寬通道板式換熱器和螺旋板式換熱器的比選及防腐蝕

陳 超

(中石化廣州工程有限公司,廣東 廣州 510620)

在煉化企業的全部設備投資中占比最大的是換熱設備,約占總投資的35%～40%,其中管殼式換熱器的市場占有率仍高達70%。由于管殼式換熱器存在換熱效率不高、易腐蝕結垢、占地面積大、造價高及清洗維護困難等缺點,已逐步被各類高效緊湊式換熱器、新型熱管和蓄熱器等設備所替代。寬通道板式換熱器及螺旋板式換熱器由于其換熱性能優異,抗腐蝕結垢能力更有優勢等特點,已成為目前新型換熱器研發的熱點[1]。

1 寬通道板式換熱器

1.1 寬通道板式換熱器結構特點

寬通道板式換熱器廣泛應用于機械設備、化工生產等需要換熱和節能減排的場景,并且當用于以土壤源作為冷熱源的地源熱泵系統時,其節能效果更加顯著。寬通道板式換熱器的結構如圖1 所示[2]。其主要由一組薄的換熱板片和合成橡膠等材質的密封墊圈組成,密封墊圈緊固于換熱板片的四周[3],每一個換熱板片即為一個傳熱單元,高溫流體和低溫流體分別從換熱板片的兩側逆向流動進行傳熱。其中換熱板片是構成通道板式換熱器的重要元件,目前已開發出了多種能夠代替平板的波紋板片,與平板相比,波紋板片具有更大的換熱面積和更好的承壓強度,而且能夠使流體在較低流速下形成三維螺旋湍流,進一步強化換熱效果。

圖1 寬通道板式換熱器結構示意

1.2 寬通道板式換熱器優點

(1)換熱效率較高。寬通道板式換熱器的換熱板片通常采用形狀復雜的波紋板,相鄰波紋板倒裝組合,形成錯綜復雜的流體通道,流體在流道中呈立體網狀流動或不規則漩渦流動,因此流體的湍動程度較高,強化了傳熱過程,提高了換熱效率。

(2)抗結垢和垢下腐蝕能力強。由于寬通道板式換熱器內流體的湍流強度較高,在板間能夠形成局部漩渦,不利于污垢的沉積,因此具有一定的自清潔能力,其結垢系數僅為列管式換熱器的10%～20%,從而抑制了結垢和垢下腐蝕。同時,由于寬通道板式換熱器的流道截面積較大,因而物料適應范圍廣,能夠處理含有較大固體顆粒物的流體。

(3)結構靈活多變。與列管式換熱器相比,寬通道板式換熱器拆卸方便,可根據實際情況靈活調整換熱板片數和冷熱流體的進出口位置,從而達到換熱面積與流程匹配的目的。

(4)成本更低。列管式換熱器的管程壁厚一般為2.0～2.5 mm,而寬通道板式換熱器的換熱板片厚度僅為0.8～1.0 mm,當換熱效率相同時,同樣材質的寬通道板式換熱器與列管式換熱器相比重量更輕,可節約材料50%～80%,因此成本更低。

(5)生產效率高。目前寬通道板式換熱器的換熱板片在生產時,一般采用數控機床一次沖壓成型,便于組裝;而列管式換熱器的換熱管一般需要人工焊接,生產周期較長,人工成本較高,因此其制造成本也較高。

(6)維修方便。由于寬通道板式換熱器采用可拆卸方式安裝,因此當換熱器發生堵塞時,拆卸方便,能夠快速定位堵塞位置,完成清洗疏通。

(7)熱量損失小。由于寬通道板式換熱器結構緊湊,只有前后兩端的殼板與環境接觸,且殼板較厚,因此熱量損失很小,外部無需采取保溫措施;而列管式換熱器的外殼散熱量較高,一般還需要在外殼上包裹玻璃棉等保溫材料。

(8)占地面積小。相同尺寸的寬通道板式換熱器與傳統列管式換熱器相比,其換熱面積提高了2～3倍,而寬通道板式換熱器的換熱效率更高,因此在相同換熱量工況下,寬通道板式換熱器的占地面積僅為列管式換熱器的10%～25%。

1.3 寬通道板式換熱器的不足

盡管寬通道板式換熱器有諸多優點,但也存在一些不足之處,如對流體的裝載能力較列管式換熱器低,壓力降損失也比列管式換熱器稍大,因此所需的外界泵功率較大。

2 螺旋板式換熱器

2.1 螺旋板式換熱器結構特點

螺旋板式換熱器是一種高效的間壁式換熱器,其結構如圖2所示。螺旋板式換熱器的主體是兩張卷制而成的薄金屬板,兩金屬板之間設置有定距柱或其他形式的阻隔物以保持兩板之間的通道大小,兩金屬板在中心處由一張隔板隔開,形成兩條均勻的互不交叉的螺旋形通道,換熱器在工作時,冷、熱流體在螺旋通道內逆向流動進行換熱[4-8]。

圖2 螺旋板式換熱器結構示意

2.2 螺旋板式換熱器優點

(1)換熱性能好。螺旋板式換熱器為蚊香形結構,冷熱流體的流道截面積處處相等,因此流體在流動過程中不存在盲區,而螺旋形的流道對流體具有擾動作用,加強了流體的湍動程度,進而提高了換熱效果。

(2)自清潔能力強,抗垢下腐蝕性能更好。螺旋板式換熱器由于其流道為螺旋形結構,在合理的流速范圍內,能夠使流體對整個流道產生持續的沖刷作用,污垢難以在流道內壁面積累,其污垢系數僅為管殼式換熱器的70%,因此相比管殼式換熱器不易出現流道阻塞和垢下腐蝕現象。

(3)散熱損失小。螺旋板式換熱器的熱流體入口位于其中一側蓋板的中部,熱流體能夠直接進入換熱器內部,與環境接觸時間短,只要蓋板做好密封,整個換熱器散熱量就很小。

(4)能夠有效利用低溫熱源。當螺旋板式換熱器內部流體為逆向流動時,溫差大于3 ℃就能進行換熱,因此其具有優秀的低溫熱能回收性能。

(5)空間占用少。螺旋形流道使得螺旋板式換熱器的結構非常緊湊,因此體積較小,占用的空間較少。工程實踐和實驗研究證明,相同傳熱面積時,螺旋板式換熱器的體積僅為管殼式換熱器體積的40%左右。

2.3 螺旋板式換熱器的不足

(1)工作壓力較低和流道較短。螺旋板式換熱器的換熱板在工作時會受到冷熱流體的雙重壓力,雖然設置有定距柱,但用來換熱的鋼板厚度一般只有2～6 mm,當冷熱流體的壓力差較大時,流道就會被擠壓變形,從而導致換熱器失效,因此螺旋板式換熱器的工作壓力一般低于4.0 MPa。由于工作壓力較低,因此流道長度不能太長,當設計壓力超過1.6 MPa時,最外圈直徑不得超過2 000 mm。

(2)不易檢修。螺旋板式換熱器內部結構較為封閉,流道較小且螺旋圈數較多,其好處就是流體不易泄漏,但帶來的弊端是一旦出現泄漏就很難排查和檢修。

3 兩種板式換熱器對比

寬通道板式換熱器和螺旋板式換熱器是兩種常見的換熱器類型,它們在結構和工作原理上有一些區別,具體特點對比見表1[9-13]。

表1 兩種換熱器的特點對比

由表1可知,寬通道板式換熱器和螺旋板式換熱器在能耗及適用介質方面存在一些區別。寬通道板式換熱器適用于高流速和低黏度的液體介質,具有較低的壓力降,且適用于大流量的應用場景;而螺旋板式換熱器適用于高黏度介質和氣體,通過引入旋流效應來提高傳熱效率,但壓力降相對較高。因此在選擇適合的換熱器時,需要綜合考慮介質的物性、流量大小、壓力降限制以及所需的傳熱效率。

4 換熱器的防腐蝕

有效的換熱器防腐是保證換熱設備安全穩定運行的重要環節,選擇合適的防腐措施和材料對提高換熱設備的工作效率和使用壽命至關重要,因換熱器不僅存在物料結垢和介質腐蝕問題,還不斷受到流體的沖刷,因此其腐蝕現象相較其他設備更為復雜[14-16]。

4.1 換熱器防腐蝕的技術路線

(1)將易腐蝕金屬表面與運輸介質隔離開;

(2)改善換熱器的工作環境,將金屬的陽極或陰極反應速度控制在一定范圍內;

(3)通過技術處理,提高金屬材料的耐腐蝕性能。

4.2 換熱器表面防腐蝕手段

(1)在與換熱介質接觸的金屬表面涂覆耐蝕涂料;

(2)采用電化學保護方法,以犧牲活性更高的金屬材料為代價(犧牲陽板)保護換熱器;

(3)添加緩蝕劑,減緩腐蝕反應速率;

(4)在高溫條件下對金屬材料滲、鍍耐蝕層,提高其自身耐腐蝕性能[17-18];

(5)這些技術可以單獨使用,也可以共同使用,從而綜合各種技術的優點,提高換熱器的防腐性能并延長換熱器的使用壽命。

4.3 兩種板式換熱器的防腐蝕及選材

4.3.1 防腐蝕措施選擇

寬通道板式換熱器可采用的防腐技術手段較多,通常采用合金材料或者內外包膠等方式進行防腐處理。具體的防腐措施可以根據介質的性質和工況要求進行選擇。常見的防腐材料有不銹鋼、鎳基合金和鈦合金等,這些材料具有耐腐蝕性能好、強度高以及使用壽命長等特點。

螺旋板式換熱器由于其特殊的結構,防腐技術的選擇較為有限。螺旋板式換熱器通常選用不銹鋼、鈦合金等耐腐蝕性能好的材料制造。對于腐蝕性強的介質,可以采用內外包膠或涂層等方式進行防腐蝕處理。

4.3.2 選 材

在選材方面,由于寬通道板式換熱器的換熱板較薄,因此在選材時要綜合考慮材料的防腐蝕性能及機械強度,其中換熱板可選的材質有304/316L/SMO254/Ti/C276等,墊片材質可選擇NBR/EPDM/Viton等高性能橡膠。

根據螺旋板式換熱器的結構特點,選材時不僅要考慮材料的耐蝕性能,還要考慮材料的焊接和冷彎性能,其中螺旋換熱板可選擇碳鋼、不銹鋼、鋁、銅、石墨及鈦材等,實際應用中主要以碳鋼和不銹鋼為主?？紤]到制造成本,螺旋板式換熱器的最外圈筒壁及兩側蓋板一般選擇碳鋼。

5 結 語

綜上所述,寬通道板式換熱器和螺旋板式換熱器都具有其獨特的優點和適用范圍。在比選過程中,需要綜合考慮介質的性質、工況條件、換熱效率和防腐性能等因素,選擇最合適的換熱器,以保證設備的安全穩定運行。同時,合理的防腐措施和材料的選擇也非常重要,可以有效延長設備的使用壽命,保障設備長周期安全運行。