国 经济增长将保持年均 7.5%的速度。而石化及钢铁作为支柱型产业,将继续保持快速发展的 势头,预计 2010 年钢铁工业总产值将超过 5000 亿元,化工行业总产值将突破 4000 亿元。 这些行业的发展都将为换热器行业提供更加广阔的发展空间。 未来,国内市场需求将呈现以下特点:对产品质量水平提出了更高的要求,如环保 未来,国内市场需求将呈现以下特点:对产品质量水平提出了更高的要求,如环保、节能 型产品将是今后发展的重点;要求产品性价比提高;对产品的个性化、 型产品将是今后发展的重点;要求产品性价比提高;对产品的个性化、多样化的需求趋势 强烈;逐渐注意品牌产品的选用;大工程项目青睐大企业或企业集团产品。 强烈;逐渐注意品牌产品的选用;大工程项目青睐大企业或企业集团产品。 国内经济发展带来的良好机遇,以及进口产品巨大的可转化性共同预示着我国换热器行业 良好的发展前景。同时,行业发展必须要注重高端产品的研发 1)板式换热器拆卸前,首先测量板束的压紧长度尺寸,做好记录(重装时应比原尺寸压 得更紧点); (2)拆下夹紧螺栓和全部换热片; (3)取下各板片上的密封垫片(如粘接式胶条,为防止金属划伤板片,尽量不采用金属 方法取下胶条,可采取液氮急冷法或其他方式,使橡胶板条急冷变形,然后撕下; (4)清理密封槽内的残余粘结剂,清洗板片上的污垢; (5)用灯光或渗透法检查传热板片有无裂纹或穿孔。检查板片上是否有凹坑或变形; (6)修复或更换损坏的板片; (7)重新组装固定好密封条的板片; (8)挂片完毕,放好两端压盖,并穿固定螺栓; (9)用力矩扳手均匀地拧紧螺栓达到压紧长度尺寸 (10)整体试压。首先将板片一侧的流体通道的下端入口管盲死,装满水,然后在板片另 一侧的工作介质通道出口管上加一带放气短管的管板, 在试压侧装上压力表。 充满水后用试 压泵加压并保压 30min,压力无下降即可连接外管。 换热器询价的误区 误区一、只比较换热面积 很多用户在询价时,只向询价单位提供换热面积,其实不管那种类型的换热器,同样 换热面积的情况下,型号不同、结构组成不同、所用材质规格不同、流程组合不同,它们的 价格是不具备可比性的,而且在使用过程中所表现出来的工作性能也会有很大差距。 误区二、拿着某一个厂家的选型单询价 不同的生产厂家,缘于自身的加工能力、实际应用经验 、推荐习惯等因素,往往对用 户的某一使用要求及工艺工况并不理解得十分透彻, 设计选型会出现偏颇。 如果客户拿着这 样的选型单询价势必影响到采购质量, 最好得方式是只提供工艺条件要求各制造厂据此自行 设计选型。 误区三、只买最便宜的厂家 许多客户认为同样的要求给到各供应商询价,应该是一样的东西,哪家便宜买哪家, 其实往往是错的,要善于综合比较, 技术势力、 制造能力、 企业信誉、 售后服务等都应参考, 否则的话损失更大, 并且容易得出一些错误结论。 俗话说得好: “不怕不识货, 就怕货比货” 。 换热器除垢 因为换热器大多是以水为载热体的换热系统,由于某些盐类在温度升高时从水中结晶析 出,附着于换热管表面,形成水垢。在冷却水中加入聚磷酸盐类缓冲剂,当水的 PH 值较高 时,也可导致水垢析出。初期形成的水垢比较松软,但随着垢层的生成,传热条件恶化,水 垢中的结晶水逐渐失去,垢层即变硬,并牢固地附着于换热管表面上。 此外,如同水垢一样,当换热器的工作条件适合溶液析出晶体时,换热管表面上即可积 附由物料结晶形成的垢层;当流体所含的机械杂质有机物较多、而流体的流速又较小时,部 分机械杂质或有机物也会在换热器内沉积,形成疏松、多孔或胶状污垢。 换热器管束除垢的方法主要有下列三种。 一、手工或机械方法 当管束有轻微堵塞和积垢时,借助于铲削、钢丝刷等手工或机械方法来进行清理,并 用压缩空气,高压水和蒸汽等配合吹洗。当管子结垢比较严重或全部堵死时,可用管式冲水 钻(又称为捅管机)进行清理。 二、冲洗法 冲洗法有两种。第一种是逆流冲洗,一般是在运动过程中,或短时间停车时采用,可 以不拆开装置, 但在设备上要预先设置逆流副线, 当结垢情况并不严重时采用此法较为有效。 第二种方法是高压水枪冲洗法。 对不同的换热器采用不同的旋转水枪头, 可以是刚性的, 也可以是绕性的,压力从 10MPa 至 200MPa 自由调节。利用高压水除污垢,无论对管间、 管内及壳体均适用。高压水枪冲洗换热器效果较好。应用广泛。 三、化学除垢 换热器管程结垢,主要是因为水质不好形成水垢及油垢的结焦沉淀和粘附两种形式, 用化学法除垢,首先应对结垢物质化验分析,搞清结垢物性质,就可以决定采用哪种溶剂清 洗。一般对硫酸盐和硅酸盐水垢采用碱洗(纯碱、烧碱、磷酸三钠等),碳酸盐水垢则用酸 洗(盐酸、硝酸、磷酸、氟氢酸等)。对油垢结焦可用氢氧化钠、碳酸钠、洗衣粉、液体洗 涤剂、硅酸钠和水按一定的配比配成清洗液进行清洗。采用化学清洗的办法,现场需要重新 配管,比较花费时间。 板式换热器由其结构特点所决定,它的安装比较方便和灵活,以下对板式换热器的零件组装 和系统安装方面需注意的事项加以说明. 一、板式换热器的零件组装 关于板式换热器的零件组装,无论是制造厂向使用单位发运零件,进行现场组装,还是 使用单位在检修设备拆开板式换热器后再组装,都必须按照以下顺序进行: 1.认真阅读随机文件(合格证、材质证、流程图、装配图和装箱清单等)。 2.检查板片、接管、垫片的材质是否与换热器内介质的耐腐蚀性要求相一致。 3.按图纸检查所有的零件是否齐全、型号、尺寸是否与图纸相符。 4.将板片的垫片槽擦干净, 均匀地涂上粘结剂, 粘上垫片, 然后把板片整齐地叠放在一起, 压上一定的重物。 5.按设计的流程图进行组装,并按规定顺序进行夹紧。夹紧时,应先拧紧 1.2.3.4.号螺母,然 后再拧紧 5.6.7.8.9.10 号螺母。 6.液压试验要按单侧分别进行,试验压力为设备设计压力的 1.25 倍,保压 30min,检查 所有密封和焊接部位,均无渗漏为合格。 二、使用单位的系统安装 使用单位的系统安装是指制造厂发至使用单位的设备或使用单位检修好的设备向 应用工位上的安装。这种情况应按下面说明进行: 1.将设备放在基础上,固定地脚螺栓。 2.检查管道的冷、热介质进出口与设备上的接管是否一致。考虑到检修方便,管道与换 热器联接时最好用短节。 3.换热器的冷、热介质进出口都应安装温度计和压力表。 三、换热器零件组装与设备安装时的注意事项 1.吊装时要注意设备的重心。 2.向垫片槽粘接垫片时,应确保垫片上和板片的垫片内没有砂子、油污、铁屑和焊剂等 杂物,以免损坏密封,引起泄漏。 3.拧紧螺栓时用力要均匀,并不断地测量两压紧板内侧的距离,保证两压紧板间平行度 偏差不大于 3MM,夹紧到规定尺寸后,平行度偏差不大于 1MM,以免垫片压偏或滑出垫 片槽,同时,一边夹紧一边细查,观察是否有垫片、板片发生错位等现象。 4.液压试验的液体一般采用水,水温不应低于 5 度,试验时应缓慢升压,试验完成后, 适当地松开压紧螺母,放出积水,然后再拧紧螺母,夹紧至原尺寸,待用。 5.换热器周围应留有一定的检修空间,其大小与板片的尺寸有关。 6.夹紧螺栓上要涂以黄油,有条件时应套上保护管,以免生锈和碰伤螺纹。 7.如果泵的出口最大压力大于设备的最高使用压力,要在设备的入口处安装减压阀和安 全阀。 8.当设备内充满液体、带有压力时,不允许夹紧螺母。 换热器的选择 1、根据换热器媒质选换热器结构形式;闭式循环系统方可选用板式换热器;水质较差的场 合选浮动盘管式换热器。 2、后期需要扩展换热量的场合选板式换热器较好; 3、选择换热器面积; 4、换热器的选用和设计计算步骤; 估算传热面积,并初选换热器型号确定两流体在换热器中流动通道。 (1)根据传热任务,计算传热量; (2)确定流体在换热器两端的温度,计算定性温度,并确定流体物性; (3)根据两流体的温度差,确定换热器的型式; (4)计算平均温度差,并根据温度差校正系数不小于 0.8 的原则,确定壳程数或调整加热 介质或冷却介质的终温; (5)依据总传热系数的经验范围或生产实际情况,选取总传热系数; (6)由总传热速率方程估算传热面积,并确定换热器的基本尺寸或按系列标准选择设备规 格。 5、计算管程、壳程阻力。 核算总传热系数和传热面积选用的换热器实际传热面积应比计算所需的传热面积约大 10%--25%。 板换的试泄检查 一、试漏检查 为了查明管子的泄漏情况,首先要作水压试验,,一般均采用在管子外侧加压力的外 压试验。其方法 是:把水通入壳体,保持一定时间,用目测检查两端管板处管子的泄漏情况,对漏管做 出记录。 二、堵管 管子本身的泄漏一般情况下是无法修复的,假如泄漏管子的数量不多时,可以用圆锥 形的金属堵头将管口两端堵塞,如管程压力较高时,堵紧后再焊住更可靠。堵头的长度一般 为管内径的 2 倍,小端直径应等于 0.85 倍的内径,锥度为 1:10,堵头材料的硬度应低于或 等于管子的硬度。用堵管来消除泄漏时堵管数不得超过 10%。 板式换热器清洗 板式换热器在使用过程中。由于水处理设备运行不当。水质控制不达标,将不合格的软 化水注入系统中,使水中的钙、镁、碳酸盐遇热后分解为碳酸钙和氢氧化镁沉淀物黏结在换 热器的受热面上,形成了坚硬的水垢。由于水垢的导热性能差,造成了换热器换热效率的降 低以及热能的严重浪费。从而影响了传热的效果。 板式换热器结垢的清洗方式 1、 清洗剂的选择 清洗剂的选择,目前采用的是酸洗,它包括有机酸和无机酸。有机酸主要有:草酸、甲 酸等。无机酸主要有:盐酸、硝酸等。根据换热器结垢和工艺、材质和水垢成分分析得出: 1)换热器流通面积小,内部结构复杂,清洗液若产生沉淀不易排放。 2)换热器材质为镍钛合金,使用盐酸为清洗液.容易对板片产生强腐蚀,缩短换热器的 使用寿命。 通过反复试验发现,选择甲酸作为清洗液效果最佳。在甲酸清洗液中加入缓冲剂和表面 活性剂,清洗效果更好,并可降低清洗液对板片的腐蚀。通过对水垢样本的化学试验研究表 明,甲酸能够有效地清除水垢。通过酸液浸泡试验,发现甲酸能有效地清除附在板片上的水 垢,同时它对换热器板片的腐蚀作用也很小。 2、 清除水垢的基本原理 1)溶解作用:酸溶液容易与钙、镁、碳酸盐水垢发生反应,生成易溶化合物,使水垢溶 解。 2)剥离作用:酸溶液能溶解金属表面的氧化物.破坏与水垢的结合。从而使附着在金属 氧化物表面的水垢剥离。并脱落下来。 3)气掀作用:酸溶液与钙、镁、碳酸盐水垢发生反应后,产生大量的二氧化碳。二氧化 碳气体在溢出过程中。对于难溶或溶解较慢的水垢层,具有一定的掀动力,使水垢从换热器 受热表面脱落下来。 4)疏松作用:对于含有硅酸盐和硫酸盐混合水垢,由于钙、镁、碳酸盐和铁的氧化物在 酸溶液中溶解,残留的水垢会变得疏松,很容易被流动的酸溶液冲刷下来。 3、 清洗水垢的工艺要求 1)酸洗温度:提升酸洗温度有利于提高除垢效果.如果温度过高就会加剧酸洗液对换热 器板片的腐蚀,通过反复试验发现,酸洗温度控制在 60~E 为宜。 2)酸洗液浓度: 根据反复试验得出, 酸洗液应按甲酸 81. O%、 17. 水 O%、 缓冲剂 1. 2%、 表面活性剂 0.8%的浓度配制,清洗效果极佳。 3)酸洗方法及时间:酸洗方法应以静态浸泡和动态循环相结合的方法进行。酸洗时间为 先静态浸泡 2 h,然后动态循环 3~4 h。在酸洗过程中应经常取样化验酸洗浓度,当相邻两 次化验浓度差值低于 0.2%时,即可认为酸洗反应结束。 4)钝化处理:酸洗结束后,板式换热器表面的水垢和金属氧化物绝大部分被溶解脱落, 暴露出崭新的金属,极易腐蚀,因此在酸洗后,对换热器板片进行钝化处理。 4、 清洗水垢的具体步骤 1)冲冼:酸洗前,先对换热器进行开式冲洗,使换热器内部没有泥、垢等杂质,这样既 能提高酸洗的效果,也可降低酸洗的耗酸量。 2)将清洗液倒人清洗设备,然后再注入换热器中。 3)酸洗:将注满酸溶液的换热器静态浸泡 2h。然后连续动态循环 3~4 h。其间每隔 0.5 h 进行正反交替清洗。酸洗结束后,若酸液 pH 值大于 2,酸液可重复使用,否则,应将酸 洗液稀释中和后排掉。 4)碱洗:酸洗结束后,用 NaOH,Na,PO ,软化水按一定的比例配制好,利用动态循 环的方式对换热器进行碱洗,达到酸碱中和,使换热器板片不再腐蚀。 5)水洗:碱洗结束后,用清洁的软化水.反复对换热器进行冲洗 0.5 h,将换热器内的 残渣彻底冲洗干净。 6)记录:清洗过程中,应严格记录各步骤的时间,以检查清洗效果。总之,清洗结束后, 要对换热器进行打压试验。合格后方可使用。 5、防止板式换热器结垢的措施 1)运行中严把水质关,必须对系统中的水和软化罐中的软化水进行严格的水质化验,合 格后才能注人管网中。 2)新的系统投运时,应将换热器与系统分开,进行一段时间的循环后,再将换热器并人 系统中.以避免管网中杂质进入换热器。 3)在整个系统中,除污器和过滤器应当进行不定期的清理外,还应当保持管网中的清洁, 以防止换热器堵塞。 综上所述。严格按照板式换热器的清洗方式进行清洗,是生产正常运行的重要保证。 换热器传热强化 所谓换热器传热强化或增强传热是指通过对影响传热的各种因素的分析与计算, 采取某 些技术措施以提高换热设备的传热量或者在满足原有传热量条件下, 使它的体积缩小。 换热 器传热强化通常使用的手段包括三类:扩展传热面积(F ) ;加大传热温差;提高传热系数 (K ) 。 1 换热器强化传热的方式 1.1 扩展传热面积 F 扩展传热面积是增加传热效果使用最多、 最简单的一种方法。 在扩展换热器传热面积的 过程中,如果简单的通过单一地扩大设备体积来增加传热面积或增加设备台数来增强传热 量,不光需要增加设备投资,设备占地面积大、同时,对传热效果的增强作用也不明显,这 种方法现在已经淘汰。 现在使用最多的是通过合理地提高设备单位体积的传热面积来达到增 强传热效果的目的,如在换热器上大量使用单位体积传热面积比较大的翅片管、波纹管、板 翅传热面等材料,通过这些材料的使用,单台设备的单位体积的传热面积会明显提高,充分 达到换热设备高效、紧凑的目的。 1.2 加大传热温差Δt 加大换热器传热温差Δt 是加强换热器换热效果常用的措施之一。 在换热器使用过程中,提高辐射采暖板管内蒸汽的压力,提高热水采暖的热水温度,冷 凝器冷却水用温度较低的深井水代替自来水, 空气冷却器中降低冷却水的温度等, 都可以直 接增加换热器传热温差Δt。 但是,增加换热器传热温差Δt 是有一定限度的,我们不能把它作为增强换热器传热效 果最主要的手段,使用过程中我们应该考虑到实际工艺或设备条件上是否允许。例如,我们 在提高辐射采暖板的蒸汽温度过程中, 不能超过辐射采暖允许的辐射强度, 辐射采暖板蒸汽 温度的增加实际上是一种受限制的增加,依靠增加换热器传热温差Δt 只能有限度的提高换 热器换热效果; 同时, 我们应该认识到, 传热温差的增大将使整个热力系统的不可逆性增加, 降低了热力系统的可用性。所以,不能一味追求传热温差的增加,而应兼顾整个热力系统的 能量合理使用。 1.3 增强传热系数(K) 增强换热器传热效果最积极的措施就是设法提高设备的传热系数(K) 。 换热器传热系数(K)的大小实际上是由传热过程总热阻的大小来决定,换热器传热过 程中的总热阻越大,换热器传热系数(K)值也就越低;换热器传热系数(K)值越低,换 热器传热效果也就越差。 换热器在使用过程中, 其总热阻是各项分热阻的叠加, 所以要改变传热系数就必须分析 传热过程的每一项分热阻。 如何控制换热器传热过程的每一项分热阻是决定换热器传热系数 的关键。 上述三方面增强传热效果的方法在换热器都或多或少的获得了使用, 但是由于扩展传热 面积及加大传热温差常常受到场地、 设备、 资金、 效果的限制, 不可能无限制的增强,所以, 当前换热器强化传热的研究主要方向就是:如何通过控制换热器传热系数(K)值来提高换 热器强化传热的效果。我们现在使用最多的提高换热器传热系数(K)值的技术就是:在换 热器换热管中加扰流子添加物, 通过扰流子添加物的作用, 使换热器传热过程的分热阻大大 的降低,并且最终来达到提高换热器传热系数(K)值的目的。 2 .换热器上扰流子强化传热的使用 换热器在传热过程中,影响换热器传热系数(K)的主要因素包括:换热器内、外部液 体的流动状态,换热面的形状及尺寸等。为了提高换热器的传热系数,强化换热器的传热效 率,国内外出现了多种强化元件及强化措施,主要包括在换热器中使用螺纹管、横纹管、缩 放管、 大导程多头沟槽管、 整体双面螺旋翅片管以及在换热管中加扰流子来强化管内换热等。 其中, 在换热管中加扰流子添加物进行强化传热在工业上已使用了多年, 它可以使换热器总 的传热系数出现明显的提高,可以大大节省换热器的传热面积,降低设备重量,节约大量金 属材料,它的许多优点已日益引起人们的重视。 将对换热器扰流子强化传热的原理及特点作以下详细论述 2.1 扰流子强化元件的种类和共同特点 扰流子强化元件有多种形式,现在使用最多的包括:金属丝制元件、金属螺旋圈、盘状 构件、麻花铁、翼形物等。这些扰流子强化元件有一个共同的特点就是:在换热器换热管中 这些扰流子添加物可以有效降低换热器传热过程中的总热阻, 大大地提高换热器的传热系数 (K)值,对换热器的传热效果增强明显。 2.2 扰流子强化传热的原理 研究表明, 加入到换热器换热管中的扰流子添加物可以使换热管内流动的液体产生明显 的螺旋运动。换句话说,在换热器换热管中加入扰流子添加物,就相当于在换热器换热管中 加入空隙率ε≥95%的多孔体,当换热器换热管中流动的液体流经这些扰流子添加物以后, 流道内将产生明显的弥散流动效应,在低雷诺数下(Re≥300) ,由于弥散流动的促进,使 换热器换热管中的液体转变为湍流。湍流状态的流动液体其总热阻是所有流态液体中最小 的,由于换热器换热管中湍流状态的流动液体热阻非常小,所以,换热器的传热系数(K) 值将大大增加。在高的传热系数(K)值状态下,换热器中扰流子强化传热的效果就会非常 明显。 当然换热器中的扰流子对流经换热管的不同介质, 其强化传热的效果是有区别的。 并且, 换热管内扰流元件的形状和在传热面上的安装方法, 对传热和流阻都有影响, 一般可通过实 验确定其最佳形式。 例如试验表明: 在管道的全长填满螺旋形金属丝与间断设置螺旋圈相比, 后者在传热性能不变时可减小流阻。 关于扰流子强化传热的原理, 还有许多其它见解, 有的专家认为扰流子强化传热是基于 加大了传热面积和粗糙度,这无疑是正确的。但试验表明,即使不紧贴壁面安装,则轴向固 定在流道中心的扰流子也能使α值加大, 有人解释为填充物能产生持续不断的涡流, 并沿流 向产生一个中心旋转流, 在离心力的影响下使管中心的流体与壁面边界层流体充分混合。 从 而减薄了边界层,强化了传热。总的看,有关扰流子强化传热的理论还不完备和一致,一些 数据仅来自实验,有待于更多的科研人员开发和利用。 2.3 扰流子强化传热的特点 在换热器换热管中加扰流子添加物, 最明显的特点就是大大增强了换热管内侧的换热系 数。试验表明,在换热器换热管中加扰流子添加物,换热管内侧换热系数可比光管提高 3.5 倍以上。 扰流子强化传热除了减少金属消耗, 它还可以提高工厂热能利用效率, 降低能耗。 目前, 一些设计追求高热强度, 而管壳式换热器由于传热效率低, 设计中采用的主要手段是选择提 高对数平均温差, 这要导致能耗的大幅度增加。 以炼油厂常减压装置为例, 传热温差为 60℃, 以热—冷流体 260~200℃计算,传热占热流 21.5%,如果将温差降至 33℃,传热损可降至 10%采用扰流子强化传热的换热器, 在保证换热强度不变的情况下, 可以显著降低传热温差, 从而降低了热损更好地实现能级匹配,达到节能降耗的目的。 采用扰流子强化传热, 另一优点就是可有效地抑制污垢的生成。 结垢是换热器非常棘手 的问题。污垢使传热效率下降,它的导热性能差,只有钢的 1/30~1/50。对碳钢管油冷却器, 当水垢厚度达到 2mm 时,将比新制无垢时的运行效率下降 30%。美国传热研究公司对换热 器的污垢问题进行了多年的研究,发现污垢的形成、生长,主要与介质温度和流速有关,介 质温度越高,介质与壁面温差越大,流速越低,越易形成污垢。为了消除管侧污垢,国外一 些厂家通过提高管内流速(V=2~3m/s) ,但这带来过高的压降,能耗很大。采用扰流子强 化传热的换热器,设备管侧的污垢显著减少。首先,由于流体的弥散流动,介质的温度梯度 较小,抑制了污垢的形成、生长;其次,由于弥散流紊动度很高(扰流子强化相当于静态搅 拌器) ,流体中的杂质不易沉积成垢。 使用扰流子强化传热换热器的清洗十分方便。短时期清洗时,可不抽出强化元件,用水 速为 V>0.8m/s 的清洗水冲刷管程即可。实验表明。当水速达到 0.8m/s 时,水流将产生强 烈的弥散涡流,对管壁有很强的冲刷效应。因此,可以比较干净地除掉扰流子及管壁上的垢 物。如果长时间运行后清洗,可抽出强化元件,分别清洗扰流子与管壁,这也很便于实施。 扰流子强化传热元件非常易于装拆、安装,日常维护简便,对旧设备的革新挖潜尤 机械工业 机器冷却 乳液冷却 液压油冷却 润磨油冷却 窑炉水冷却 传动油冷却 蒸压器水冷却 却 热量回收 电站 循环水冷却 冲洗冷却剂冷却 传动油冷却 活塞和涡轮机 发动机冷却 收 蒸气机冷却 压缩机冷却 船用和发动机 中央冷却 润滑油冷却 活塞冷却剂冷却 传动油冷却 重燃料油预热 海水升温 离岸和近海 中央冷却 润滑油冷却 工艺过程冷却 制糖工业 原果汁加热 果浆水加热 萃取水加热 热 浓果汁加热 糖浆加热 稀果汁加热 果汁浓缩 化学工业 碱液冷却 酸冷却 硫酸冷却 循环水冷却 煤油冷却 盐溶液冷却 乙醇冷凝 氯气干燥 钢铁工业 铸模冷却 连铸机冷却 液压油冷却 炉水冷却 焦化厂水冷却 乳液冷却 氨溶液冷却 机器冷却剂冷却 压缩机冷却剂冷却 进料水冷却 的冷却 电解液的加热和冷却 暖通空调 区域供热中心 底舱加热 处理水加热 游泳池加热 热泵装置 热回收装置 加热水预热 地热站 太阳能站 空调装置中的中央 碳 酸 气 果 汁 加 工艺过程冷却 柴 油 发 电 机 站 热 回 柴油预热 发 动 机 冷 却 剂 冷 气轮机冷却 炉体、电极支座、变压器 冷却 汽车工业 淬火油冷却 油漆冷却 却 磷化液加热 食用油加工 食用油加热 食用油冷却 脂肪酸冷却 牛奶冷却 巴氏杀菌 啤酒工艺处理 造纸工业 废水冷却 清洗水冷却 废水蒸发 热回收系统 木浆的凝缩 表面处理 电解液冷却 油漆冷却 电镀浴冷却 除油浴加热 磷化液加热 纺织工业 制药工业 纺 织 清 洗 剂 热 乳液冷却 量回收 热 却 染料厂废液加 热 水溶液冷却 化纤工艺过程 悬浮液加热 柠檬酸加热 维生素工艺过程 毛 料 清 洗 液 加 血浆加热 染 料 厂 废 液 冷 输液冷却 磷 酸 盐 处 理 液 冷 耐寒冷却
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