板式換熱器強(qiáng)化傳熱的研究

一、板換熱技術(shù)中采用民主熱傳技術(shù)的必要性間接互聯(lián)加熱系統(tǒng)具有可靠的操作和方便調(diào)整的特點(diǎn)。在中國廣泛使用。在天津開發(fā)區(qū)也是這樣一種方法。此種系統(tǒng)要求在一定的供暖區(qū)域內(nèi)建立換熱站,將由鍋爐生產(chǎn)的一次熱媒(蒸汽、熱水)與二次熱媒(采暖系統(tǒng)循環(huán)回水)進(jìn)行換熱,最終將升溫的熱媒供于用戶。在這一環(huán)節(jié)中,存在較大的能耗,相應(yīng)具有較大的節(jié)能潛力,對工藝的良性改進(jìn)將產(chǎn)生巨大的效益。如何在已有的設(shè)備條件下,增強(qiáng)換熱,節(jié)能降耗,是擺在我們面前的一個重要課題。在換熱站中換熱器無疑是最重要的設(shè)備,它換熱效率的高低直接影響著整個供熱系統(tǒng)的熱效率。經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn),在眾多形式的換熱器中,板式換熱器具有良好的傳熱性能和優(yōu)越的流通性能。其傳熱效率高,結(jié)構(gòu)緊湊,安裝維修方便,可根據(jù)需要改變換熱面積及流程組合,特別適用于集中供熱,特別是水—水換熱,應(yīng)用的非常普遍。但是,在實(shí)際運(yùn)行中,我們碰到了一些問題是值得研究和商榷的。比如,水在板換中的流速問題,在汽—水換熱中如何利用板換等。本文將對以上問題展開討論,以期更好的發(fā)揮板換高效傳熱的特性。由于一次熱媒分為水和蒸汽,我們必須對此分別討論。二、型別墅床的原理1、制冷卻器的理論模型對于板式換熱器,如圖一,可以抽象為平壁換熱。2、提高傳熱系數(shù)k由傳熱學(xué)知識(1)常表示為(3)式稱為傳熱方程式,比例系數(shù)k為傳熱系數(shù)。顯然對比三式可知由以上各式不難推斷,所謂強(qiáng)化傳熱,是指提高換熱設(shè)備單位面積的傳熱量(熱流密度),使換熱設(shè)備達(dá)到體積小、重量輕的目的,或是在已有的設(shè)備條件下,使熱媒的流量減小,從而節(jié)約電能。提高傳熱系數(shù)k,也就是降低單位面積的總熱阻。一般板換換熱面的厚度較小而導(dǎo)熱系數(shù)λ較大,故要提高換熱系數(shù),必須增大換熱壁兩側(cè)的對流換熱系數(shù)α1、α2。根據(jù)狄特斯和玻爾特公式式中———Re為雷諾數(shù)———Pr為普朗特數(shù)———下標(biāo)f表示換熱器兩側(cè)流體的平均溫度而α=Nufλf/D其中λ為水的導(dǎo)熱系數(shù),D為板換的定型尺寸,由理論和實(shí)驗(yàn)可知,當(dāng)水的流動開始由層流向紊流過渡后,即Re≥2200后,Nu數(shù)隨著Re數(shù)的增加而增加。而Re數(shù)的增加取決于水流速的增加,由此我們可以看出增大水的流速將是強(qiáng)化板換換熱的重要手段。三、通過將地板替換為水-水交換，提高了紙漿交換效率1、板換水流速及傳熱面積從板換板型的強(qiáng)化傳熱方面看,國內(nèi)的產(chǎn)品并不比國外產(chǎn)品差很多。但國內(nèi)外相同傳熱面積允許帶的采暖面積差很多,主要原因是設(shè)計指導(dǎo)思想問題。在國內(nèi)設(shè)計人員中,普遍認(rèn)為板換的一次側(cè)壓降不能超過0.07MPa。由于這一限制,板換內(nèi)的水流速通常在0.2—0.3m/s之間。與這一流速相對應(yīng),傳熱系數(shù)只有2000-3000W/m2。由于傳熱系數(shù)選用過低,在傳熱面積估算時通常認(rèn)為一平方米的傳熱面積只能供500平方米的住宅建筑面積。實(shí)際上國產(chǎn)板換,當(dāng)水流速達(dá)到0.5—0.6m/s時,傳熱系數(shù)一般都能達(dá)到5000-6000W/m2。也就是說按此作為運(yùn)行參數(shù)指定的依據(jù),1平方米的傳熱面積就可供800平方米以上的住宅建筑面積。2、解決熱力站的壓降問題應(yīng)該看到板換的最大優(yōu)點(diǎn)就是高效傳熱,如果我們的板換不在5000～6000W/m2下運(yùn)行,而是在2000～3000W/m2下運(yùn)行,那就是舍其長而用其短,不但在技術(shù)上是不合理的,而且在經(jīng)濟(jì)上也是很大浪費(fèi)。那么,板換的允許壓降為什么不可以突破0.07MPa呢?比較流行的說法,是怕提高循環(huán)水泵揚(yáng)程,增加電耗,也怕外網(wǎng)提供不了更大的資用壓頭。實(shí)際上這些擔(dān)心是沒有必要的。首先,把供熱系統(tǒng)看成一個整體,從系統(tǒng)設(shè)計水壓圖上分析,就能發(fā)現(xiàn),隨著熱源的豐富,其一次外網(wǎng)的資用壓頭都有足夠的富余。而在實(shí)際運(yùn)行中,人們又常常看到,系統(tǒng)的末端熱力站給不出足夠的資用壓頭。這種設(shè)計工況和與運(yùn)行工況的不一致,也就是水平失調(diào),正是由于系統(tǒng)中上游的熱力站實(shí)際壓降過小,沒有把多余的資用壓頭消耗掉的原因所致。這就造成了中上游各站瓜分下游站熱媒的情況。從這個意義上講加大供熱系統(tǒng)中上游熱力站的允許壓降,不但可以增加板換流速、強(qiáng)化其傳熱性能,而且能夠消除其多余資用壓頭。況且我們系統(tǒng)的水力平衡措施已增加很多,可以通過加裝自力式平衡閥(可在一定壓力范圍內(nèi)限制流量)的方法進(jìn)行系統(tǒng)控制,還可用中繼泵對最不利路徑采取局部改進(jìn)的方法。其次,至于說,增加板換的允許壓降,一定要提高系統(tǒng)循環(huán)水泵揚(yáng)程,這個問題值得商榷。由于一次網(wǎng)水平失調(diào)的存在,系統(tǒng)的壓降較小,泵的工作點(diǎn)不在最佳范圍內(nèi),適當(dāng)?shù)脑黾又猩嫌螇航祵⑹构ぷ鼽c(diǎn)上移(如圖二),這樣足以改善循環(huán)水泵的有效功率,增加泵的效率。而且由于系統(tǒng)的水力失調(diào)得到控制,板式換熱器換熱的加強(qiáng),使得一次熱媒的需要量減小,可以達(dá)到節(jié)能的目的。因?yàn)楸幂S功率與流量的三次方成正比,反之要消耗更多的電能。如一般3萬平方米左右建筑面積的供熱系統(tǒng),循環(huán)水泵的電功率在15～30kW之間,若循環(huán)水量提高1.4倍,水泵的電功率則提高2.7倍,達(dá)41～82kW。從拆檢后板換來看,那些流速高的換熱器結(jié)垢量遠(yuǎn)小于流速較低的板換,前面理論模型中未考慮水垢熱阻,但它在實(shí)際中往往是不可忽略的,我們提高板換中水的流速在很大程度上可抑制水垢的生成。綜上分析,應(yīng)該將板換的壓降從目前0.07MPa,提高到0.1～0.12MPa,使板換的流速達(dá)到0.5～0.6m/s,傳熱系數(shù)為5000～6000W/m2。因此對于水—水換熱工藝,可在實(shí)際運(yùn)行中通過合理提高流速,強(qiáng)化傳熱。四、采用小型sec裝置進(jìn)行蒸汽加熱的應(yīng)用1、管殼式和螺旋板式冷凝劑的換熱方式對于汽—水換熱的情況,由于蒸汽的壓力和溫度往往高于板換的耐溫額定值,我們不能直接將其用于汽水換熱。在傳統(tǒng)設(shè)計中常用管殼式和螺旋板式進(jìn)行此類換熱,但由于它們的換熱效率較低,一次熱媒換熱后形成凝結(jié)水溫度往往在80攝氏度以上,而且含汽量較大,不利于冷凝水的回收和能源的節(jié)約。特別是在離熱源廠較遠(yuǎn)的換熱站,冷凝水只能排放于二次網(wǎng)的補(bǔ)水箱中,這部分熱能只能散失到大氣中。2、蒸汽噴射泵改造如果我們在原有換熱器后串聯(lián)板式換熱器,將冷凝水作為它的一次熱媒,對供熱系統(tǒng)的回水進(jìn)行預(yù)熱,這樣可節(jié)省大量能源。但由于管殼式和螺旋板式容易結(jié)垢,且由于調(diào)節(jié)需要,蒸汽的壓力往往不是很高,冷凝水的流速受影響,預(yù)熱過程往往不起很大作用。可以利用蒸汽噴射泵解決此類問題,圖三為蒸汽噴射泵的構(gòu)造簡圖與靜壓變化圖。蒸汽噴射泵的工作介質(zhì)是蒸汽,壓力為P0的蒸汽在噴管中進(jìn)行絕熱膨脹后,以很高的流速vp從噴射口噴射出來,卷吸周圍的被引射水,使被引射水具有一定的速度進(jìn)入混合室,同時蒸汽凝結(jié)于水。在混合室入口處,水的速度場很不均勻,經(jīng)過混合室使混合水的流速得以均衡,使壓力從混合室入口壓力P2升至混合室出口壓力P3。再經(jīng)過擴(kuò)散管混合水壓力升高至Pg流出噴射泵。噴射泵的造價較低,很適于對老站的改造,而且節(jié)能效果明顯。改造后的水水+汽水二級換熱工藝如圖四所示。進(jìn)入汽水換熱器的蒸汽分為兩路,其一進(jìn)汽水換熱器,另一進(jìn)入蒸汽噴射泵,作為抽引用汽,汽水混合