板式熱交換器的特點

板式熱交換器是一種新型效率高的換熱設(shè)備，它具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小，易于安裝得優(yōu)勢，并且可根據(jù)不同的工藝要求，非常方便地組合成任意流量形式，因而它被應(yīng)用石油、化工、冶金、機械、輕工、食品、電力、涂裝、供熱等工業(yè)領(lǐng)域，近年來在微電子行業(yè)的冷卻水、純水和超純水系統(tǒng)中也被采用。

板式熱交換器的工作原理

板式熱交換器的工作是通過傳熱機理進行的，根據(jù)熱力學(xué)定律，熱量總是由高溫物體自發(fā)地專傳向低溫物體。當兩種流體存在溫度差時，就必然有熱量進行傳遞，兩種存在溫度差的流體在受迫對流傳熱過程中，由于板式換熱器的換熱片表面采用瓦楞波結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，使其熱交換率達到92%以上，即使流體流速在雷諾準數(shù)值以***體在板片之間的運動亦呈三維運用，促使流體形成劇烈紊動，減少邊界層熱阻，強化傳熱效率。

冷媒流體換熱片與工作流體換熱片，實際上是同一換熱片經(jīng)過180°的旋轉(zhuǎn)，使其瓦楞波結(jié)構(gòu)在冷媒流體側(cè)朝上排列，低溫度的冷凍水從換熱片的下面進入，通過瓦楞波結(jié)構(gòu)的換熱片換熱后溫度升高，從換熱器的上面流出，而在工作流體側(cè)則恰好相反，瓦楞波結(jié)構(gòu)是朝下排列的，溫度較高的冷卻水從換熱片的上面進入，通過瓦楞波結(jié)構(gòu)的換熱片換熱后溫度降低，從換熱片的下面流出，這樣就完成了冷卻水的整個熱交換過程，然而當冷媒流體為高溫熱水，工作流體為溫度較低的冷水時，則必須使工作流體從換熱器的下面進入，設(shè)置瓦楞波結(jié)構(gòu)的目的是流道比較均勻，另外流體經(jīng)過瓦楞波結(jié)構(gòu)流動時總是朝著邊緣流動，這樣可以減少邊緣效應(yīng)，防止污垢在邊緣處積累和沉降，而管式換熱器則難以避免這一問題。

換熱器的熱阻

由于冷凍水(冷媒流體)與循環(huán)冷卻水(工作流體)不是直接接觸的，它們是通過換熱片將循環(huán)冷卻水的熱量傳給冷凍水，此時較高溫度的循環(huán)冷卻水的溫度降低成為低溫流體，當換熱片兩側(cè)的流體為恒溫傳熱時，它包括了三個過程：1)循環(huán)冷卻水(工作流體)流動過程中把熱量傳到換熱片壁上的對流傳熱過程;2)穿過換熱片的導(dǎo)熱過程;3)由另一側(cè)的換熱片壁把熱量傳給冷凍水(冷媒流體)的對流傳熱。

F1表示工作流體(冷卻循環(huán)水)一側(cè)傳熱面積m2;

F2表示冷媒來體(冷卻循環(huán)水)一側(cè)傳熱面積m2;

Fm表示換熱片的平均面積m2;

δ表示換熱片的厚度m;

λ為換熱片材質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)W(m2×K)-1;

a1、a2分別為工作流體側(cè)和冷媒流體側(cè)的導(dǎo)熱系數(shù)W(m2×K)-1;

R和RF則分別表示工作流體側(cè)的污垢熱阻和冷媒流體側(cè)的污垢熱阻。

比較式(1)和式(2)可知，有污垢時的熱阻式(2)增加了工作流體(循環(huán)冷卻水)一側(cè)的污垢熱阻R和冷媒流體(冷凍水)一側(cè)的污垢熱阻RF兩項熱阻。這就使得整個換熱器的熱傳導(dǎo)效率下降，能耗增加，因此在換熱器的實際運行中，必需設(shè)法減少換熱片表面不形成污垢，或者及時清理換熱片表面已經(jīng)形成的污垢，以利節(jié)能。

水垢的形成及危害

冷卻水在熱交換過程中，由于冷媒流體(冷凍水)吸收了工作流體(冷卻水)的熱量，使其溫度上升，此時原來溶于水中的Ca(HCO3)2和Mg(HCO3)2在溫度的作用下析出CO2生成微溶于水的CaCO3和MgCO3。由于CaCO3和MgCO3的溶解度隨溫度的上升而下降，從水中結(jié)晶析出，當這些結(jié)晶物不斷地沉積于換熱器表面，便形成了很硬的水垢，其反應(yīng)如下：

Ca(HCO3)2=CaCO3↓+CO2↑+H2O

Mg(HCO3)2=MgCO3↓+CO2↑+H2O

水垢的主要危害是降低交換器的換熱效率，造成能耗的增加，此外當水垢出現(xiàn)在工作流體(冷卻水)側(cè)時，會引起冷卻水的流量不足和壓力降低，嚴重時造成停產(chǎn)。

Kotz發(fā)現(xiàn)，冷凝管中的水垢厚度在0.3mm時，其熱交換的效率降低21%，表1列出的是換熱器管壁水垢厚度與熱交換效率的關(guān)系，由表1可以看到，當水垢厚度達到1.6mm，其熱損失高達75%以上，這表明水垢對熱交換器的性能影響是相當嚴重的，為了能使熱交換器工作性能正常，定期進行清洗，徹底清理水垢是必要的。

換熱器的污堵與清洗

板式換熱器使用一段時間后，由于水垢的形成、滋生的有害物以及瘀泥的沉積等共同作用，會使換熱器發(fā)生污堵后，換熱效率下降，冷媒耗量明顯增加，此時通過正確的清洗方式可使其恢復(fù)原有性能。

然而板式換熱器由于構(gòu)造上的特殊性，其維修、清洗和部件更換等要求有較高的專門技術(shù)水平，否則不僅達不到預(yù)期效果，反而會發(fā)生設(shè)備漏水、變形甚至損壞等嚴重故障。因此大多數(shù)板式換熱器的用戶，都是請原設(shè)備廠家或可靠的公司進行維修和清洗的。

我們通過幾年的實踐摸索，逐漸掌握了板式換熱器的維修、清洗和部件更換的方法，自行對冷卻循環(huán)水用的板式熱交換器進行清洗和維護，省去了昂貴的清洗費用，并取得了非常好的效果。 圖2(a)是熱交換器清洗前的單個換熱片的圖片，由圖2(a)可以看到清洗前的換熱片，其水流通過已被污垢完全堵塞，此時要想達到原來的額定流量，有必須增加進水壓力，即增加水泵的動力能耗，另一方面，換熱片結(jié)垢之后，其熱阻明顯增加，此時的冷媒(或熱媒)流體不容易把冷量(或熱量)傳輸?shù)奖唤粨Q的工作流體側(cè)，此時，即使是通入熱交換器的冷媒(或熱媒)流量不變，其換熱效率將明顯變差，在這種情況下，若工藝依然要求維持原有的交換效率不變，則必須在提高進水壓力的同時加大進入熱交換器的流量，這就遭到了雙重的能耗增加。 圖2(b)是熱交換器清洗后的單個換熱片的圖片，由圖2(b)可以看到熱交換器清洗后其污垢已被徹底清理，換熱片表面光亮如新，此時熱交換效率即恢復(fù)到原來水平。

熱交換器清洗后的效果

通過熱交換器清洗前后冷凍水的消耗量統(tǒng)計比較，驗證了熱交換器的清洗效果，結(jié)果如圖3所示，圖中2004年曲線為換熱器清洗后冷凍水的月消耗情況，2005年曲線為換熱器清洗后冷凍水的月消耗情況。比較2004年和2005年兩條不同曲線可以看到，2005年換熱器清洗后，其冷凍水的月消耗量明顯低于2004年同期，表明換熱器清洗后具有非常良好的節(jié)能效果。

在圖中2004年的曲線中，3月份有一個較低的拐點，這是當時采用化學(xué)品清洗后出現(xiàn)的短暫效果，但很快又回到了原來狀態(tài)，這表明化學(xué)清洗方式是不徹底的，污泥等很容易在換熱片表面再度繁殖，重新出現(xiàn)污堵情況，因而比較理想的清洗方法是將換熱器拆開，對單個換熱片進行刷洗。2005年的曲線圖即是換熱器拆開刷洗后，冷凍水的月消耗量的統(tǒng)計結(jié)果，由圖可以看到它為一條平穩(wěn)的曲線，表明冷凍水的耗量相當穩(wěn)定。

結(jié)論

在設(shè)備冷卻循環(huán)水中，采用高效率的板式換熱器有利于節(jié)能降耗。板式換熱器在使用過程中，由于淤泥的沉積會出現(xiàn)污堵，使能耗明顯增加，選擇合適的清洗方法是板式換熱器恢復(fù)性能的關(guān)鍵所在。化學(xué)清洗只能短暫恢復(fù)性能，而拆洗除污的方法可的恢復(fù)性能，使能耗明顯降低，為使熱交換器的工作性能正常，定期對熱交換器進行清洗是必要的。