板式换热器在电厂中的应用研究

任改霞 赵 锋

(1．西安科技大学高新学院建筑与土木工程学院，陕西西安 710109;2．中广核工程有限公司，广东深圳 518124)

0 引言

换热器又称热交换器，是将部分热量从热流体传递给冷流体的设备，可实现工艺过程对介质的特定温度需求，它广泛应用于电力、化工、石油、动力等工业领域，并在国家生产建设中占有重要地位［1］。换热器的形式多种多样，根据换热器的结构进行分类，常见的换热器包括了管壳式换热器、板式换热器、波纹管式换热器、螺旋板式换热器等。其中工业领域应用最为广泛的应属传统的管壳换热器，它具有结构简单、制造容易、封闭性好的特点，但该型换热器也同时具有换热效果差、体积庞大、不易吊装与运输等缺点，非常不利于电厂装置的集约化、小型化发展趋势。板式换热器则不同，它是由一系列具有波纹状的金属片叠装而成的新型高效换热器，具有换热效率高、热损失小、结构紧凑、拆卸方便、板片品种多、使用范围广等特点［2，3］。近年来，板式换热器技术也日趋成熟，其在电厂及相关领域的应用也不断深入，为电厂工程节约了建设工期及运营成本。

目前，关于板式换热器的设计、运行还主要依靠试验研究，本文主要通过板式换热器的工作原理、材料结构、传热计算原理及常见问题的处理方案，结合典型应用案例分析板式换热器在电厂领域的实际应用。

1 结构及工作原理

板式换热器根据使用装配形式主要为悬挂式。悬挂式结构由波纹板片、密封垫、固定压紧板、中间板、活动压紧板、支架、上下定位导杆、压紧螺栓等主要零件组成。常见的波纹板在板面上有四个角孔，板面之间通过密封垫片以隔离冷热侧流体，相邻板片根据冷热流体的逆向流动特性制造出具有反方向的人字波纹沟槽(见图1)，介质在沟槽内流动时形成湍流，从而获得较高的传热效率。

图1 板式换热器的结构图

2 传热计算

板式换热器的设计计算常用方法有对数传热温差法、ε—NTU法及热混合设计法，但在实际计算中对数传热温差法应用较为广泛，其主要通过计算K及Δt对换热量进行计算。

2．1 板式换热器的传热系数计算式［4］

其中，h1，h2分别为热、冷侧的表面传热系数;δs，λs分别为板片厚度及板片导热系数;δd，λd分别为污垢厚度及污垢导热系数。

2．2 对流换热特征数方程

考虑液体粘度变化不大，因而可在板式换热器中采用的Sieder-Tate对流换热特征数方程为:

其中，Nu 为努塞尔数，Nu=hd/λ;Re为雷诺数，Re=ud/γ，u为流体流速，m/s，γ为流体运动粘度，m2/s;Pr为普朗特数，Pr=γ/a，a为热扩散率，m2/s;μ和μw分别为对应流体特征温度和板片壁温下的流体动力粘度，Pa·s;C，m，n，P分别为系数和指数。

考虑流体温度与板片壁温相差不大时，通常可近似认为μ=μw;当流体被加热时指数n取0．4，当流体被冷却时指数n取0．3，根据文献［5］，上述特征数方程可以分别写为:

热侧:

冷侧:

2．3 当量直径

其中，w为板间流道宽度;b为板间流道平均间隙。

2．4 逆流平均传热温差

其中，Δtmax和Δtmin分别为逆流换热时冷热量流体端部温差的最大值和最小值。

3 电厂应用实例

以电厂某放热水池的冷却为计算实例，根据表1的三类冷却需求，分别计算所选择板式换热器的实际换热能力。选用某厂BR1．1型板式换热器，其板片采用了Z6CND17-12不锈钢，换热面积为212 m2，板片间距为0．003 6 m，板片厚度为0．000 7 m，总板片数量为193块。根据传热系数及对数传热温差方法的计算结果如表2所示。从试验结果可以得出，当水池处于3种运行工况时，换热器皆能满足所产生的热负荷。

表1 放热水池冷却工况

4 板式换热器常见问题

板式换热器作为电厂中热交换设备，在使用过程中也会产生各类缺陷及问题，现对主要问题的原因及处理措施汇总如下:

1)接管法兰部位的渗漏。原因分析:法兰螺栓松动;密封垫错位、损坏;法兰密封垫不在有效密封区域。处理措施:检查并紧固螺栓;拆下法兰及密封垫，检查并进行替换安装。

2)换热板片间的渗漏。原因分析:压紧板间距过小;密封垫破损，换热板片因腐蚀破损。处理措施:调整压紧板间距，提高压紧系数;更换密封垫片;若板片存在穿孔破损，则更换板片。

表2 计算结果

3)换热板片与压紧板之间的泄漏。原因分析:密封垫松动或破损;换热板片出现裂纹;换热板片与压紧板之间存在异物。处理措施:调整或更换密封垫;更换同类型换热板片;清除异物并加紧力矩。

4)串液现象，即冷热介质混合。原因分析:密封垫错位或破损;换热板片产生裂纹及孔眼。处理措施:调整及更换密封垫;对换热板片进行打压试验检查，必要时更换板片。

5)传热效果下降明显。原因分析:与设备连接的阀门没有全开;板式换热器内部堵塞;板片结垢导致压降增大，传热性能降低。处理措施:调节阀门开度;对换热器内部进行反冲洗，必要时拆解换热器;拆解板片，进行高压冲洗及研磨处理。

5 结语

1)简述了板式换热器的主要特点、结构及工作原理。

2)描述了板式换热器传热计算的主要计算方法以及计算特征方程式，并以电厂某放热水池在不同工况下的放热特性作为计算实例进行传热计算，结果表明所选的板式换热器能够满足热负荷要求。

3)分析板式换热器在电厂应用过程中产生的常见问题，并提出各类问题的原因分析及缺陷处理措施。

［1］赵晓文．板式换热器的研究现状及进展［J］．冶金能源，2011，30(11):52-55．

［2］钱颂文．换热器设计手册［M］．北京:化学工业出版社，2002．

［3］祁玉红．三种常用换热器的比较［J］．青海大学学报(自然科学版)，2006，24(6):60-62．

［4］郑瑞芸．板式换热器在变流量工况下的相对传热系数分析［J］．暖通空调 HV＆AC，2010，40(10):85-88．

［5］王世超．换热器类型在核电厂中的应用研究［J］．中国核电，2008，3(3):270-275．