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板式換熱器在流體係統的應用與分析

作者:換熱設備 | 發布時間:2019-09-10
1.前言
  液壓、潤滑係統中的液壓泵、潤滑泵、液壓馬達等動力源的傳動效率損失、流體控製元件及傳輸過程中的壓力損失等都以能量消耗的形式轉化成熱能,係統油溫升高粘度下降,元件的內泄增加磨損加劇,各類故障頻發。板式換熱器具換熱效率高、介質溫差小等優點,在流體傳動的恒溫控製中應用較為廣泛。
  板式換熱器與管式換熱器具有較為明顯的綜合優勢,但就結構強度而言,管換的結構強度優於板式換熱器,管式換熱器的泄漏事故具有明顯的漸變特性,延續期間內更容易在檢查中發現並實施控製,比較而言,板式換熱器的泄漏事故突發性強、危害更大,短時間內即可形成大量的介質泄漏或竄液。
  常規的大型工業的冷卻介質為軟水,該水質采用了集中過濾並配比了一定的化學添加劑,介質在循環過程中具有一定的除垢功能,采用集中循環板式換熱器的大量泄漏會引起較多的係統連鎖問題,特別是泄漏的油品介質會附著在係統管線和相關設備的內壁,腐敗變質後形成膠狀物質堵塞閥體、泵體等,補救措施繁瑣,修複成本較高。對於這類事故的控製和預防具有較好的實際意義。
2.結構原理
2.1板式換熱器是由上下導梁、固定壓板、活動壓板、管道接口、換熱板片、板片密封件、壓緊螺栓等零部件組成。如圖示(1):

  換熱板片按工藝要流程進行組合進行裝配,固定壓板和活動壓板孔的周邊粘有密封件。裝配時,換熱板片粘有密封件的一側朝向活動壓板,交替組合的板片組形成了冷、熱兩側流體通道。該通道通過外部的管道接口與對應的介質相連通,實現兩介質的熱量傳遞,達到預定的溫控要求。
2.2工作原理
  傳熱板片是是換熱器的核心部件,板片的成型工藝及材質特性對密封和換熱效率會產生直接影響。換熱器通常以水作為冷卻介質,板片多數采用不鏽鋼薄板製造,在板片上壓製有波紋流槽,相鄰兩板片之間的空間即為介質流道,冷、熱流體在板片兩側流動時,通過板片進行熱量交換。
波紋所形成的特殊流道,使流體在極低流速的條件下發生湍流(雷諾係數Re約200),低雷諾係數下的湍流具有自身除垢效應,有力地破壞隔熱邊界層,減少界麵上液膜熱阻。一般情況下板式換熱器的傳熱係數K值在3000~6000W/㎡℃範圍內,同時,兩種介質幾乎是全逆流流動,熱傳導效率較高。
3.流程組合
板式換熱器使用1~2年的周期(根據實際使用工況而定)後需要進行必要的拆檢、清洗、打壓測試等。對於變形或穿孔等存在問題的板片需要及時更換,在這過程中散熱板片的裝配必須嚴格按流程圖排列。流程圖是按冷卻工藝設計的,采用並聯或串聯的方式將各板片連接起來,常見的有單流程和雙流程(或多流程組合)換熱器,單流程換熱器的介質接入和流出管口通常都固定壓板一側,熱介質和冷介質又分別在固定壓板垂直軸線的單側布置,同一種介質同時在左側或同時在右側。圖示(2)為單流程排列圖,圖示(3)為雙流程排列圖。

4.常見問題分析
4.1錯排板片引起的兩介質短路或泄漏。
  單流程板片從密封墊一側觀察,由右邊流進的流體總是從右邊流出:由左邊流進的流體總是從左邊流出。對人字形波紋板片,如果流體從左邊流進,而且人字紋指向朝上A型板片,將A板沿垂直於板麵的軸線旋轉180°就成為B型板片,流體從右邊進出,如圖示(4)所示:

  假定粘有密封墊片A板片的每個孔的分別以:a1、a2、a3、a4、盲孔為a0;B板片為b1、b2、b3、b4盲孔為b0。排版從固定壓板一端開始,板片彈性密封麵朝活動壓板一側,單流程換熱器的四個孔都在固定壓板上,即第 一塊板片的四個孔都是通孔,雙流程或多流程換熱器活動壓板和固定壓板上各有兩個孔,第 一塊板片和最 後一塊板片的對應的有兩個通孔和兩個盲孔,板片依次交錯排列,排錯板片會發生兩介質發生短路或泄露,無法正常使用。
4.2板片受力不均密封錯位引起泄漏
  板式換熱器拆檢後需要重新按要求夾緊板片,如果為了進一步提高換熱能力需要加裝板片時,應充分考慮到固定壓板和活動壓板的變形強度,采用相同等級的實驗壓力,板片的數量增加同時螺栓的預緊力也需要加大,當兩側壓板的彈性變形超出許可的範圍,密封件的平麵壓縮存在徑向滑動,形成錯位,此時,密封失效,兩介質外泄漏或內部相互竄液,無法正常使用。
  對於長期未投入使用的換熱器通常要適當放鬆螺杆的拉力,板片及密封墊長期受壓後失去必要的彈性,密封容易失效,降低使用壽命。換熱器的各壓緊螺栓均勻受力,安裝就位前需要將板換按對角線進行夾緊,並實時測量兩壓緊板的內側距離,保證兩壓緊板基本處於平行狀態,四角的平行度偏差小於2%,預緊各螺栓按圖示(5)所標示的順序進行。

  一般,先夾緊到給定的最 大尺寸,如在使用中發現泄露,可繼續夾緊到給定的最 小尺寸。設備處於工作狀態時承受內壓力,應停機泄壓後再可預緊各螺栓。帶壓擰緊螺栓極易出現密封件的擠出或破損,造成事故。
4.3換熱效率降低問題
  為了高效發揮換熱效能,板式換熱器的兩種介質循環采用了全逆流流動,在實際使用中考慮到各液壓係統的離線備件配套問題,會以較大換熱麵積的交換器作為通用件儲備,介質接口方向會有差異,冷熱介質互換接口或同一介質進出對調使用等,這類問題雖然不會對密封形成不利但會對熱交換效率產生一定的影響,如圖示(6):逆流時的兩種介質的溫差小、熱損失較小,換熱效率高;順流時的溫差偏大換熱效率低。


  4.4.換熱器的環境條件
  4.4.1板式換熱器對連接螺杆的水平拉力有著嚴格的要求,特別在吊裝自身重量較大的大功率換熱器時必須使用專設的吊裝位置,非常規吊裝方式對螺杆的受力結構有一定的破壞,換熱器板片容易出現錯位。除此之外,大型的板式換熱設備在充滿冷、熱介質後,介質自身會重量大幅上升,設備的安裝也必須放置在一定的水平麵上。
  4.4.2換熱器的冷熱介質進行熱量交換同時,形成外露的散熱板片也存在與環境空氣的熱交換過程,換熱器的周圍通常需要預留必要的空間位置(1m以上),以形成流暢的空氣流動環境,利於換熱能力的發揮。
  4.5預防板式換熱器的大量泄漏
  4.5.1在連續正常運行過程中,換熱器的大量泄漏事故概率通常較低,這是因為冷熱兩種介質同時處於供壓狀態且壓差均衡,溫度也處於受控的波動範圍,換熱器的受熱變形空間較小,密封件的錯位或板片受衝擊力變形的事故可能性也很小。
  易出現突發故障的是啟、停泵的壓力衝擊和設備停止運行後的設備降溫,在這種條件下換熱器的密封件由於長期受壓失去了部分彈性記憶功能,當溫度下降時形成冷縮,板片的間隙增大。設備開啟後壓力與溫度的上升不具有同步性,溫度恢複較為滯後,板片間的熱縮間隙補充也較為緩慢,密封件擠出致使泄漏事故的突發。
  基於上述分析,啟動泵之前應先打開換熱器的所有閥門和排氣閥,關閉換熱器的進口閥。啟動泵後,緩慢打開泵的出口閥,使壓力逐漸上升。為防止單側超壓,進換熱器的兩股流體的進口閥應同時打開,或先緩慢地注入低壓側流體,再緩慢地注入高壓側流體,避免高壓衝擊。
  解決板片熱縮間隙的泄露問題,應在啟停泵至溫度恢複期間做好實時檢查和監控,必要的周期性解體檢修、試壓可根據具體使用工況而定,板式換熱器如放置半年以上未用,在使用前應進行水壓試驗。實驗壓力通常設置為1.25倍設計壓力,分別對冷、熱介質內腔進行單側保壓30分鍾無泄漏方為合格。
  4.5.2老化的密封墊片要及時更換。
  在更換換熱器板片時,板片密封槽內塗抹的膠粘劑一般需24小時固化周期再行組裝。如果換熱器有半年以上不使用時,應將換熱器夾緊螺栓放鬆1~2個螺距,使用時再預緊,以防密封墊片的彈性喪失,影響使用壽命。


關鍵詞:板式換熱器
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