板式換熱器熱工測(cè)試板片微變形問題的探討及應(yīng)對(duì)措施*

張中清 崔云龍 劉孝根 何顏紅

(1.合肥通用機(jī)械研究院；2.甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院)

板式換熱器熱工測(cè)試板片微變形問題的探討及應(yīng)對(duì)措施*

張中清1崔云龍1劉孝根1何顏紅2

(1.合肥通用機(jī)械研究院；2.甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院)

通過對(duì)板式換熱器流體阻力特性試驗(yàn)研究，探討了由于板片微變形引起的壓降檢測(cè)結(jié)果的差異性。并針對(duì)該問題提出處理對(duì)策，推出一種新型板式換熱器液相介質(zhì)壓降測(cè)試系統(tǒng)，為壓降檢測(cè)工作提供借鑒。

板式換熱器 壓降 進(jìn)口壓力 板片微變形 測(cè)試系統(tǒng)

板式換熱器內(nèi)液相介質(zhì)流動(dòng)阻力引起的壓降，是判別換熱器性能的一個(gè)重要因素。換熱器壓降測(cè)試工作通過壓降測(cè)試結(jié)果歸納得出歐拉數(shù)與雷諾數(shù)準(zhǔn)則方程，實(shí)現(xiàn)同種板片結(jié)構(gòu)換熱器的選型計(jì)算，為換熱器新產(chǎn)品的開發(fā)和現(xiàn)有產(chǎn)品在工藝流程中動(dòng)力需求的確定提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

目前，板式換熱器液相介質(zhì)流動(dòng)阻力的測(cè)試系統(tǒng)主要是依照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 27698[1]和JB/T 10379[2]中的“液-液測(cè)定系統(tǒng)”建立的。該系統(tǒng)主要用于板式換熱器傳熱性能測(cè)試，同時(shí)也可進(jìn)行壓降性能測(cè)試。標(biāo)準(zhǔn)中未明確壓降測(cè)試具體步驟，在實(shí)際檢測(cè)工作中一般給出兩側(cè)等流速工況下壓降測(cè)試結(jié)果和固定一側(cè)流速時(shí)兩側(cè)壓降測(cè)試結(jié)果。

在實(shí)際壓降測(cè)試過程中，檢測(cè)人員發(fā)現(xiàn)板片微變形影響著測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，導(dǎo)致本該具有可復(fù)性的檢測(cè)結(jié)果，因操作工序上的區(qū)別而有明顯差異。板片微變形是指流體在板片間形成的通道中流動(dòng)時(shí)，因兩側(cè)流體介質(zhì)進(jìn)口壓力不同，導(dǎo)致低壓側(cè)流道變窄，流動(dòng)阻力大于設(shè)計(jì)值，對(duì)應(yīng)的高壓側(cè)流道擴(kuò)張，流動(dòng)阻力變??；甚至在兩側(cè)進(jìn)口壓力接近的情況下，流體先流入側(cè)通道也會(huì)有擴(kuò)張變形[3]。特別是隨著大型板式換熱器在核電領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，板片尺寸越來越大，板片越來越薄，在實(shí)際檢測(cè)過程中板片微變形問題對(duì)檢測(cè)結(jié)果帶來的影響已不可忽視。而且在現(xiàn)場(chǎng)工藝流程中，因板片微變形因素導(dǎo)致動(dòng)力設(shè)備所需提供的能頭波動(dòng)明顯，乃至設(shè)備跳閘保護(hù)的現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生，對(duì)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來隱患[4]。

1 板片微變形對(duì)換熱器性能檢測(cè)結(jié)果的影響

考慮到兩側(cè)流道結(jié)構(gòu)的細(xì)微差別后，通過對(duì)多臺(tái)兩側(cè)通道結(jié)構(gòu)一致類型板式換熱器壓降檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，板片受壓縮和擴(kuò)張對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響不容忽視，影響程度也不盡相同。圖1為某廠不同單板換熱面積的板式換熱器在兩側(cè)等流速工況下的壓降檢測(cè)結(jié)果。

a. 換熱器A

b. 換熱器B

c. 換熱器C

d. 換熱器D

通過圖1可以看出，在流速較低時(shí)，板片受壓縮和擴(kuò)張帶來的壓降的差別還不太明顯，隨著流速增加，兩側(cè)通道進(jìn)口壓力增大，板片受壓縮和擴(kuò)張帶來的壓降也隨之增加。說明換熱板片兩側(cè)壓力大小的差異是導(dǎo)致板片變形的關(guān)鍵因素。

針對(duì)檢測(cè)過程中可能會(huì)導(dǎo)致板式換熱器兩側(cè)通道壓力不一致的情況進(jìn)行了試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

a. 在固定一側(cè)流速工況下，固定側(cè)流體壓降隨著另一側(cè)流速的變化而有所改變，某BR0.12板式換熱器實(shí)際檢測(cè)結(jié)果見表1。

b. 固定一通道流速工況，若二通道內(nèi)無流體且進(jìn)出口與大氣貫通，一通道壓降明顯小于兩側(cè)等流速流體通過時(shí)的結(jié)果；若二通道沖滿流體后打壓至兩側(cè)通道進(jìn)口測(cè)試段壓力一致時(shí)，一通道壓降與兩側(cè)等流速流體通過時(shí)的結(jié)果接近。某BR0.12板式換熱器實(shí)際檢測(cè)結(jié)果見表2。

可見，在板式換熱器性能檢測(cè)工作中若忽視板片微變形問題而進(jìn)行壓降測(cè)試，同一產(chǎn)品在相同定性溫度和流速下得出的測(cè)試結(jié)果會(huì)有明顯的差異。

同時(shí)，板片微變形問題不僅影響著壓降性能測(cè)試，對(duì)傳熱數(shù)據(jù)處理也會(huì)帶來影響。板式換熱器等流速測(cè)試的目的是為了實(shí)現(xiàn)兩側(cè)流動(dòng)雷諾數(shù)相等，根據(jù)相似原理，后期通過等雷諾數(shù)法對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)處理，剝離出兩側(cè)換熱系數(shù)，求解努塞爾數(shù)準(zhǔn)則方程。然后由于板片微變形問題的存在，導(dǎo)致兩側(cè)通道幾何相似條件遭到破壞，兩側(cè)雷諾數(shù)差距也無法估計(jì)，造成數(shù)據(jù)處理結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)一步降低。

表1 流速一側(cè)固定、另一側(cè)變化時(shí)固定側(cè)通道壓降檢測(cè)結(jié)果

表2 不同工況下固定流速側(cè)通道壓降檢測(cè)結(jié)果

2 板片微變形問題的應(yīng)對(duì)措施

目前，換熱器檢測(cè)行業(yè)中關(guān)于對(duì)板式換熱器壓降檢測(cè)工作中板片微變形問題的應(yīng)對(duì)尚未形成標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際檢測(cè)工作中，大多數(shù)委托方只會(huì)指定流量參數(shù)，較少有對(duì)通道進(jìn)口壓力有具體指定要求，這對(duì)于檢驗(yàn)人員應(yīng)該如何處理板片微變形問題提出了考驗(yàn)。

針對(duì)上述工藝中存在的問題，根據(jù)實(shí)際需求，可以在進(jìn)行檢測(cè)工作時(shí)通過一些手段從源頭上令兩側(cè)通道進(jìn)口壓力接近，避免板片微變形現(xiàn)象的發(fā)生。比如在進(jìn)行等流速壓降測(cè)試時(shí)，需要使通道兩側(cè)都完全充滿流體后方可啟動(dòng)泵循環(huán)；系統(tǒng)兩側(cè)變頻泵啟動(dòng)、流量調(diào)節(jié)同步等措施避免因兩側(cè)介質(zhì)通道內(nèi)流動(dòng)先后順序引起的差異?？紤]到系統(tǒng)內(nèi)冷、熱兩處罐箱內(nèi)液位高度的差異、兩側(cè)循環(huán)管路布置不同導(dǎo)致的管路壓損差異等因素，在現(xiàn)有測(cè)試過程中，很難保證兩側(cè)通道進(jìn)口壓力一致。

目前，合肥通用機(jī)械研究院承建的換熱器液相介質(zhì)壓降測(cè)試系統(tǒng)采用如圖2所示的工藝，在滿足壓降測(cè)試工作要求的前提下，對(duì)于板片微變形因素的影響改善效果較為明顯且操作更方便。該系統(tǒng)包括工質(zhì)輸送模塊、流量調(diào)節(jié)模塊、壓力測(cè)量模塊、排氣和壓力平衡模塊。

圖2 換熱器壓降測(cè)試系統(tǒng)

在常規(guī)測(cè)試方案的基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)新增一類測(cè)試方案，即僅開一臺(tái)泵，單側(cè)流動(dòng)、另一側(cè)充液等壓測(cè)試方案，具體檢測(cè)步驟如下：

a. 首先以金屬軟管連接兩側(cè)平衡閥14、15并開啟，打開切斷閥2，打開開關(guān)閥12、25，全開調(diào)節(jié)閥10，低頻啟動(dòng)變頻泵4，隨后打開排氣閥27，待排盡管路系統(tǒng)中不凝氣后，關(guān)閉排氣閥27。

b. 采集流量計(jì)8流量信號(hào)，調(diào)節(jié)變頻泵4功率，待流量穩(wěn)定后，根據(jù)板式換熱器單側(cè)通道流量要求，依據(jù)流量計(jì)8流量信號(hào)改變調(diào)節(jié)閥10開度，以滿足該側(cè)工況流量要求。試驗(yàn)工況穩(wěn)定后，PLC采集系統(tǒng)記錄壓力變送器18、21測(cè)量的熱側(cè)通道進(jìn)出口壓力phi、pho。

c. 隨后將工序按變頻泵3所在管路重新操作一遍，壓力變送器19、22測(cè)量得出冷側(cè)通道進(jìn)出口壓力pci、pco。板式換熱器壓降特性分別由壓力phi、pho、pci、pco計(jì)算得出。

與常規(guī)換熱器壓降檢測(cè)系統(tǒng)相比，本檢測(cè)系統(tǒng)的效果是：

a. 僅針對(duì)換熱器液相介質(zhì)壓降測(cè)試要求而建立，不需要額外配置溫度控制系統(tǒng)，僅需要配置一處罐箱，節(jié)約了不必要的投資。

b. 為實(shí)現(xiàn)換熱板片兩側(cè)壓力一致，系統(tǒng)中流量調(diào)節(jié)模塊和壓力平衡模塊保證了換熱器兩側(cè)通道流量、進(jìn)口壓力可控；工質(zhì)自同一處罐箱流出，沿程管路一致，保證了換熱器兩側(cè)工質(zhì)物性一致，且避免了靜水頭壓力和管路阻力差異對(duì)進(jìn)口壓力的影響。

c. 相對(duì)比兩側(cè)等流速方案的泵閥同步啟閉難以操作，一側(cè)流動(dòng)、另一側(cè)充液等壓測(cè)試方案中，工質(zhì)同時(shí)進(jìn)入板式換熱器兩側(cè)通道，兩通道進(jìn)口壓力接近，削減了因兩側(cè)工質(zhì)進(jìn)入先后順序和兩側(cè)壓差大引起的板片變形因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。

3 壓降檢測(cè)方案的選擇

在實(shí)際檢測(cè)工作中，采用不同的壓降測(cè)試方案并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，經(jīng)過多組檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，兩側(cè)等流速工況時(shí)通道兩側(cè)泵啟動(dòng)先后順序帶來約有不超過5%的上下浮動(dòng)誤差；固定一側(cè)流速時(shí)另一側(cè)通道壓力變化引起壓降測(cè)試數(shù)據(jù)差異較大，無法統(tǒng)計(jì)。此時(shí)換熱器性能檢測(cè)機(jī)構(gòu)應(yīng)該給出何種工況下的檢測(cè)結(jié)果？對(duì)此筆者給出建議：對(duì)于委托方?jīng)]有指定具體工況要求的，應(yīng)按照筆者提出的改進(jìn)方案，即一側(cè)流動(dòng)，另一側(cè)充液等壓方案得出的測(cè)試數(shù)據(jù)來給出檢測(cè)結(jié)果；對(duì)于委托方有明確兩側(cè)通道工況要求的，應(yīng)按工況要求進(jìn)行檢測(cè)，將板片微變形帶來的影響考慮進(jìn)去，令板式換熱器液相介質(zhì)壓降測(cè)試結(jié)果對(duì)實(shí)際工況更具有指導(dǎo)意義；同時(shí)給出流速一側(cè)固定、另一側(cè)變化時(shí)的通道壓降檢測(cè)結(jié)果以進(jìn)行對(duì)比分析，反映出換熱板片的穩(wěn)定性能。

4 結(jié)束語

對(duì)換熱器壓降檢測(cè)工作中出現(xiàn)的換熱板片微變形問題進(jìn)行探討、分析，并結(jié)合多組板式換熱器測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)該問題可能引起的檢測(cè)結(jié)果誤差方向、大小進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明板片微變形問題不僅僅是個(gè)概念問題，確實(shí)給檢測(cè)結(jié)果帶來不可忽視的影響，應(yīng)當(dāng)引起重視。針對(duì)該影響，筆者提出了相應(yīng)的措施，并提供了一種新型換熱器液相介質(zhì)壓降測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試結(jié)果顯示，板片微變形問題在新的檢測(cè)工藝下明顯得以緩解乃至消除，檢測(cè)結(jié)果的可復(fù)性增強(qiáng)。壓降作為換熱器的一項(xiàng)關(guān)鍵性能參數(shù)，期望在日后的檢測(cè)工作中能形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，明確規(guī)范操作流程，避免因檢測(cè)工藝上的區(qū)別而導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果上的差異。

[1] GB/T 27698-2011，熱交換器及傳熱元件性能測(cè)試方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

[2] JB/T 10379-2002，換熱器熱工性能和流體阻力特性通用測(cè)定方法[S].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[3] 李崇岳，奚延安，許國(guó)治，等.板式換熱器流體力學(xué)性能的研究[J].化工煉油機(jī)械,1981,(5):1～10.

[4] 俞力帆，吳勝法.板式換熱器換熱板片微變形特性淺析[J].華電技術(shù),2009,31(11):18～19.

2017-06-14，

2017-07-04)

計(jì)為音叉液位開關(guān)再次中標(biāo)浙江新化二期項(xiàng)目

浙江新化化工股份有限公司二期項(xiàng)目再次批量使用深圳計(jì)為自動(dòng)化技術(shù)有限公司生產(chǎn)的音叉液位開關(guān)。繼一期項(xiàng)目以來，計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)型、防爆型、高溫型、防腐型及加長(zhǎng)型等型號(hào)的液位開關(guān)又一次在香料自動(dòng)化生產(chǎn)過程中應(yīng)用。迄今為止，所有產(chǎn)品運(yùn)行情況良好。

計(jì)為音叉液位開關(guān)較國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品，具有以下獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：

◎ 叉體長(zhǎng)僅40mm ，特別適合狹小空間液位測(cè)量；

◎ 最小允許介質(zhì)密度0.5g/cm3；

◎ 抗干擾能力強(qiáng)，免受于泡沫、氣泡、粘稠、振動(dòng)以及液體特性的影響；

◎ 耐高溫設(shè)計(jì)，過程溫度可達(dá)250℃，行業(yè)領(lǐng)先；

◎ 基于檢測(cè)頻率變化的設(shè)計(jì)，具有高可靠性；

◎ 具備隔爆、本安雙重最高等級(jí)防爆認(rèn)證。

DiscussionandCountermeasuresforMicroDeformationofThermalTestPlateofPlateHeatExchangers

ZHANG Zhong-qing1, CUI Yun-long1, LIU Xiao-gen1, HE Yan-hong2

(1.HefeiGeneralMachineryResearchInstitute; 2.GansuSpecialEquipmentInspectionandResearchInstitute)

Through the experimental study on fluid resistance characteristics of plate heat exchangers， the differences in pressure drop test results caused by the micro plate deformation were discussed and countermeasures for them were proposed and a test system for liquid pressure drop of new type of plate heat exchanger was presented to provide the reference for pressure drop detection.

plate heat exchanger, pressure drop, inlet pressure, plate micro-deformation, test system

張中清(1974-)，高級(jí)工程師，從事?lián)Q熱器的設(shè)計(jì)與開發(fā)工作，cylmnn@163.com。

TQ051.5

A

1000-3932(2017)10-0964-04