板式换热器强化传热的研究

板式换热器强化传热的研究

一、板换热技术中采用民主热传技术的必要性间接互联加热系统具有可靠的操作和方便调整的特点。在中国广泛使用。在天津开发区也是这样一种方法。此种系统要求在一定的供暖区域内建立换热站,将由锅炉生产的一次热媒(蒸汽、热水)与二次热媒(采暖系统循环回水)进行换热,最终将升温的热媒供于用户。在这一环节中,存在较大的能耗,相应具有较大的节能潜力,对工艺的良性改进将产生巨大的效益。如何在已有的设备条件下,增强换热,节能降耗,是摆在我们面前的一个重要课题。在换热站中换热器无疑是最重要的设备,它换热效率的高低直接影响着整个供热系统的热效率。经过实践检验,在众多形式的换热器中,板式换热器具有良好的传热性能和优越的流通性能。其传热效率高,结构紧凑,安装维修方便,可根据需要改变换热面积及流程组合,特别适用于集中供热,特别是水—水换热,应用的非常普遍。但是,在实际运行中,我们碰到了一些问题是值得研究和商榷的。比如,水在板换中的流速问题,在汽—水换热中如何利用板换等。本文将对以上问题展开讨论,以期更好的发挥板换高效传热的特性。由于一次热媒分为水和蒸汽,我们必须对此分别讨论。二、型别墅床的原理1、制冷却器的理论模型对于板式换热器,如图一,可以抽象为平壁换热。2、提高传热系数k由传热学知识(1)常表示为(3)式称为传热方程式,比例系数k为传热系数。显然对比三式可知由以上各式不难推断,所谓强化传热,是指提高换热设备单位面积的传热量(热流密度),使换热设备达到体积小、重量轻的目的,或是在已有的设备条件下,使热媒的流量减小,从而节约电能。提高传热系数k,也就是降低单位面积的总热阻。一般板换换热面的厚度较小而导热系数λ较大,故要提高换热系数,必须增大换热壁两侧的对流换热系数α1、α2。根据狄特斯和玻尔特公式式中———Re为雷诺数———Pr为普朗特数———下标f表示换热器两侧流体的平均温度而α=Nufλf/D其中λ为水的导热系数,D为板换的定型尺寸,由理论和实验可知,当水的流动开始由层流向紊流过渡后,即Re≥2200后,Nu数随着Re数的增加而增加。而Re数的增加取决于水流速的增加,由此我们可以看出增大水的流速将是强化板换换热的重要手段。三、通过将地板替换为水-水交换，提高了纸浆交换效率1、板换水流速及传热面积从板换板型的强化传热方面看,国内的产品并不比国外产品差很多。但国内外相同传热面积允许带的采暖面积差很多,主要原因是设计指导思想问题。在国内设计人员中,普遍认为板换的一次侧压降不能超过0.07MPa。由于这一限制,板换内的水流速通常在0.2—0.3m/s之间。与这一流速相对应,传热系数只有2000-3000W/m2。由于传热系数选用过低,在传热面积估算时通常认为一平方米的传热面积只能供500平方米的住宅建筑面积。实际上国产板换,当水流速达到0.5—0.6m/s时,传热系数一般都能达到5000-6000W/m2。也就是说按此作为运行参数指定的依据,1平方米的传热面积就可供800平方米以上的住宅建筑面积。2、解决热力站的压降问题应该看到板换的最大优点就是高效传热,如果我们的板换不在5000～6000W/m2下运行,而是在2000～3000W/m2下运行,那就是舍其长而用其短,不但在技术上是不合理的,而且在经济上也是很大浪费。那么,板换的允许压降为什么不可以突破0.07MPa呢?比较流行的说法,是怕提高循环水泵扬程,增加电耗,也怕外网提供不了更大的资用压头。实际上这些担心是没有必要的。首先,把供热系统看成一个整体,从系统设计水压图上分析,就能发现,随着热源的丰富,其一次外网的资用压头都有足够的富余。而在实际运行中,人们又常常看到,系统的末端热力站给不出足够的资用压头。这种设计工况和与运行工况的不一致,也就是水平失调,正是由于系统中上游的热力站实际压降过小,没有把多余的资用压头消耗掉的原因所致。这就造成了中上游各站瓜分下游站热媒的情况。从这个意义上讲加大供热系统中上游热力站的允许压降,不但可以增加板换流速、强化其传热性能,而且能够消除其多余资用压头。况且我们系统的水力平衡措施已增加很多,可以通过加装自力式平衡阀(可在一定压力范围内限制流量)的方法进行系统控制,还可用中继泵对最不利路径采取局部改进的方法。其次,至于说,增加板换的允许压降,一定要提高系统循环水泵扬程,这个问题值得商榷。由于一次网水平失调的存在,系统的压降较小,泵的工作点不在最佳范围内,适当的增加中上游压降将使工作点上移(如图二),这样足以改善循环水泵的有效功率,增加泵的效率。而且由于系统的水力失调得到控制,板式换热器换热的加强,使得一次热媒的需要量减小,可以达到节能的目的。因为泵轴功率与流量的三次方成正比,反之要消耗更多的电能。如一般3万平方米左右建筑面积的供热系统,循环水泵的电功率在15～30kW之间,若循环水量提高1.4倍,水泵的电功率则提高2.7倍,达41～82kW。从拆检后板换来看,那些流速高的换热器结垢量远小于流速较低的板换,前面理论模型中未考虑水垢热阻,但它在实际中往往是不可忽略的,我们提高板换中水的流速在很大程度上可抑制水垢的生成。综上分析,应该将板换的压降从目前0.07MPa,提高到0.1～0.12MPa,使板换的流速达到0.5～0.6m/s,传热系数为5000～6000W/m2。因此对于水—水换热工艺,可在实际运行中通过合理提高流速,强化传热。四、采用小型sec装置进行蒸汽加热的应用1、管壳式和螺旋板式冷凝剂的换热方式对于汽—水换热的情况,由于蒸汽的压力和温度往往高于板换的耐温额定值,我们不能直接将其用于汽水换热。在传统设计中常用管壳式和螺旋板式进行此类换热,但由于它们的换热效率较低,一次热媒换热后形成凝结水温度往往在80摄氏度以上,而且含汽量较大,不利于冷凝水的回收和能源的节约。特别是在离热源厂较远的换热站,冷凝水只能排放于二次网的补水箱中,这部分热能只能散失到大气中。2、蒸汽喷射泵改造如果我们在原有换热器后串联板式换热器,将冷凝水作为它的一次热媒,对供热系统的回水进行预热,这样可节省大量能源。但由于管壳式和螺旋板式容易结垢,且由于调节需要,蒸汽的压力往往不是很高,冷凝水的流速受影响,预热过程往往不起很大作用。可以利用蒸汽喷射泵解决此类问题,图三为蒸汽喷射泵的构造简图与静压变化图。蒸汽喷射泵的工作介质是蒸汽,压力为P0的蒸汽在喷管中进行绝热膨胀后,以很高的流速vp从喷射口喷射出来,卷吸周围的被引射水,使被引射水具有一定的速度进入混合室,同时蒸汽凝结于水。在混合室入口处,水的速度场很不均匀,经过混合室使混合水的流速得以均衡,使压力从混合室入口压力P2升至混合室出口压力P3。再经过扩散管混合水压力升高至Pg流出喷射泵。喷射泵的造价较低,很适于对老站的改造,而且节能效果明显。改造后的水水+汽水二级换热工艺如图四所示。进入汽水换热器的蒸汽分为两路,其一进汽水换热器,另一进入蒸汽喷射泵,作为抽引用汽,汽水混合