板式换热器

2019-03-11 19:03:00 zixun
《 板式换热器机组控制》 板式换热器机组控制》 课程设计报告 20102010-2011 学年第 二 学期 系别: 系别: 专业: 专业: 班级: 班级: 电子工程学院 电气自动化技术 09 自动化 2 焦海洋 姓名: 姓名: 乔东升 窦茂源 陈超 指导教师: 指导教师: 陈琦琦 张旭 板式换热器 板式换热器 板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。各种板片之间形成薄 矩形通道,通过半片进行热量交换。板式换热器是液—液、液—汽进行热交换的理想设备。它具有换热效 率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占 地面积小、安装清洗方便、应用广泛、使用寿命长等特点。在相同压 力损失情况下,其传热系数比管式换 热器高 3-5 倍,占地面积为管式换热器的三分之一,热回收率可高达 90%以上。 1. 2. 板式换热器简介 本成套设备由板式换热器、平衡槽、离心式卫生泵、热水装置(包括蒸汽管路、热水喷入器)、 支架以及仪表箱等组成。用于牛奶或其它热敏感性液体之杀菌冷却。欲处理的物料先进入平衡 槽,经离心式卫生泵送入换热器、经过预热、杀菌、保温、冷却各段,凡未达到杀菌温度的物 料,由仪表控制气动回流阀换向、再回到平衡槽重新处理。物料杀菌温度由仪表控制箱进行自 动控制和连续记录, 以便对杀菌过程进行监视和检查。 此设备适用于对牛奶预杀菌、 巴式杀菌。 板式换热器的型式主要有框架式(可拆卸式)和钎焊式两大类,板片形式主要有人字形波纹板、 水平平直波纹板和瘤形板片三种。 1.1 板式换热器的基本结构 板式换热器 板式换热器主要由框架和板片两大部分组成。 板片由各种材料的制成的薄板用各种不同形式的磨具压成形状各异的波纹,并在板片的四个 角上开有角孔,用于介质的流道。板片的周边及角孔处用橡胶垫片加以密封。 框架由固定压紧板、活动压紧板、上下导杆和夹紧螺栓等构成。 板式换热器是将板片以叠加的形式装在固定压紧板、活动压紧板中间,然后用夹紧螺栓夹紧 而成。 1.2 板式换热器的特点 (板式换热器与管壳式换热器的比较) a.传热系数高 由于不同的波纹板相互倒置,构成复杂的流道,使流体在波纹板间流道内呈旋 转三维流动,能在较低的雷诺数(一般 Re=50~200)下产生紊流,所以传热系数高,一般认为是管 壳式的 3~5 倍。 b.对数平均温差大,末端温差小 在管壳式换热器中,两种流体分别在管程和壳程内流动,总 体上是错流流动,对数平均温差修正系数小,而板式换热器多是并流或逆流流动方式,其修正系 数也通常在 0.95 左右,此外,冷、热流体在板式换热器内的流动平行于换热面、无旁流,因此使 得板式换热器的末端温差小,对水换热可低于 1℃,而管壳式换热器一般为 5℃. 板式换热器 c.占地面积小 板式换热器结构紧凑,单位体积内的换热面积为管壳式的 2~5 倍,也不像管壳式那 样要预留抽出管束的检修场所,因此实现同样的换热量,板式换热器占地面积约为管壳式换热器 的 1/5~1/8。 d.容易改变换热面积或流程组合,只要增加或减少几张板,即可达到增加或减少换热面积的 目的;改变板片排列或更换几张板片,即可达到所要求的流程组合,适应新的换热工况,而管壳 式换热器的传热面积几乎不可能增加。 e.重量轻 板式换热器的板片厚度仅为 0.4~0.8mm,而管壳式换热器的换热管的厚度为 2.0~2.5mm,管壳式的壳体比板式换热器的框架重得多,板式换热器一般只有管壳式重量的 1/5 左 右。 f. 价格低 采用相同材料,在相同换热面积下,板式换热器价格比管壳式约低 40%~60%。 g. 制作方便 板式换热器的传热板是采用冲压加工,标准化程度高,并可大批生产,管壳式 换热器一般采用手工制作。 h. 容易清洗 框架式板式换热器只要松动压紧螺栓,即可松开板束,卸下板片进行机械清洗, 这对需要经常清洗设备的换热过程十分方便。 板式换热器 i. 热损失小 板式换热器只有传热板的外壳板暴露在大气中,因此散热损失可以忽略不计,也不 需要保温措施。而管壳式换热器热损失大,需要隔热层。 j. 容量较小 是管壳式换热器的 10%~20%。 k. 单位长度的压力损失大 由于传热面之间的间隙较小,传热面上有凹凸,因此比传统的光 滑管的压力损失大。 l. 不易结垢 由于内部充分湍动,所以不易结垢,其结垢系数仅为管壳式换热器的 1/3~1/10. m. 工作压力不宜过大,介质温度不宜过高,有可能泄露 板式换热器采用密封垫密封,工作 压力一般不宜超过 2.5MPa,介质温度应在低于 250℃以下,否则有可能泄露。 n. 易堵塞 由于板片间通道很窄,一般只有 2~5mm,当换热介质含有较大颗粒或纤维物质时, 容易堵塞板间通道。 1.3 板式换热器的应用场合 a. 制冷:用作冷凝器和蒸发器。 b. 暖通空调:配合锅炉使用的中间换热器、高层建筑中间换热器等。 板式换热器 c. 化学工业:纯碱工业,合成氨,酒精发酵,树脂合成冷却等。 d. 冶金工业:铝酸盐母液加热或冷却,炼钢工艺冷却等。 e. 机械工业:各种淬火液冷却,减速器润滑油冷却等。 f. 电力工业:高压变压器油冷却,发电机轴承油冷却等。 g. 造纸工业:漂白工艺热回收,加热洗浆液等。 h. 纺织工业:粘胶丝碱水溶液冷却,沸腾硝化纤维冷却等。 i. 食品工业:果汁灭菌冷却,动植物油加热冷却等。 j. 油脂工艺:皂基常压干燥,加热或冷却各种工艺用液。 k. 集中供热:热电厂废热区域供暖,加热洗澡用水。 l. 其他:石油、医药、船舶、海水淡化、地热利用。 1.4 板式换热器选型时应注意的问题 1.4.1 板型选择 板片型式或波纹式应根据换热场合的实际需要而定。对流量大允许压降小的情况,应选用 阻力小的板型,反之选用阻力大的板型。根据流体压力和温度的情况,确定选择可拆卸式,还是 钎焊式。确定板型时不宜选择单板面积太小的板片,以免板片数量过多,板间流速偏小,传热系 数过低,对较大的换热器更应注意这个问题。 1.4.2 流程和流道的选择 流程指板式换热器内一种介质同一流动方向的一组并联流道,而流道指板式换热器内,相邻 两板片组成的介质流动通道。一般情况下,将若干个流道按并联或串联的费那个是连接起来,以 形成冷、热介质通道的不同组合。 流程组合形式应根据换热和流体阻力计算,在满足工艺条件要求下确定。尽量使冷、热水流 道内的对流换热系数相等或接近,从而得到最佳的传热效果。因为在传热表面两侧对流换热系数 相等或接近时传热系数获得较大值。虽然板式换热器各板间流速不等,但在换热和流体阻力计算 时,仍以平均流速进行计算。由于“U”形单流程的接管都固定在压紧板上,拆装方便。 1.4.3 压降校核 在板式换热器的设计选型使,一般对压降有一定的要求,所以应对其进行校核。如果校核压 降超过允许压降,需重新进行设计选型计算,直到满足工艺要求为止。 板式换热器 板式换热器,具有换热效率高,物料流阻损失小,结构紧凑,温度控制灵敏、操作 弹性大,装拆方便,使用寿命长等特点,可处理的物料非常广泛,从普通的工业用水,到高 粘度的液体,从卫生要求较高的食品液体、医药物料到具有一定腐蚀性的酸碱液体,从含颗粒粉 体的液态物料到含少量纤维的悬浮液体均可采用板式换热器处理。可用于加热、冷却、蒸发、冷 凝、杀菌消毒、热力回收等场合。如冷却发电机组和整流器内循环;用于冶金矿山等机械润滑油; 液压站、蛋液、食用油的杀菌消毒,啤酒、葡萄酒的杀菌处理;用于轻纺工业、造纸行业中的余 热回收;收集冷凝水,集中供热;汽改水暧;锅炉除氧系统中的中间换热等。目前已广泛应用于 冶金、矿山、石油、化工、电力、医药、食品、化纤、轻纺、造纸、船舶和集中供热等工业部门。 结构原理 可拆卸板式换热器是由许多冲压有波纹薄板按一定间隔,四周通过垫片密封,并用框架和压 紧螺旋重叠压紧而成,板片和垫片的四个角孔形成了流体的分配管和汇集管,同时又合理地将冷 热流体分开,使其分别在每块板片两侧的流道中流动,通过板片进行热交换。 板式换热器的设计特点 1、高效节能:其换热系数在 3000~4500kcal/m2·°C·h,比管壳式换热器的热效率高 3~5 倍。 2、结构紧凑:板式换热器板片紧密排列,与其他换热器类型相比,板式换热器的占地面积和 占用空间较少,面积相同换热量的板式换热器仅为管壳式换热器的 1/5。 3、容易清洗拆装方便:板式换热器靠夹紧螺栓将夹固板板片夹紧,因此拆装方便,随时可以 打开清洗,同时由于板面光洁,湍流程度高,不易结垢。 4、使用寿命长:板式换热器采用不锈钢或钛合金板片压制,可耐各种腐蚀介质,胶垫可随意 更换,并可方便在、拆装检修。 5、适应性强:板式换热器板片为独立元件,可按要求随意增减流程,形式多样;可适用于各 种不同的、工艺的要求。 6、不串液,板式换热器密封槽设置泄液液道,各种介质不会串通,即使出现泄露,介质总是 向外排出。 2.板式换热器常见故障 2. 板式换热器常见故障 2.1 外漏 主要表现为渗漏(量不大,水滴不连续)和泄漏(量较大,水滴连续)。外漏出现的主要部位为 板片与板片之间的密封处、板片二道密封泄漏槽部位以及端部板片与压紧板内侧。 2.2 串液 主要特征为压力较高一侧的介质串入压力较低一侧的介质中,系统中会出现压力和温度的异 常。如果介质具有腐蚀性,还可能导致管路中其它设备的腐蚀。串液通常发生在导流区域或者二 道密封区域处。 2.3 压降大 介质进、出口压降超过设计要求,甚至高出设计值许多倍,严重影响系统对流量和温度的要 求。在供暖系统中,若热侧压降过大,则一次侧流量将严重不足,即热源不够,导致二次侧出温 度不能满足要求。 2.4 供热温度不能满足要求 主要特征是出口温度偏低,达不到设计要求。 .原因分析及处理方法 3 . 原因分析及处理方法 3.1 外漏 3.1.1 产生原因 ①夹紧尺寸不到位、各处尺寸不均匀(各处尺寸偏差不应大于 3 mm)或夹紧螺栓松动。② 部分 密封垫脱离密封槽,密封垫主密封面有脏物,密封垫损坏或垫片老化。③ 板片发生变形,组装错 位引起跑垫。④在板片密封槽部位或二道密封区域有裂纹。实例:北京、青海和新疆等地的多个 热力站均采用饱和蒸汽作为一次侧热源供暖,由于蒸汽温度较高,在设备运行初期系统不稳定的 情况下,橡胶密封垫在高温下失效,引起蒸汽外漏。 3.1.2 处理方法 ① 在无压状态,按制造厂提供的夹紧尺寸重新夹紧设备,尺寸应均匀一致,压紧尺寸的偏 差应不大于±0.2N (mm)(N。为板片总数),两压紧板间的平行度应保持在 2 mm 以内。② 在外漏 部位上做好标记,然后换热器解体逐一排查解决,重新装配或更换垫片和板片。③ 将开换热器解 体,对板片变形部位进行修理或者更换板片。在没有板片备件时可将变形部位板片暂时拆除后重 新组装使用。④ 重新组装拆开的板片时,应清洁板面,防止污物粘附着于垫片密封面。 3.2 串液 3.2.1 产生原因 ① 由于板材选择不当导致板片腐蚀产生裂纹或穿孑 L。②操作条件不符合设计要求。③ 板片 冷冲压成型后的残余应力和装配中夹紧尺寸过小造成应力腐蚀。④板片泄漏槽处有轻微渗漏,造 成介质中有害物质(如 C1)浓缩腐蚀板片,形成串液。实例:某铝业有限公司硫酸系统中 1 台板片 材料为 254 SMo 的 BR03 板式换热器,在运行 5 个月后出现冷却水侧碳钢接管腐蚀泄漏,酸液泄漏 到了冷却水侧。检查发现板片酸液进口处和导流区域有严重的腐蚀及开裂现象。现场分析发现, 系统运行温度、流量和浓度等工艺参数均超出设计条件,使用温度远超出材料的适用范围。采用 饱和蒸汽作为一次侧热源的板式换热器在运行过程中容易发生板片腐蚀,导致产品串液。这是 由 于蒸汽温度较高,设备运行中很容易造成橡胶密封垫在高温下失效,引起蒸汽外漏并在二道密封 区域急速冷凝。随着外漏的不断进行,冷凝残液越聚越多,局部形成 cl 质量浓度较高区域,达到 破坏板片表面钝化层的腐蚀条件。同时,由于此区域板片冷冲压形成的内部应力较大,在表面钝 化层被破坏的情况下,内部应力作用导致应力腐蚀的发生。 3.2.2 处理方法 ① 更换有裂纹或穿孑 L 板片,在现场用透光法查找板片裂纹。②调整运行参数,使其达到设 计条件。 ③换热器维修组装时夹紧尺寸应符合要求,并不是越小越好。④ 板片材料合理匹配。 3.3 压降过大 3.3.1 产生原因 ①运行系统管路未进行正常吹洗,特别是新安装系统管路中许多脏物(如焊渣等)进入板式换 热器的内部,由于板式换热器流道截面积较窄,换热器内的沉淀物和悬浮物聚集在角孑 L 处和导 流区内,导致该处的流道面积大为减小,造成压力主要损失在此部位。② 板式换热器首次选型时 面积偏小,造成板间流速过高而压降偏大。③ 板式换热器运行一段时间后,因板片表面结垢引起 压降过大。实例:2000 年我厂为提新疆用户提供了 BR10 型板式换热器,用于水一水换热的集中供 热系统, 一次供水设计温度为 130。 在换热器设计选型时, C。 传热导数偏高, 接近 5 500 w/(rn ·K), 而实际应在 3 500 w/(rn ·K)。同时,设计单位在水泵选型时流量余量又偏大,造成换热器二次 侧介质板间流速超过 1 m/s,实际运行压降在 0.2~0.3 MPa,使得二次网水力平衡严重失调。 3.3.2 处理方法 ① 清除换热器流道中的脏物或板片结垢,对于新运行的系统,根据实际情况每周清洗一次。 清洗板片表面水垢(主要指 CaCO。)时,选用含 0.3 氨基磺酸溶液或含 0.3 乌洛托平、0.2 苯 胺、0.1 硫氰酸钾的 0.8 硝酸溶液作为清洗液,清洗温度 4O~6O℃。不拆卸设备化学浸泡清洗 时,要打开换热器冷介质进、出口,或安装设备时在介质进、出口接管上安装 DN25 清洗口,将配 好的清洗液注入设备中,浸泡后用清水清洗干净残留酸液,使 pH≥7。拆开清洗时,将板片在清洗 液中浸泡 30 min,然后用软刷轻刷结垢,最后用清水清洗干净。清洗过程中应避免损伤板片与橡 胶垫。若采用不拆卸机械反冲洗方法,应事先在介质进、出口管路上接一管口,将设备与机械清 洗车连接,把清洗液按介质流动的反方向注入设备,循环清洗时间 1O~1 5 min,介质流速控制在 0.05~0.15 m/s。最后再用清水循环几遍,使清水中 Cl 质量浓度控制在 25 mg/I 以下。② 二 次循环水最好采用经过软化处理后的软水,一般要求水中悬浮物质量浓度不大于 5 mg/L、杂质直 径不大于 3 mm、pH≥ 7。当水温不大于 95℃时,Ca 、Mg 浓度应不大于 2 mmol/L;当水温大于 95|C 时,Ca 、Mg 浓度应不大于 0.3 mmol/L、溶解氧质量浓度应不大于 0.1 mg/L。 ③对于集中供热系统,可以采用一次向二次补水的方法。 3.4 供热温度不能满足要求 3.4.1 产生原因 ① 一次侧介质流量不足,导致热侧温差大,压降小。② 冷侧温度低,并且冷、热末端温度 低。③ 并联运行的多台板式换热器流量分配不均。④换热器内部结垢严重。 3.4.2 处理方法 ① 增加热源的流量或加大热源介质管路直径。 ② 平衡并联运行的多台板式换热器的流量。③拆开板式换热器清洗板片表面结垢。 1 、 主要控制参数 板水加热器的主要控制参数为水加热器的单板换热面积、总换热面积、热水产量、换热量、 传热系数 K、设计压力、工作压力、热媒参数等。 2 、 性能特点 (1)换热量高,传热系数 K 值在 3000~8000 W/(m2·K)范围,高于其它换热器型式。 (2)板式换热器具有很高的传热系数,就决定了它具有结构紧凑、体积小的特点,在每立方 米体积内可以布置 250 平方米的传热面积,大大优于其它种类的换热器。 (3)板式换热器还具有组装灵活,拆卸清洗方便的特点,可以用增减板片数量来变换换热面 积,以适应热负荷的变化。在同样一台换热器内,对于较纯净流体,还可以用增加流程数来提高 板间流速的作法,以求达到很高的传热系数。 (4)由于在板式换热器冷、热介质间采用两道密封,并在两道密封间开孔与大气相通,可以 有效的避免两种介质的混合。 3 、 分类 板式水加热器根据板式类型不同主要分为:波纹板板式水加热器,螺旋板板式水加热器等。 5 、 产品选用要点 1. 板式换热器选用控制参数为换热器材质、工作压力、设计温度等。 2. 选用换热器时,应尽量使换热系数小的一侧得到大的流速,并且尽量使两流体换热面两侧 的换热系数相等或相近,提高传热系数。经换热器加热的流体温度应比换热器出口压力下的饱度 和温度低 10℃,且应低于二次水所用水泵的工作温度。 3. 含有泥沙脏物的流体宜经过过滤后进入换热器。 4. 选用板式换热器时,温差较小侧流体的接口处流速不宜过大,应能满足压力降的要求。 5. 对于流量大允许压力降小的情况应选用阻力小的板型,反之,选用阻力大的板型。 6. 根据流体压力和温度情况选用可拆卸式或电焊式。 7. 不宜选用单板面积太小的板片,以免板片数量过多,板间流速偏小,降低传热系数。 8. 板式换热器的换热介质不宜为蒸汽。 6 、 施工 、 安装要点 1. 换热器不应有变形,紧固件不应有松动或其它机械损伤。 2. 设备吊装时,吊绳不得挂在接管、定位横梁或板片上。 3. 换热器周围预留足够空间,以便于检修。 4. 冷热介质进出口接管安装,应按照出厂铭牌所规定方向连接。 5. 连接换热器的管道应进行清洗,防止砂石焊渣等杂物进入换热器,造成堵塞。 6. 换热器应以最大工作压力的 1.5 倍做水压试验,蒸汽部分应不低于蒸汽供汽压力加 0.3MPa;热水部分应不低于 0.4MPa。 .技术参数 4 . 技术参数 BR0.05 板式换热器 单片换热面积:㎡ 板间距:mm 单流道截面积:㎡ 最大处理量:m³/h 板片外形尺寸:mm 有效换热面积:㎡ 单片重量:kg 角孔尺寸:mm 波纹高度:mm 波纹型式 BR0.23 型板式换热器 0.051 3.8 0.000494 10 495*164*0.8 0.051 0.5 40 3.0 等腰三角形 法兰通径:DNmm 工作温度:℃ 工作压力:MPa 角孔直径:mm 法向波纹节距:mm 流道宽度:mm 平均板间距:mm 平均流道截面积:㎡ 平均当量直径:mm 板片材料 25 ≤180 1.6,2.5 40 15 130 3.8 0.000494 6.0 SUS 304 316 316L 单片换热面积:㎡ 板间距:mm 单流道截面积:㎡ 最大处理量:m³/h 板片外形尺寸:mm 有效换热面积:㎡ 单片重量:kg 角孔尺寸:mm 波纹高度:mm 波纹型式 板式换热器维修案例 0.238 4.2 0.00098 40,60 992*325*0.7 0.238 1.79 67 3.5 等腰三角形 法兰通径:DNmm 工作温度:℃ 工作压力:MPa 角孔直径:mm 法向波纹节距:mm 流道宽度:mm 平均板间距:mm 平均流道截面积:㎡ 平均当量直径:mm 板片材料 65 ≤230 0.6,1.0,1.6,2.0 67 15 290 4.2 0.00098 7.0 304 316L 某油脂公司的板式换热器,管板材质为 304 不锈钢,共计 100 片,换热面积 100 平方米,由 于在使用环境中受到介质腐蚀,在使用一年后就出现管板腐蚀渗漏现象,管板减薄严重甚至穿孔, 严重影响到了换热效率和企业正常的生产,传统方法难以补焊,只能报废更换。采用福世蓝技术 现场修复,免打压试验,企业采购福世蓝材料自主修复,修复费用仅仅为 3000 余元,为更换新设 备的十分之一。不仅仅提高了企业的劳动效率,并为企业节省了大量的维修费用。 板式换热器类型 用板材构成传热面的间壁式换热器。这类换热器结构紧凑,单位体积的传热面积较大。其主 要类型有: ① 螺旋板式换热器 由两张保持一定间距的平行金属板卷制而成(图 1),冷、热流体分别 [ 1] 在金属板两侧的螺旋形通道内流动。这种换热器的传热系数高(约比管壳式换热器高 1~4 倍), 平均温度差大(因冷、热流体可作完全的逆流流动),流动阻力小,不易结垢;但维修困难。使 用压力不超过 2MPa。 板式换热器 ② 平板式换热器 由一定形状的波纹薄板和密封垫片交互叠合, 并用框架夹紧组装而成 (图 2)。冷、热流体分别在波纹板两侧的流道中流过,经板片进行换热。波纹板通常由厚度为 0.5~ 3mm 的不锈钢、铝、钛、钼等薄板冲制而成。平板式换热器的优点是传热系数高(约比管壳式换热 器高 2~4 倍),容易拆洗,并可增减板片数以调整传热面积。操作压力通常不超过 2MPa,操作温 度不超过 250℃。 板式换热器 ③ 板翅式换热器 由封闭在带有冷、热流体进出口的集流箱中的换热板束构成。板束由平 板和波纹翅片交互叠合,钎焊固定而成(图 3)。冷、热流体流经平板两侧换热,翅片增加了传热面 积, 又促进了流体的湍动, 并对设备有增强作用。 板翅式换热器结构非常紧凑(换热面积达 4400m/m), 传热效果好,且使用压力可达 15MPa。但它的制造工艺复杂,流道小,内漏不易修复,因而限用于 清洁的无腐蚀性流体,如作空气分离用的换热器
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