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板式换热器的污堵与清洗及其对能耗的影响调维修

人气:5280 发表时间:2022-08-01

板式热交换器的特点

板式热交换器是一种新型效率高的换热设备,它具有传热效率高、结构紧凑、占地面积小,易于安装得优势,并且可根据不同的工艺要求,非常方便地组合成任意流量形式,因而它被应用石油、化工、冶金、机械、轻工、食品、电力、涂装、供热等工业领域,近年来在微电子行业的冷却水、纯水和超纯水系统中也被采用。

板式热交换器的工作原理

板式热交换器的工作是通过传热机理进行的,根据热力学定律,热量总是由高温物体自发地专传向低温物体。当两种流体存在温度差时,就必然有热量进行传递,两种存在温度差的流体在受迫对流传热过程中,由于板式换热器的换热片表面采用瓦楞波结构优化设计,使其热交换率达到92%以上,即使流体流速在雷诺准数值以***体在板片之间的运动亦呈三维运用,促使流体形成剧烈紊动,减少边界层热阻,强化传热效率。

冷媒流体换热片与工作流体换热片,实际上是同一换热片经过180°的旋转,使其瓦楞波结构在冷媒流体侧朝上排列,低温度的冷冻水从换热片的下面进入,通过瓦楞波结构的换热片换热后温度升高,从换热器的上面流出,而在工作流体侧则恰好相反,瓦楞波结构是朝下排列的,温度较高的冷却水从换热片的上面进入,通过瓦楞波结构的换热片换热后温度降低,从换热片的下面流出,这样就完成了冷却水的整个热交换过程,然而当冷媒流体为高温热水,工作流体为温度较低的冷水时,则必须使工作流体从换热器的下面进入,设置瓦楞波结构的目的是流道比较均匀,另外流体经过瓦楞波结构流动时总是朝着边缘流动,这样可以减少边缘效应,防止污垢在边缘处积累和沉降,而管式换热器则难以避免这一问题。

换热器的热阻

由于冷冻水(冷媒流体)与循环冷却水(工作流体)不是直接接触的,它们是通过换热片将循环冷却水的热量传给冷冻水,此时较高温度的循环冷却水的温度降低成为低温流体,当换热片两侧的流体为恒温传热时,它包括了三个过程:1)循环冷却水(工作流体)流动过程中把热量传到换热片壁上的对流传热过程;2)穿过换热片的导热过程;3)由另一侧的换热片壁把热量传给冷冻水(冷媒流体)的对流传热。

F1表示工作流体(冷却循环水)一侧传热面积m2;

F2表示冷媒来体(冷却循环水)一侧传热面积m2;

Fm表示换热片的平均面积m2;

δ表示换热片的厚度m;

λ为换热片材质的导热系数W(m2×K)-1;

a1、a2分别为工作流体侧和冷媒流体侧的导热系数W(m2×K)-1;

R和RF则分别表示工作流体侧的污垢热阻和冷媒流体侧的污垢热阻。

比较式(1)和式(2)可知,有污垢时的热阻式(2)增加了工作流体(循环冷却水)一侧的污垢热阻R和冷媒流体(冷冻水)一侧的污垢热阻RF两项热阻。这就使得整个换热器的热传导效率下降,能耗增加,因此在换热器的实际运行中,必需设法减少换热片表面不形成污垢,或者及时清理换热片表面已经形成的污垢,以利节能。

水垢的形成及危害

冷却水在热交换过程中,由于冷媒流体(冷冻水)吸收了工作流体(冷却水)的热量,使其温度上升,此时原来溶于水中的Ca(HCO3)2和Mg(HCO3)2在温度的作用下析出CO2生成微溶于水的CaCO3和MgCO3。由于CaCO3和MgCO3的溶解度随温度的上升而下降,从水中结晶析出,当这些结晶物不断地沉积于换热器表面,便形成了很硬的水垢,其反应如下:

Ca(HCO3)2=CaCO3↓+CO2↑+H2O

Mg(HCO3)2=MgCO3↓+CO2↑+H2O

水垢的主要危害是降低交换器的换热效率,造成能耗的增加,此外当水垢出现在工作流体(冷却水)侧时,会引起冷却水的流量不足和压力降低,严重时造成停产。

Kotz发现,冷凝管中的水垢厚度在0.3mm时,其热交换的效率降低21%,表1列出的是换热器管壁水垢厚度与热交换效率的关系,由表1可以看到,当水垢厚度达到1.6mm,其热损失高达75%以上,这表明水垢对热交换器的性能影响是相当严重的,为了能使热交换器工作性能正常,定期进行清洗,彻底清理水垢是必要的。

换热器的污堵与清洗

板式换热器使用一段时间后,由于水垢的形成、滋生的有害物以及瘀泥的沉积等共同作用,会使换热器发生污堵后,换热效率下降,冷媒耗量明显增加,此时通过正确的清洗方式可使其恢复原有性能。

然而板式换热器由于构造上的特殊性,其维修、清洗和部件更换等要求有较高的专门技术水平,否则不仅达不到预期效果,反而会发生设备漏水、变形甚至损坏等严重故障。因此大多数板式换热器的用户,都是请原设备厂家或可靠的公司进行维修和清洗的。

我们通过几年的实践摸索,逐渐掌握了板式换热器的维修、清洗和部件更换的方法,自行对冷却循环水用的板式热交换器进行清洗和维护,省去了昂贵的清洗费用,并取得了非常好的效果。 图2(a)是热交换器清洗前的单个换热片的图片,由图2(a)可以看到清洗前的换热片,其水流通过已被污垢完全堵塞,此时要想达到原来的额定流量,有必须增加进水压力,即增加水泵的动力能耗,另一方面,换热片结垢之后,其热阻明显增加,此时的冷媒(或热媒)流体不容易把冷量(或热量)传输到被交换的工作流体侧,此时,即使是通入热交换器的冷媒(或热媒)流量不变,其换热效率将明显变差,在这种情况下,若工艺依然要求维持原有的交换效率不变,则必须在提高进水压力的同时加大进入热交换器的流量,这就遭到了双重的能耗增加。 图2(b)是热交换器清洗后的单个换热片的图片,由图2(b)可以看到热交换器清洗后其污垢已被彻底清理,换热片表面光亮如新,此时热交换效率即恢复到原来水平。

热交换器清洗后的效果

通过热交换器清洗前后冷冻水的消耗量统计比较,验证了热交换器的清洗效果,结果如图3所示,图中2004年曲线为换热器清洗后冷冻水的月消耗情况,2005年曲线为换热器清洗后冷冻水的月消耗情况。比较2004年和2005年两条不同曲线可以看到,2005年换热器清洗后,其冷冻水的月消耗量明显低于2004年同期,表明换热器清洗后具有非常良好的节能效果。

在图中2004年的曲线中,3月份有一个较低的拐点,这是当时采用化学品清洗后出现的短暂效果,但很快又回到了原来状态,这表明化学清洗方式是不彻底的,污泥等很容易在换热片表面再度繁殖,重新出现污堵情况,因而比较理想的清洗方法是将换热器拆开,对单个换热片进行刷洗。2005年的曲线图即是换热器拆开刷洗后,冷冻水的月消耗量的统计结果,由图可以看到它为一条平稳的曲线,表明冷冻水的耗量相当稳定。

结论

在设备冷却循环水中,采用高效率的板式换热器有利于节能降耗。板式换热器在使用过程中,由于淤泥的沉积会出现污堵,使能耗明显增加,选择合适的清洗方法是板式换热器恢复性能的关键所在。化学清洗只能短暂恢复性能,而拆洗除污的方法可的恢复性能,使能耗明显降低,为使热交换器的工作性能正常,定期对热交换器进行清洗是必要的。

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