CN210602918U - 一种自清洗防垢板式换热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种自清洗防垢板式换热器，属于换热器领域。该换热器包括换热板、密封垫片、前支柱、固定压紧板、活动压紧板、上导杆、下导杆、紧固螺栓、螺母，换热板的换热区由水滴形扰流体单元组成，扰流体单元侧面区域形成变截面通道，显著增加了工艺介质湍流度，提高了设备换热效率，同时在窄流道区形成较强的流体剪切，去除换热板近壁面区域沉积的污垢层。工艺介质流经扰流体单元尾部区域时形成稳定的卡门涡街，脱落过程中对换热板近壁面区域沉积的污垢层进行剪切破坏，实现设备运行过程中的自清洗防垢功能。该实用新型对于解决目前板式换热器所面临的污垢沉积共性难题效果卓著，可显著提高设备运行效率，实现安全、稳定、长周期运行。

Description

一种自清洗防垢板式换热器

技术领域

本实用新型属于换热设备领域，具体地说是涉及一种可实现自清洗防垢功能的新型板式换热器。

背景技术

随着工业革命的飞速发展，世界能源危机日益加剧，各国为争夺能源储备展开激烈竞争，甚至引发局部战争。如何提高一次能源有效利用率，以及二次能源回收效率，成为世界各国发展过程中亟待解决的重大关切。面对日益严峻的能源危机，我国各工业部门对节能降耗工作提出严格要求，并明确指出节约能源是我国的基本国策。

近年来，板式换热器因其换热效率高(相同换热面积条件下，比管壳式高2-5倍)、结构紧凑(相同换热功率条件下，体积占比为管壳式的1/5-1/2)、组装灵活、易于检维修、造价较低等特点，在石油、化工、船舶、航空、食品、医药、轻纺等工业领域获得了广泛应用，极大提高了二次能源利用率，成为世界各国争相研发、推广的新型高效节能换热设备。板式换热器主要由板框和板束组成，板束是换热器的核心换热元件。各换热板依次叠放后，形成冷热流体交替分布的流体通道，通过介质与板片的对流换热，使工艺介质达到目标温升(温降)。设备运行过程中，工艺介质中所含的杂质在流经换热板导流槽时发生沉积，逐渐在换热板表面形成较大热阻的污垢层，极大降低了热流体-换热板-冷流体之间的换热系数，降低设备整体运行效率，甚至引发垢下腐蚀风险，威胁设备的长周期安全运行。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种自清洗防垢板式换热器，以解决目前板式换热器面临的板片表面结垢、沉积共性难题。换热板的换热区由水滴形扰流体单元组成，一方面在其侧面形成瞬时速度可变的流体通道，增强介质紊流度，提高换热效果，同时在其底部尾流区形成卡门涡旋，剥离过程中实现对板片的自清洗功能。该实用新型所提供的板式换热器能够显著提高板片换热效率，降低流体中杂质沉积率，从而延长设备运行周期。

为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种自清洗防垢板式换热器，包括换热板、密封垫片、前支柱、固定压紧板、活动压紧板、上导杆、下导杆、紧固螺栓、螺母。所述换热板上设置垫片槽，密封垫片固定于换热板上的垫片槽内；换热板的上下端中央均设有凹槽，上导杆、下导杆分别放置于换热板的凹槽内，上导杆和下导杆的两端分别固定于固定压紧板和前支柱上，换热板置于固定压紧板和活动压紧板之间，并通过紧固螺栓和螺母固定，螺母固定在固定压紧板和活动压紧板的外侧。所述换热板的换热区由水滴形扰流体单元组成，所述的水滴形扰流体单元头部小半径圆的圆心角α₁为60°，底部大半径圆的圆心角α₂为120°。

进一步地，相邻换热板间距d满足：

d≥8.46×10⁴μns/q (1)

其中，μ为流体动力粘度；n为每流程通道数；s为通道截面；q为工艺介质质量流量。

进一步地，所述换热板换热区的水滴形扰流体单元的高度h满足：

h＝d/2 (2)

进一步地，所述水滴形扰流体单元纵向长度L₁为30mm，头部半径r₁为8mm，底部半径r₂为12mm。

进一步地，水滴形扰流体单元倾角β为60°，且以换热板垂直中心线左右对称分布。

进一步地，相邻水滴形扰流体单元纵向轴线之间的间隔距离L₂为30mm，每列相邻扰流单元之间的间隔距离L₃为8mm。

进一步地，热、冷流体在水滴形绕流体单元组成的换热板间采用U型逆流方式进行流动。

本实用新型具有的有益效果是：本实用新型通过对板式换热器的核心元件-换热板进行创新设计，用水滴形扰流体单元替代了目前广泛使用的人字形流道，将单一、恒定流通截面改为沿纵向可变流通截面，显著增强了工艺介质在通道内的变化尺度，使流体在较低速度下完成由“十字交叉流”向“曲折流”的转变。同时，在扰流单元尾部区域，形成反对称排列的卡门涡旋，在涡旋剥离过程中对换热板近壁面进行强烈冲刷，使板面沉积污垢剥落，实现换热设备运行过程中的自清洗功能。此外，由于扰流单元较人字形流道更为复杂，使得工艺介质流动过程中的紊流度显著增强，进而提高了换热板的换热系数，能够保障设备整体高效、安全、长周期运行。

附图说明

图1一种自清洗防垢板式换热器正视图；

其中，换热板1、密封垫片2、前支柱3、固定压紧板4、活动压紧板5、上导杆6、紧固螺栓7、螺母8、下导杆9；

图2一种自清洗防垢板式换热器侧视图；

图3带有水滴形扰流体单元的换热板结构图；

图4水滴形扰流体单元结构尺寸示意图；

图5本实用新型所提供的板式换热器自清洗效果实验原理图；

图6本实用新型所提供的板式换热器与现有换热器清洗对比实验结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，本实用新型所提供的一种自清洗防垢板式换热器，包括换热板1、密封垫片2、前支柱3、固定压紧板4、活动压紧板5、上导杆6、下导杆9、紧固螺栓7、螺母8。所述换热板1上设置垫片槽，密封垫片2固定于换热板1上的垫片槽内；换热板1的上下端中央均设有凹槽，上导杆6、下导杆9分别放置于换热板1的凹槽内，上导杆6和下导杆9的两端分别固定于固定压紧板4和前支柱3上，换热板1置于固定压紧板4和活动压紧板5之间，并通过紧固螺栓7和螺母8固定，螺母8固定在固定压紧板4和活动压紧板5的外侧。所述换热板1的换热区由水滴形扰流体单元组成。

如图2所示，热、冷流体分别从进口A、C进入，在流体通道内与板片换热后从出口D、B流出换热器，介质流道为U型。

假定设备运行过程热流体质量流量为q₁，密度为ρ₁，动力粘性系数为μ₁，每流程通道数为n，单个通道截面积为s，相邻板间距为d，l为湿周长度，单个通道当量直径为L。因此，通道内热流体介质流速V₁满足：V₁＝q₁/(3600ns)(3)板间雷诺数R_e1满足：R_e1＝ρ₁V₁L/μ₁(4)

单个通道当量直径L满足：L＝4s/l＝2d (5)

流体介质流经扰流单元时，尾部区域的流体形态主要由雷诺数决定。当雷诺数大于47时，绕流单元尾部区域形成稳定的卡门涡旋。将式(3)、(5)代入式(4)，获得热流体通道板间距d₁满足：

d₁≥8.46×10⁴μns/q₁ (6)

同理，冷流体通道板间距d₂满足：

d₂≥8.46×10⁴μns/q₂ (7)

若使换热设备内各处均形成稳定的卡门涡旋，则板间距d为d₁、d₂中的较大值。

所述换热板(1)换热区的水滴形扰流体单元的高度h满足：h＝d/2(2)

图3所示为带有水滴形扰流体单元的换热板。水滴形扰流体单元以60°倾角排列时，可保证换热区的触点密度最大，从而使流体介质在通道内流动时在较低速度下实现从“十字交叉流”到“转折流”的转变，从而保证换热器具有较大的换热系数与合理的流动压降。

流体介质在板间通道内的流动形态为湍流，其湍动能满足：

k＝0.0384/Re^0.25 (8)

湍动能耗散率为：

ε＝k^3/2·C_μ ^3/4/0.03 (9)

C_μ为耗散因子，值为0.09。流体介质在板间流动时具有瞬时脉动，脉动频率满足：

f₀＝ε/(C_μ·k) (10)

介质流动过程中，经过水滴形扰流体单元，在尾部区域形成卡门涡街，其脱落频率满足：

f₁＝S_r·V/D (11)

其中，S_r为斯特劳哈尔数，当Re＜10⁵时，S_r＝0.21；D为水滴形扰流体单元宽度(取最宽处)。当涡街的脱落频率与流体流动脉动频率相等时，可达到最佳的换热效果。此时，经计算，D满足：

d＝[q/17142.86ns×(2ρVd/μ)^(1/8)]/[0.0384^(1/2)×0.09^(-1/4)] (12)

石油、化工企业的常减压、加氢装置中，板式换热器内工艺介质流动速度小于1m/s时，板式换热器运行效率较高。因此，取介质流动速度为0.85m/s，相邻板间距为8mm，此时，水滴形扰流体单元宽度为20.7mm。

如图4所示，水滴形扰流体单元的宽度D＝2r₂×sin(0.5α₂)，取α₂＝120°，则r₂为12mm。此时，在尾部区域可形成稳定的卡门涡街，且其脱落频率与流体介质的脉动频率相近，保障了换热设备较高的运行效率。

水滴形扰流体单元的头部区域主要起到分流作用，因此其圆心角为60°、半径8mm，保障流体分流过程中产生的沿程阻力较小。若头部区域圆心角和半径过大或者过小，都将导致流体流动过程的沿程阻力较大，从而导致设备能耗增加。

换热器安装过程中，相邻的换热板呈180°水平倒置，为保障热、冷流体通道内的水滴形扰流体单元交错分布，因此其纵向距离为30mm；同时，每列水滴形扰流体单元间隔距离为8mm，保障卡门涡街脱落后能够充分发展，进而实现对换热板的冲刷除垢。若间隔距离过小，则卡门涡街不能充分发展，导致不能有效除去换热板的沉积污垢；若间隔过大，则卡门涡街脱落后动能耗散过大，导致沿程阻力降增加。

上述具体实施方式用来解释本实用新型，而不是对本实用新型进行限制，在本实用新型的精神和权利要求的保护范围内，对本实用新型作出的任何修正和改变，都落入本实用新型的保护范围。

实施例

板式换热器因其较高的换热系数、紧凑的结构、较低的制造成本，在石油、化工、食品等工业部门获得日益广泛的应用。世界各国高度重视新型板式换热器的研发与推广应用，极大促进了工业领域的设备升级与产能结构调整。在板式换热器的应用过程中，制约其长周期安稳运行的最普遍问题是污垢沉积导致的换热效率降低与垢下腐蚀风险。工艺介质中所含有的微粒杂质在流动过程中，遇到沟槽等结构突变处会产生沉积，逐渐形成热阻较大的污垢层，严重影响设备的整体换热效率。而且，污垢层覆盖在金属换热板上，形成封闭的电化学腐蚀环境，在非中性电解液环境下引发换热板腐蚀、减薄、穿孔、泄漏，导致设备失效，甚至引发装置非计划停工与安全事故。

本实用新型提供了一种自清洗防垢板式换热器。通过对换热器的核心元件-换热板进行创新设计，将现行人字形直通道或等宽波纹通道改变为水滴形扰流体单元，在单元尾部区域形成反对称排列的卡门涡街，使其脱落过程中对换热板进行剪切与冲刷，将板面沉积的污垢层去除，实现设备运行过程中的自清洗功能。而且，由于水滴形扰流体单元边缘扩散角的存在，使工艺介质流动过程中的瞬时速度时刻变化，不仅增加了流体介质的湍流度，而且能够对扰流单元侧面进行冲刷和剪切，去除通道内的污垢沉积层。为了评价本实用新型所提供的板式换热器的自清洗效果，设计对比，原理如图5所示。

其中，1-1为热水储罐，1-2为加热器，1-3为热水泵,1-4为热水流量调节阀，1-5为热水流量计；2-1为冷水储罐，2-2为冷水泵，2-3为冷水流量调节阀，2-4为冷水流量计。实验过程中，采用某公司生产等尺寸M25型板式换热器作为对比件，其与本实用新型提供的板式换热器的接管、导流区、换热区尺寸均相同，唯一区别在于M25型换热板为人字形直通道结构，而本实用新型所提供换热板为水滴形扰流体单元结构。两种换热板交替放置，构成1×10/(1×10)流程，其中M25型换热板为热流程，本实用新型提供的换热板为冷流程。为了排除温度对于流体颗粒的影响，实验过程中热、冷水温度相同，且含有相同质量浓度的微沙颗粒(0.1kg/L)。

根据实验结果(如图6所示)，不同介质流体条件下，本实用新型所提供的板式换热器(NPHE)板面所沉积的微沙粒子均远小于M25型板式换热器。而且，当介质流速达到0.3m/s时，NPHE板式换热器的沉积量急剧减小。同时，NPHE板式换热器换热后，出口处的热流体温度比M25型板式换热器出口热流体温度低2℃，表明相同工况条件下NPHE板式换热器换热效率更高。因此，本实用新型所提供的自清洗防垢板式换热器能够有效实现设备运行过程中的自清洗功能，从而降低设备沉积堵塞以及垢下腐蚀风险，确保长周期安稳运行。

Claims (7)

1.一种自清洗防垢板式换热器，其特征在于，包括换热板(1)、密封垫片(2)、前支柱(3)、固定压紧板(4)、活动压紧板(5)、上导杆(6)、下导杆(9)、紧固螺栓(7)、螺母(8)；所述换热板(1)上设置垫片槽，密封垫片(2)固定于换热板(1)上的垫片槽内，换热板(1)的上下端中央均设有凹槽，上导杆(6)、下导杆(9)分别放置于换热板(1)的凹槽内，上导杆(6)和下导杆(9)的两端分别固定于固定压紧板(4)和前支柱(3)上，换热板(1)置于固定压紧板(4)和活动压紧板(5)之间，并通过紧固螺栓(7)和螺母(8)固定，螺母(8)固定在固定压紧板(4)和活动压紧板(5)的外侧；所述换热板(1)的换热区由水滴形扰流体单元组成，所述水滴形扰流体单元头部小半径圆的圆心角α₁为60°，底部大半径圆的圆心角α₂为120°。

2.根据权利要求1所述自清洗防垢板式换热器，其特征在于，相邻换热板(1)间距d满足：

d≥8.46×10⁴μns/q

其中，μ为流体动力粘度；n为每流程通道数；s为通道截面；q为工艺介质质量流量。

3.根据权利要求1所述自清洗防垢板式换热器，其特征在于，所述换热板(1)换热区的水滴形扰流体单元的高度h满足：

h＝d/2。

4.根据权利要求1所述自清洗防垢板式换热器，其特征在于，所述水滴形扰流体单元的纵向长度L₁为30mm，头部半径r₁为8mm，底部半径r₂为12mm。

5.根据权利要求1所述自清洗防垢板式换热器，其特征在于，所述水滴形扰流体单元的倾角β为60°，且以换热板(1)垂直中心线左右对称分布。

6.根据权利要求1所述自清洗防垢板式换热器，其特征在于，相邻水滴形扰流体单元的纵向轴线之间的间隔距离L₂为30mm，每列相邻凸起之间的间隔距离L₃为8mm。

7.根据权利要求1所述自清洗防垢板式换热器，其特征在于，热、冷流体在水滴形绕流体单元组成的换热板(1)间采用U型逆流方式流动。

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