【文章內(nèi)容簡介】 管內(nèi)水質(zhì)較差，可能會(huì)在管壁上形成沉積物，將傳熱惡化并使定期的清洗工作成為必要，管子清洗限制管徑最小約為 Φ 17mm。對給定的流體，污垢形成主要受管壁溫度和流速的影響，為得到合理的維修周期，管內(nèi)側(cè)水的流 速應(yīng)在 2m/s左右。對管殼式換熱器，應(yīng)根據(jù)水質(zhì)含雜量情況需設(shè)置膠球清洗裝置進(jìn)行定期清洗。 板式換熱器的兩種熱交換介質(zhì)分別在波紋板的兩側(cè)對流，波紋采用人字形波紋，這樣既增強(qiáng)了剛度以防止板片受壓變形，同時(shí)也增強(qiáng)了流體的湍流程度，并加大了傳熱面積。這些傳熱板的波紋斜交，即在相鄰的傳熱板上具有傾斜角相同而方向不同的波紋。沿流動(dòng)方向橫截面積是恒定的，但是由于流動(dòng)方向不斷變化致使流道形狀改變，而引起湍流。板片是傳熱元件，一般由 ～ ，傳熱板的波紋深度為 3～ 5mm，湍流區(qū)流速約為 0． 3～ ，相鄰板間要有許多接觸點(diǎn)，以承受正常的工作壓力，相鄰的板有相反方向的人字形溝槽，兩種溝槽的交叉點(diǎn)就形成接觸點(diǎn)，這樣還可消除振動(dòng)，并且在促進(jìn)湍流和熱交換的同時(shí)，消除了由于疲勞裂縫引起的內(nèi)部泄漏。人字形波紋板湍流度較高，高湍流還能充分發(fā)揮清洗作用，可以特別有效的將沉積污垢減至最小，但是波紋板的接觸點(diǎn)較多，當(dāng)液體水質(zhì)差，含有懸浮的固體顆粒、雜物和水草等時(shí)，由于板間隙很窄，所以要盡可能地保證將所有 2 mm以上顆粒在進(jìn)人換熱器以前，都要過濾掉 ,假如濾網(wǎng)不能有效地發(fā)揮作用，就15 容易發(fā)生堵塞。 (2)傳熱系數(shù)的比 較 管殼式換熱器中，一種流體橫向掠過管子通過管壁與管內(nèi)流動(dòng)的另一種流體彼此垂直交叉流動(dòng)，其傳熱系數(shù) k值一般為 1000～ 3000 w／ (m2． k)。板式換熱器中，冷卻水側(cè)與被冷卻水側(cè)流動(dòng)均勻湍流，兩種流體逆向流動(dòng)，由于波紋的作用引起湍流，從而產(chǎn)生高傳熱率，并抑制了污垢在傳熱面上形成。其傳熱系數(shù)一般為 3500～ 5600 w／ (m2． k)，故傳熱系數(shù)高，而阻力損失并不大。此外，污垢熱阻也較小。 (3)占地面積比較 用于同一工況的板式換熱器的占地面積，約為管殼式換熱器的五分之一左右，這是因?yàn)榘迨綋Q熱器的總傳熱系數(shù)高 ，減少了換熱面積，并且板式換熱器本身結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積內(nèi)的換熱面積，約為管殼式換熱器的 2倍，又不需附加的檢修場地。 (4)多種介質(zhì)換熱 管殼式換熱器不能進(jìn)行多種介質(zhì)操作。 在一臺板式換熱器中，只要設(shè)置中間隔板，就可以進(jìn)行多種介質(zhì)的換熱，這一特點(diǎn)是管殼式換熱器難以達(dá)到的。乳品、飲料行業(yè)中，利用板式換熱器這一優(yōu)點(diǎn)，可用同一臺板式換熱器來實(shí)現(xiàn)加熱、殺菌、熱回收等幾種操作。另外，可根據(jù)需要用調(diào)節(jié)板片數(shù)目的辦法來增減傳熱面積，或利用板片排列方式不同來調(diào)節(jié)流道長短的辦法，來適應(yīng)冷熱流體流量和溫度變化的要求。 (5)對數(shù) 平均溫差△ t1m 冷、熱流體在板式換熱器的板間流動(dòng)，是平行的流動(dòng)，且一般可以設(shè)計(jì)成逆流的方式，因此溫差修正系數(shù)高于管殼式換熱器以錯(cuò)流為主的流動(dòng)方式的溫差修正系數(shù)，其結(jié)果是板式換熱器的對數(shù)平均溫差大于管殼式換熱器。 (6)末端溫差的比較 末端溫差是指一流體人口溫度與另一流體出口溫度之差。管殼式換熱器傳熱末端差難以16 達(dá)到 5℃以下。 板式換熱器的流道是相互平行的，一程內(nèi)的流體 (程內(nèi)有多個(gè)流道 )雖然流量分配并不十分均勻，但程與程之間不會(huì)有短路、旁路等現(xiàn)象，流體在流道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)不會(huì)有任何影響末端溫差的現(xiàn)象。由于它的結(jié)構(gòu)特 點(diǎn)可以經(jīng)濟(jì)地做到低至 l℃的端差。 (7)水量比較 管殼式換熱器一般冷卻水量和被冷卻水量之比為 ～ :1。 板式換熱器，由于 2種介質(zhì)流道基本相同且傳熱效率高，因此板式換熱器可大大降低冷卻水量，一般冷卻水量和被冷卻水量之比為 ～ :1，這樣可以降低管道閥門和泵的安裝運(yùn)行費(fèi)用。 (8)安裝檢修的比較 管殼式換熱器是由管束組成，自身重量體積都較大，在檢修抽管時(shí)需要留出管束一樣長的距離，故占地較多，還需配備必要的起吊檢修設(shè)施。管殼式換熱器的設(shè)計(jì)壽命一般為 30年，大修周期 4年，當(dāng)換熱器發(fā)生泄漏時(shí)， (可能 是管子與管板間的泄漏或是管子破裂引起的泄漏 )可以采用堵管的辦法在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)工作性能，管殼式換熱器允許有 7％的堵管裕量。對于管內(nèi)的清洗可以根據(jù)需要采用膠球清洗裝置進(jìn)行定期的機(jī)械清洗。 板式換熱器具有體積小，重量輕的特點(diǎn)，檢修方便，不需設(shè)檢修起吊設(shè)施，故安裝占地較少。板式換熱器的人工維護(hù)包括將整機(jī)折開，用噴水槍和刷子清洗板和墊片，檢查板片和墊片，如有必要，更換板片和墊片。板式換熱器一般每年要清洗 1次，并且無論是否實(shí)際需要都要做。當(dāng)應(yīng)用河水、海水等水質(zhì)較差的冷卻水時(shí)，由于泥沙和污物的存在，以及微生物的快速生長有 引起表面污染和堵塞的危險(xiǎn)。在國外，應(yīng)用河水作冷卻水時(shí)，清洗頻率很高，平均每年 。 腐蝕與防護(hù) 換熱器腐蝕的原因 管殼式換熱器和板式換熱器腐蝕的類型基本相同 ,如表 1所列。由表 1可見換熱器中最嚴(yán)17 重的腐蝕隱患之一是孔蝕 ,在換熱管內(nèi)外常會(huì)產(chǎn)生由于污垢附著而引起的孔蝕?？孜g產(chǎn)生的原因多與鹵素有關(guān) ,特別是 Cl和含 Cl的離子 ,其中以 CuFe、 Hg等金屬的氯化物危害最為嚴(yán)重。介質(zhì)的流動(dòng)條件和管子的表面狀況也影響孔蝕的產(chǎn)生 ,介質(zhì)流速高可以消除局部地方高濃度的 Cl從而降低腐蝕的傾向 ,管子表面光潔可 增強(qiáng)其耐孔蝕的能力。 對于采用脹接形式的接頭 ,由于脹接過程中存在殘余應(yīng)力 ， 在已脹和未脹 管 段間的過渡區(qū) ,管子內(nèi)外壁都存在拉應(yīng)力 ,對應(yīng)力腐蝕非常敏感。一旦具備發(fā)生應(yīng)力腐蝕的溫度、介質(zhì)條件 ,換熱器就會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕破壞。應(yīng)力腐蝕破裂是由于腐蝕和拉應(yīng)力的共同作用而造成的材料斷裂。只有當(dāng)拉應(yīng)力超過該體系的臨界壓力 ,才會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂。腐蝕介 質(zhì)和循環(huán)應(yīng)力的共同作用也能形成腐蝕疲勞。如果換熱器中的介質(zhì)是電解質(zhì)溶液 ,氫以原子狀態(tài)在金屬表面析出 ,向金屬內(nèi)部滲透 ,就會(huì)有氫破壞的可能 ,既可能產(chǎn)生氫鼓泡 ,又有可能導(dǎo)致氫脆。 含固體懸浮物的液體容易產(chǎn)生沖刷腐蝕 ,被沖刷腐蝕的部位 ,常有典型的溝狀、洼狀或波紋狀等外觀特征。換熱器入口管端 ,就存在沖刷腐蝕 ,發(fā)生在管殼式換熱器管程流體入口部分 ,距傳熱管管端 3~4倍管徑長度處。 18 我國換熱器的接頭多采用焊接形式 ,管子與管板之間存在間隙 ,殼程介質(zhì)進(jìn)入到間隙死角中 ,就會(huì)形成縫隙腐蝕。在換熱器中 ,污垢的附著部位也會(huì)產(chǎn)生縫隙腐蝕 ?？p隙腐蝕與介質(zhì)在這些部位的滯流有關(guān)?？p隙腐蝕與孔蝕的機(jī)理相似 ,一般出現(xiàn)孔蝕的地方也常有縫隙腐蝕發(fā)生?？p隙腐蝕和孔蝕都有一個(gè)孕育期 ,一旦過了孕育期 ,速度就會(huì)逐步增加。 換熱管若采用奧氏體不銹鋼管 ,如果在 450~850℃ 保溫一定時(shí)間 ,將造成敏化 ,使不銹鋼具有晶間腐蝕的傾向 ,這可能與晶間的 “ 貧鉻 ” 有關(guān)。 管殼式換熱器的防腐蝕措施 （ 1） 操作工藝控制 換熱器開車時(shí) ,應(yīng)首先用噴管將容器內(nèi)的氣體和冷凝水完全排出 ,而后將冷流體充滿容器 ,關(guān)閉入口 ,然后緩慢注入熱流體 ,注意不要使加熱速度超過 ℃ s 1,并使長度方向的溫度梯度不大于 ℃ m 1,總之 ,應(yīng)盡量使導(dǎo)入流體而形成的管子與殼體之間的熱膨脹差為最小。停車時(shí) ,應(yīng)先將熱流體流速逐漸減小至零 ,然后快速停止冷流體流動(dòng) ,這樣可使冷卻過程中的不等量收縮減至最小。停機(jī)后 ,用干燥的壓縮空氣將換熱器中的所有流體排出。這樣的開停車工序 ,可以將拉應(yīng)力降至最小 ,避免產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。 在換熱器運(yùn)行中 ,應(yīng)嚴(yán)格控制操作條件 ,避免驟冷驟熱導(dǎo)致溫差應(yīng)力 ,產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。采用定期清洗的方法降低污垢腐蝕。在運(yùn)行中 ,可在規(guī)定的時(shí)間內(nèi) ,用瞬時(shí)增加流速的操作 ,或者采用逆流清洗的操作 ,也可用 化學(xué)清洗的方法 。停工時(shí)可采用噴射洗滌、機(jī)械清洗和化學(xué)清洗的方法。 （ 2）維修工藝控制 在試壓或操作中發(fā)現(xiàn)接頭泄漏時(shí) ,對接頭脹管修復(fù)要慎重。脹管時(shí) ,對其周圍的管子也要進(jìn)行再次脹管 ,以免形成間隙。管子泄漏時(shí)采取堵管方法也應(yīng)慎重 ,在可以更換管子時(shí)盡量換管 ,以免造成很大的溫差應(yīng)力 ,導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕。 保溫層破損后 ,應(yīng)盡早使用防止水分的施工方法修復(fù) ,以免殼體外積附水分 ,腐蝕殼體。用化學(xué)清洗清除換熱器污垢時(shí) ,清洗后需將殘留液排出 ,因?yàn)闅埩粢簳?huì)腐蝕換熱器 ,換熱器長19 期不用時(shí)也要在換熱器清洗后 ,將殘留液完全排出。為避免管端磨損沖 蝕 ,可用尼龍襯套防護(hù)。 （ 3）水處理工藝控制 在循環(huán)冷卻淡水中 ,可添加緩蝕劑以降低腐蝕。通常將阻垢分散劑、殺菌滅藻劑與緩蝕劑合用 ,稱為水質(zhì)穩(wěn)定劑。 CrO24是一種陽極抑制劑 ,與適當(dāng)?shù)年帢O抑制劑合用時(shí) ,可得到滿意的防腐蝕效果 ,因此 ,常在水系統(tǒng)中使用。鉻酸鹽 鋅 聚磷酸鹽處理冷卻水 ,常用于低碳鋼、不銹鋼、海軍銅和銅鎳合金換熱器 ,但不能用于鋁合金制換熱器。水處理方法還有軟化、除氧、除銨、除磷酸鹽及硫等 ,以控制水中的 pH值和氧含量 ,以免腐蝕。 （ 4）電化學(xué)保護(hù) 電化學(xué)保護(hù)分為陽極保護(hù)和陰極保護(hù)。陽極保護(hù)多用于換熱 器中工藝物料一側(cè)。陽極保護(hù)即通過外加電流使金屬電位向正向移動(dòng) ,促使金屬鈍化以進(jìn)入鈍化區(qū) ,可以大大降低腐蝕速度。硫酸工業(yè)中已廣泛使用配有陽極保護(hù)的不銹鋼換熱器。在人造絲生產(chǎn)中使用了陽極保護(hù)來防止鈦制換熱器的腐蝕。陰極保護(hù)常與保護(hù)性涂層聯(lián)合使用 ,如使用淡水的冷卻器采用富鋅涂料 ,與陽極保護(hù)聯(lián)合使用 ,簡化了輔助陽極的布置 ,降低所需的電流 ,取得了很好的效果 ,被認(rèn)為是最經(jīng)濟(jì)的防腐蝕方法。大型換熱器常采用外加電流陰極保護(hù) ,小型海水換熱器則多用犧牲陽極的陰極保護(hù)。 （ 5）設(shè)計(jì)、制造及安裝工藝控制 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將蒸汽放在管程側(cè)并 避免高速氣體流經(jīng)殼程。因?yàn)檎羝睦淠褐腥芙庥?O2和 CO2,具有較強(qiáng)的腐蝕性。安裝制造時(shí)管排應(yīng)略微傾斜 ,以便冷凝液及時(shí)排出。 熱器的防腐蝕措施 板式換熱器的防腐蝕措施除可以采用以上方法外 ,還可采用以下措施 : (1)設(shè)計(jì)板片的成形模時(shí) ,應(yīng)采用殘余應(yīng)力小的結(jié)構(gòu)。板片的波紋斷面、波紋的高度和節(jié)距要合理。所有斷面要圓弧過渡 ,欽板圓角一般在 R2~。為減小內(nèi)部殘余應(yīng)力 ,應(yīng)采用整體切邊或高頻振蕩等措施。 20 (2)為減輕對板片表面的劃傷 ,要對模具表面進(jìn)行拋光。成形時(shí)要涂潤滑劑或加潤滑膜 ,以減輕對板片的劃痕。 (3)板片與墊片的粘結(jié)劑 ,不要采用過期的和含有 Cl的粘結(jié)劑 ,防止析出 Cl而引發(fā)腐蝕。 (4)選擇正確合理的板片結(jié)構(gòu)和正常流速 ,一般板間平均流速為 ~s 1(主流線上的流速要比平均值高 4~5倍 )。流速低于 s 1時(shí) ,流體達(dá)不到湍流狀態(tài)且會(huì)形成較大的死角區(qū)。正確合理選用流速 ,也可減輕入口處的板片腐蝕。 (5)增加板片觸點(diǎn)的接觸率 ,減少磨振對觸點(diǎn)的破壞。人字形波紋板片的兩相鄰板片互相倒置組合后 ,波紋相互接觸在 1~ (視波紋節(jié) 距而定 )就有一個(gè)支點(diǎn) ,且分布均勻 ,所以板片觸點(diǎn)接觸率較高。水平直波紋的支點(diǎn)較稀疏。日阪制作的 EX型板片 ,為了增加支點(diǎn) ,研制出格子狀的水平平直波紋板片。 (6)板片換熱器的密封墊片也是關(guān)鍵的零部件。取密封周邊的長度 (m)是換熱面積 (m)的6~8倍。由于在板片和密封壓緊板的邊緣 ,墊片溝槽和墊片之間存在縫隙 ,造成缺氧形成陽極而發(fā)生腐蝕破壞。所以墊片槽和墊片形狀的設(shè)計(jì)要合理 ,密封墊片的截面必須與板片溝槽截面吻合。目前 ,密封墊片廣泛采用彈性橡膠材料 ,對其力學(xué)性能和抗腐蝕性能有一定的要求 ,永久壓縮變形量控制在 20%,并熱時(shí)效。墊片和板片夾緊后要盡量減少縫隙。這類墊片槽一般采用 “ 粘貼型 ” 密封結(jié)構(gòu)。 目前還發(fā)展了易裝卸的 “ 按扣 ” 和 “ 搭扣 ” 密封結(jié)構(gòu) ,可直接扣在板片上 ,定位正確、牢固 ,無需粘結(jié)劑。此密封結(jié)構(gòu)是借助彈性材料的過盈量將其壓緊總之設(shè)計(jì)合理的密封結(jié)構(gòu)和墊片形狀 ,可減少縫隙腐蝕。 總之， 隨著換熱器應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大 ,介質(zhì)多種多樣 ,這就需要研制更多的能抗各種介質(zhì)腐蝕的板材 ,并采取前述幾方面的防腐措施 ,才能在各行各業(yè)中廣泛應(yīng)用 ,使換熱器發(fā)揮出更大的經(jīng)濟(jì)效益。 換熱器設(shè)計(jì)軟件簡介 21 在初步選定換熱器形式后，就要確定換熱器的幾何參數(shù)。目前國內(nèi)使用的換熱器計(jì)算軟件主要是 HRFS(Heat Transfer and Huid How Service)和 HTRI(Heat Transfer Research，Inc． )，也可以應(yīng)用 ASPEN PLUS中的 B— JAC對換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)、核算和模擬，此外還有如換熱器設(shè)計(jì)大師等。 HTFS (1)軟件介紹 HTFS是英國傳熱及流體流動(dòng)學(xué)會(huì)推出的兩相流管殼式換熱器計(jì)算程序?？梢赃M(jìn)行冷卻器、冷凝器、加熱器、再沸器或冷凝冷卻器、過熱器等 不同作用的管殼式換熱器的計(jì)算。 該程序有三種計(jì)算模式：設(shè)計(jì)型 (DESIGN)、校核型 (CHECK)和模擬型 (SIMULATION). ①設(shè)計(jì)型，在一定限制條件下按面積最小進(jìn)行設(shè)計(jì) . ②校核型，核算已知換熱器是否能滿足換熱要求，計(jì)算結(jié)果為實(shí)際面積／所需面積。 ③模擬型，模擬已知換熱器，在給定的兩側(cè)流體的人口條件下，模擬物料的出口條件。 HTFS程序中殼體形式為 TEMA標(biāo)準(zhǔn)的 E、 I、 J、 G和 K型；管子有光管和翅片管兩種類型，管程數(shù)為 1～ 16；折流板有單弓形、雙弓形、無折流板和折流桿等多種形式。 在 TEMA標(biāo)準(zhǔn)中有 R、 C和 B三種級別的管殼式換熱器：① R級適用于石油及相關(guān)工藝工程中的一般嚴(yán)格要求的非直接受