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  • 板式换热器设计及故障分析

    板式换热器 是一种结构紧凑、性能高效的换热器。与有同样换热能力的管壳式换热器相比,板式换热器的占地面积只相当于管壳式换热器的 25% 左右。板式换热器传热效率高,能使两种热交换流体在较低的流速下增强扰动,强化传热,传热系数 k 值比管壳式换热器提高了 3 一 5 倍。板式换热器组装灵活,只要增减板片数量或改变板片组装流程即可满足板式换热器在生产上改变工艺条件和产量的要求。同时热损失小,不需要保温层,质量轻,检维修方便,广泛应用于化工装置中。
    一、板式换热器的主要零部件设计 板式换热器主要由固定压紧板、活动压紧板、 板片、垫片、上下导杆、夹紧螺栓、支柱等零部件组 成 ( 见图 1) 。板片以垫片密封后悬挂在固定压紧板与活动压紧板之间,通过夹紧螺栓紧固板片。板片被夹紧后,由于垫片的密封及隔离,通过板片的通道孔,两种不同的介质便可以在两个交替排列 的道内逆向流动,互相交换热量。

 1.1 板片

    板片是板式换热器的核心,不同形式的波纹板片换热效率、流体阻力、承压能力也不同。目前使用最普遍的是人字形波纹板片 ( 见图 2) 和水平平直波纹板片,某乙烯厂乙二醇装置使用的板片 主要有 M 形和田字纹波纹板片 ( 见图 3) 。
    人字形波纹板片由于其板间流道截面变化十 分复杂,容易发生湍流 ; 该板片的特点是换热效率 高,流体阻力大,承压能力高。研究发现人字角大 小对换热效率和流体阻力有明显的影响,人字角 大,换热效率高,流体阻力大,是具有高 a 值 ( 热力 学长度 ) 的板片 ; 人字角小,换热效率和流体阻力 都低,是具有低 O 值的板片。乙二醇装置使用的 M 形和田字纹波纹板片则具有较高的换热效率和较 低的流体阻力。另外,具有高 0 值的板片和具有低 0 值的板片,可以根据工况不同交替安装组合在 一起,构成满足工况需要的板式换热器。
    板片的定位一般是以 5 点金属与导杆接触而确定。上导杆的 3 点,可以防止板片上下移动 ; 下导杆的 2 点,板片也不会左右移动。用 5 点定位,板片组可以在导杆上很容易的前后滑动,能使垫片密封准确,不会发生板片错位现象。

    1.2 垫片
    垫片固定在板片的边缘和洞孔附近的垫片槽内,使热交换的液体在各自的通道内流动。垫片用与其接触的两侧金属支撑。为防止液体在结构挡板和热交换板片之间流动,用固定压紧板密封住不能起热传递作用的带有 4 个 0 型环的板片。位于末端的盲孔板防止液体和活动压紧板接触 ( 这是相对单流程而言 ) ,洞孔附近的双重垫片可防止系统内液体的混合,双重垫片之间有通向外界的泄压槽,万一发生渗漏可以排到外界 ( 见图 4) 。因此,双重垫片的设计,使板式换热器首先发生外漏后才有可能发生内漏。
    板式换热器最薄弱的环节就是垫片,垫片不 要密封介质不向环境中泄漏,而且还要防止冷介质之间的互混。选择耐温、耐腐蚀材料垫片是决问题的关键。材质为丁睛橡胶的垫片一般适于 120 ℃ 120 ℃ 以下工况。包覆垫片以一般橡胶或金块作为芯体,外包聚四氟乙烯或经氟化处理的成材料等,可以用于腐蚀性很强的介质或提高温度极限。


二、使用不当造成 板式换热器失效
    2.1 板式换热器的初次投用
    板式换热器在初次投用时,为避免瞬间压力 波动过大造成板式换热器泄漏,须同时稍开冷热 介质进水阀门,排尽换热器内气体后缓慢升压直至全开进口阀门,然后再缓慢同时稍开冷热介质 出水阀门。盲目地开关进出水阀门或者其他原因 造成的介质压力波动,都有可能造成板式换热器 的泄漏。
    2.2 板式换热器的过滤器清洗
    为了减少板式换热器的检维修清洗次数,一 般在冷热介质的进口管线上设有粗过滤器,防止 3 一 5mm 5mm 的颗粒杂物阻塞板片通道。当过滤器的前后压差较大时,可以拆开过滤器清洗。过于频繁地 清洗过滤器也会造成板式换热器因板片通道堵塞而失效。

三、板式换热器其他失效原因分析
    除了板式换热器由于使用不当造成换热器失 效外,还有以下原因会使换热器失效。
    3.1 垫片密封失效
    如果在正常情况下板式换热器突然发生泄 漏,很可能是由于以下原因造成的 :(l) 板式换热器受到物料压力波动或工作温度过高 ;(2) 垫片长 期使用产生裂纹、老化 ;(3) 板片产生永久变形,无法固定垫片。
    垫片密封失效后,需将板式换热器取出检修, 取下或更换偶数个相邻的故障板片。如果不将走 冷热介质的板片同时取下,会造成冷热介质互混。
    3.2 板式换热器堵塞
    板式换热器的通道间隙较小 (3 一 6mm 6mm ) ,直径大于 2 一 3mm 3mm 的颗粒杂物容易阻塞板片通道,堵塞是板式换热器经常遇到的现象。当在板式换热器表面或通道存在低导热率材料时,即产生堵塞。当可流通的接口通路减少时压降会提高,使设备的压力降急剧恶化,导致板式换热器堵塞而无法正常换热。解决的办法是进行维修清洗。
    3.3 板式换热器结垢
    板式换热器结垢可导致传热设备的传热系数降低,严重时还会堵塞板片通道。结垢易在流体层流层生成,板式换热器内的流体在雷诺数很低的流动状态下 (Re<loo) 便可湍流,因此该设备不易结垢。但对板式换热器内的板片设计有大量的支 承触点,旨在对介质起扰流 ( 使介质湍流以提高传 热系数 ) 和承压支承作用。板片上的积瘤是固体杂 物或纤维容易集聚之处,其副作用是使流体形成局部的滞流而生成污垢积瘤,介质中的钙镁离子在适宜的温度析出后很容易在积瘤上附着长大,形成蜂窝状垢样。堵塞与结垢在成因上虽然不同,但在板式换热器上的影响现象是相同的,不要等到 热交换器 性能显著降低时再清洗。如果无法得到正确的温度,压降太高就要进行维修清洗。

四、板式换热器的检维修方法
    4.1 反冲洗法
    当板式换热器的换热效果突然下降,排除外 界因素以及清洗冷热介质进口过滤器仍无法解决 时,可以切出换热器,从流道的反方向用高于操作压力 1.2 一 1.5 倍的冷或热介质反向冲洗。由于反冲 洗法效果不明显,检维修时一般很少使用。
    4.2 化学清洗法
    对于不锈钢板式换热器,严禁使用盐酸或盐酸类的清洗剂和清洗粉末进行化学除垢清洗,不拆板片的整台设备清洗尤其要注意。这是因为未充分溶解的垢渣 ( 含有残存氯 ) 在多缝隙的结构中是很难冲洗干净的,碱中和也不可能充分进行。可采用硝酸加缓蚀剂或桃酥类的清洗剂进行清洗,适当加温可提高清洗效率。化学清洗法一般用于 不便于拆洗的板式换热器。
    4.3 拆装清洗法
    拆装清洗法是板式换热器较常使用的清洗方法。板片拆开后不宜取下,最好悬挂在上导杆上清洗。冬季在室外需要拆下板片,清洗前应作好标记,轻拿轻放,避免人为损坏板片和划伤手指,特别是不要损坏板片的 5 点定位 ; 否则将造成板片 错位,垫片密封泄漏。板片不要用钢刷或钢丝绒刷清洗,防止将板片表面损坏,造成结垢物易残留而腐蚀板片。刷的过程中不要破坏垫片,若发现垫片有脱落的必须将板片晾干,用胶直接粘在沟槽中,用不含氯的胶豁贴垫片。如果垫片不能恢复,必须取出板片,并且将其前或后的板片一同取出。
    4.4 板式换热器的拆装
    板式换热器拆装时螺栓应均匀收紧,每个螺栓安装时,需要在板片的所有面上检查板片的长度。用手尽可能拧紧螺栓,然后使用专用力矩扳手按螺栓对称顺序收紧,直至紧固全部螺栓,按照这样的步骤将板片束收紧到所标长度尺寸。长度要用金属尺测量。不要在充满媒质压力下或操作过程中紧固板式换热器。操作过程中板片束保持平行是非常重要的,否则板片会产生永久变形,进而造成垫片密封失效。如果板式换热器投用后发生泄漏,需要进一步紧固螺栓。如果泄漏继续发生,则要替换泄漏的板面,而不是进一步紧固螺栓,拆卸板片时必须是走冷热介质的板片同时取下。

五、结语
    对板式换热器的结构设计有了充分的认识和了解,正确地选用、使用和维修板式换热器,就能安全可靠地利用板式换热器节能高效的优点,获得更好的经济效益。