劉思宇

（中核遼寧核電有限公司，遼寧興城 125100）

0 引言

板式熱交換熱器是目前工業(yè)生產(chǎn)中所普遍使用的間壁式換熱器，具有純逆流、結(jié)構(gòu)緊湊、有限空間內(nèi)換熱面積大、傳熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了管殼式換熱器的不足，因冷、熱流體彼此之間互不接觸和滲透混合這一特性使其成為一種使用廣泛、需求量大的換熱裝備[1]。換熱板是板式換熱器的核心部件，板片表面沖壓的形狀與幾何尺寸決定其傳熱與流阻性能[2]，基本原理均是依靠換熱板表面沖壓不同形狀并按一定分布規(guī)律使流體流向與流速發(fā)生變化，促使擾流程度增強(qiáng)，該板式熱交換器采用人字形換熱板。掌握其傳熱特性與缺陷維護(hù)方法，可為現(xiàn)場實(shí)際作業(yè)奠定基礎(chǔ)。

1 FLUENT在換熱器模擬中的應(yīng)用

FLUENT 作為 CFD（Computational Fluid Dynamics，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）中的一種，是用來模擬與分析流體流動(dòng)、傳熱和沖蝕等問題的軟件[3]。FLUENT對換熱器進(jìn)行模擬時(shí)主要涉及的部分有物理模型、有限元模型、邊界條件、湍流模型、控制方程和相關(guān)參數(shù)及屬性等。利用GAMBIT軟件來完成物理模型、網(wǎng)格劃分及邊界條件的定義。再導(dǎo)入FLUENT進(jìn)行流體的性能分析，由于處于湍流中的流體具有強(qiáng)烈的擾流程度，使換熱變得更加的充分，因此對換熱器進(jìn)行模擬時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型[4]。

2 板式熱交換器的強(qiáng)化傳熱

具有溫差的兩種流質(zhì)在忽略熱量損失的情況下，其換熱的模式總是從高溫向低溫過度進(jìn)而達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。層流與湍流為流體流動(dòng)的2種基本形式，層流一般發(fā)生于傳導(dǎo)而湍流一般則發(fā)生于對流[5]。層流是有規(guī)則的，但因流道壁的摩擦力致使流質(zhì)在壁面上的流動(dòng)緩慢，湍流是無規(guī)則渦流流動(dòng)，但流道壁周圍總會(huì)呈現(xiàn)層流膜，湍流程度的增強(qiáng)導(dǎo)致管道壁層流膜變薄，實(shí)現(xiàn)在單位有效換熱面積最小的基礎(chǔ)上傳遞相同熱量，進(jìn)而達(dá)到最高的換熱效率。

根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)傳熱量Q=KAΔtm，其中換熱溫差Δtm、傳熱系數(shù)K與有效換熱面積A是換熱量的主要承擔(dān)因素[6]，若增大換熱量，就必須增大三者之一。換熱系數(shù)越高，傳熱效率就越大，需要的換熱面積就小，而換熱溫差由同向流與逆向流決定，相同工況下，逆向流的換熱溫差要高于同向流，故逆向流換熱模式的熱交換器具有結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，換熱板片對流質(zhì)造成的湍流程度變得關(guān)鍵，對于及易結(jié)垢、結(jié)晶、熱敏感的流質(zhì)考慮采用層流換熱，因?yàn)橥蛄鞲€(wěn)定，層流的膜傳熱系數(shù)越大，湍流程度就越強(qiáng)，管道壁的層流膜變薄，熱阻較小，傳熱性能越佳[7]。

3 模型的預(yù)處理

人字形換熱板片的結(jié)構(gòu)型式為人字形波紋在同一平面內(nèi)沿軸向按一定的距離進(jìn)行排布，其流質(zhì)模型長500 mm、寬160 mm、厚0.7 mm。模型的預(yù)處理包括網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)定及確定求解方法這三部分。首先通過三維建模軟件PROE生成實(shí)體模型，再將實(shí)體模型另存為IGES文件后導(dǎo)入Gambit中進(jìn)行網(wǎng)格的劃分和邊界條件的設(shè)定。由于波紋板模型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在網(wǎng)格劃分的過程中很容易出現(xiàn)扭曲度較大的網(wǎng)格進(jìn)而會(huì)對網(wǎng)格的劃分質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響，網(wǎng)格質(zhì)量的優(yōu)劣是模擬計(jì)算的關(guān)鍵部分，故本次均采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中的Tet/Hybrid網(wǎng)格單元進(jìn)行劃分，網(wǎng)格的間距?。?～1.5）mm，局部網(wǎng)格劃分如圖1所示。

通過實(shí)際工況對模擬邊界條件進(jìn)行設(shè)定，入口設(shè)置為Velocity inlet，出口設(shè)置為Pressure outlet，板管壁面與側(cè)面均設(shè)置為不可滲透的無滑移邊界。入口溫度為40℃，板管內(nèi)介質(zhì)為水，板壁面溫度為恒壁溫25℃。本文模擬計(jì)算均選用SIMPLE算法進(jìn)行離散計(jì)算，其相應(yīng)的參數(shù)選擇為默認(rèn)值。湍流模型選擇為標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，湍流參數(shù)中的湍流強(qiáng)度定義為4.7，水力半徑定義為0.2 m。選擇二階迎風(fēng)的格式對模型進(jìn)行離散化處理[8]，在計(jì)算過程中所涉及的方程有動(dòng)量方程、湍流方程、質(zhì)量方程和能量方程，其殘差精度不同[9]。計(jì)算結(jié)果是否收斂將通過設(shè)定的殘差曲線來進(jìn)行判定，當(dāng)曲線達(dá)到平穩(wěn)且無較大波動(dòng)時(shí)，計(jì)算可視為收斂[10]。

圖1 人字形換熱板局部放大網(wǎng)格

4 模型結(jié)果分析

通過FLUENT軟件的后處理功能，可將計(jì)算結(jié)果經(jīng)過可視化的云圖、矢量圖等顯示出內(nèi)部流體的流動(dòng)狀態(tài)及變化規(guī)律。圖2為人字形換熱板速度矢量圖，從圖中可以看出，傳熱板表面上沿流質(zhì)運(yùn)動(dòng)的軸向形成多組流道，不同區(qū)域的流速大小與方向各不相同。由于流通截面積不斷變化，凸起處因流動(dòng)空間較大致使流速降低，凹陷自支撐處因流通截面積變小致使流速明顯增加并不斷變化。

圖2 人字形換熱板速度矢量圖

圖3為人字形換熱板壓力云圖，從圖中可看出流體的流動(dòng)方向是從右向左的，且壓力以較強(qiáng)的規(guī)律性呈逐漸減小趨勢，在凸起區(qū)域的壓力變化差異較大，尤其當(dāng)流體流進(jìn)自支撐結(jié)構(gòu)區(qū)域時(shí)，其壓力梯度變化顯著，原因是由換熱板內(nèi)流通面積逐漸變大又變小所造成的。圖4為人字形傳熱板壓力散點(diǎn)圖，其橫坐標(biāo)為流質(zhì)從入口到出口的位置變化，而縱坐標(biāo)則為變化位置所對應(yīng)的壓力變化，明顯呈遞減的趨勢變化，在流體進(jìn)入時(shí)壓力呈現(xiàn)出最大值。

圖5為人字形波換熱溫度云圖，從圖中可以看出溫度沿軸線方向是逐漸降低的且分布規(guī)律性較強(qiáng)，在凸起與凹陷處變化顯著。圖6為人字形換熱板溫度散點(diǎn)圖，其橫縱坐標(biāo)定義與壓力散點(diǎn)圖相同，通過散點(diǎn)圖的變化趨勢可以顯著得出流質(zhì)從入口到出口溫度是逐漸呈規(guī)律遞減的。

5 板式熱交換器解體維護(hù)

圖3 人字形換熱板壓力云圖

板式熱交換器需要定期解體維護(hù)，主要原因?yàn)殚L期運(yùn)行使用的熱交換器其換熱板片會(huì)結(jié)垢[11]，導(dǎo)致流體分布不均、傳熱效率降低、壓降增加、損壞板片等問題，熱交換器的應(yīng)用場合不同，結(jié)垢的種類也有所不同，如水垢、水生物、沉降物等，故需要對換熱板片進(jìn)行定期清洗。在效率滿足要求的工況下，可以采取反沖洗的方法進(jìn)行除垢，當(dāng)換熱效率降低且不滿足要求時(shí)，需進(jìn)行解體維護(hù)。

圖4 人字形換熱板壓力散點(diǎn)圖

圖5 人字形波紋板溫度云圖

5.1 整體結(jié)構(gòu)及工作原理

核電站所用的板式熱交換器具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效率高、換熱面積大等特點(diǎn)，主要由框架板、壓緊板、拉緊螺栓、導(dǎo)桿、換熱板片、密封圈等組成。其工作原理為除鹽水與海水兩類不同流質(zhì)分別在A與B兩類不同傳熱板內(nèi)進(jìn)行熱交換，A類傳熱板是自上向下流動(dòng)的而B類則正相反，同類傳熱板僅流過一種流體。

5.2 換熱板結(jié)構(gòu)特性

換熱板片由進(jìn)出口、懸掛槽、密封槽、泄漏槽、密封墊片、人字形傳熱區(qū)等組成。因其特殊的沖壓結(jié)構(gòu)，具有自支撐與強(qiáng)度高的機(jī)械性能，具有湍流程度強(qiáng)的流動(dòng)性能，可使換熱板片制造的厚度減薄，可防止進(jìn)口流體到達(dá)換熱區(qū)的壓力損失，從而有效換熱、避免換熱死區(qū)、減少結(jié)垢可能，可使內(nèi)部進(jìn)行平行流換熱流質(zhì)完全滿足對角流的性能，實(shí)現(xiàn)沿程交叉換熱，使換熱效率有效提升。按照換熱需求可以通過增加偶數(shù)板片進(jìn)而實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容增效。

5.3 缺陷維護(hù)

維修時(shí)應(yīng)先關(guān)閉管路進(jìn)口閥門，再關(guān)閉出口閥門，待熱交換器冷卻到一定溫度時(shí)再進(jìn)行拆卸，過程中要注意密封墊片的保護(hù)，避免其損壞及脫落現(xiàn)象的發(fā)生，因?yàn)槊芊馊哂忻芊饬黧w、補(bǔ)償溫度變化、組織流道等作用。同時(shí)需要預(yù)先測量框架板與壓緊板間的距離，便于后續(xù)回裝后對拉伸螺栓預(yù)緊力的衡定。

板式熱交換器出現(xiàn)的常見缺陷有前后壓差大、換熱效率低，造成的主要原因?yàn)閾Q熱板間沉積物積累，前者維修方法為對海水側(cè)管道解體清理，后者若非因海水側(cè)流道堵塞則需要進(jìn)行全面解體維護(hù)；外漏，造成的原因?yàn)槊芊鈼l脫落、裂紋、異物、拉伸螺栓緊固不到位等，維修方法為先檢查螺栓緊固是否到位，均勻緊固各螺栓，觀察漏點(diǎn)是否消除。若無法消除需用記號筆標(biāo)記外漏位置，重新全面解體。再檢查外漏位置密封條是否有脫落、裂紋或夾雜異物現(xiàn)象，脫落需采用專業(yè)膠水重新將膠條粘好，裂紋則需取下?lián)Q熱板密封槽內(nèi)的缺陷密封條并更換粘接相同型號的密封條，密封條間夾雜異物則其清除異物，若卡槽變形則需取下?lián)Q熱板并將其敲平，無法修復(fù)則更換處理，若換熱板安裝方向有誤，則需調(diào)整；內(nèi)漏，造成的主要原因?yàn)榘迤┛谆蝾l繁拆卸導(dǎo)致的板片變形與裂紋，維修方法為若換熱板沖蝕穿孔或變形無法恢復(fù)的則取下更換新備件，并用密封膠粘接重新修復(fù)失效的密封條。

板式熱交換器解體維護(hù)后，需按板片拆卸順序?qū)ζ溥M(jìn)行回裝，所施加預(yù)緊力應(yīng)與拆卸前保持一致，回裝拉緊螺桿時(shí)應(yīng)對角同步并注意板片的變形及泄漏現(xiàn)象，以確保板片組件的壓緊力，從而保證回裝后的板式熱交換器正常運(yùn)行。隨后應(yīng)對其兩側(cè)分別進(jìn)行水壓試驗(yàn)，規(guī)定壓力可通過液壓泵或直接從系統(tǒng)處引出實(shí)現(xiàn)，試驗(yàn)前需對板式熱交換器各進(jìn)出口安裝試壓胎具，并在出口處安裝一塊合適量程的壓力表，目的在于當(dāng)壓力達(dá)運(yùn)行要求后，將進(jìn)出口處閥門進(jìn)行關(guān)閉，使其處于保壓狀態(tài)，保壓期間應(yīng)觀察其是否存在漏點(diǎn)，主要觀測堆疊板片處與打壓中另一側(cè)換熱回路，如有漏點(diǎn)應(yīng)做好標(biāo)記，待保壓一段時(shí)間后對其卸壓，再對漏點(diǎn)處進(jìn)行處理，將全部漏點(diǎn)處理后，再次進(jìn)行打壓試驗(yàn)，直至無泄漏符合要求為止。

6 總結(jié)

通過FLUENT軟件的數(shù)值模擬分析，得出板式熱交換器人字形換熱板從進(jìn)口到出口的壓力與溫度變化均是逐漸減小的，軸向規(guī)則變化的流道截面使得流質(zhì)流速大小交錯(cuò)變化，凸起處因流動(dòng)空間較大致使流速降低，凹陷處因流通截面積變小致使流速明顯增加并不斷變化，對其內(nèi)部流場傳熱機(jī)理及分布規(guī)律有一定的掌握，在此基礎(chǔ)上闡述板式熱交換器的結(jié)構(gòu)特性、工作原理、缺陷維護(hù)與解體維修前、中、后過程的基本流程及注意事項(xiàng)，全面深入了解板式熱交換器的整套維修流程，為今后的維修奠定一定的理論與技能基礎(chǔ)。