用于水產品解凍水能量回收的換熱器選擇*

楊俊威 金 濤

(浙江大學化工機械研究所)

用于水產品解凍水能量回收的換熱器選擇*

楊俊威**金 濤

(浙江大學化工機械研究所)

針對水產品解凍水能量回收問題，比較了管式和板式換熱器的優、缺點，介紹了不同類型換熱器的工作原理和應用領域，就換熱器中的污垢和腐蝕兩方面作了重點介紹，在此基礎上對焊接式板式換熱器做了簡要介紹。最終選取板式換熱器作為解凍水能量回收的換熱器。

板式換熱器 水產品解凍水能量回收 結垢 腐蝕

隨著我國經濟的快速發展，對于沿海各省份來說，能源短缺一直制約著經濟的發展。為實現可持續發展，必須尋求可替代化石能源的新能源和可再生能源，浙江省具有豐富的海水資源，海水溫度同時滿足了冬季制熱、夏季制冷的需求，非常適宜作為海水源熱泵的冷熱源，具有優于其他地區使用海水源熱泵的優勢。水產品解凍水主要是溫度較低的海水和含有大量鹽類的水，可充分利用換熱過程來進行能量回收。為了使換熱設備適應換熱介質，需要對換熱介質(如解凍海水)加以分析，海水中含有大量的鹽(即氯離子)和泥沙，鹽類包含的離子以氯離子、鈣離子、鎂離子為主；同時泥沙中含有微生物和藻類。因此，換熱過程中需要考慮海水的溫度、溶解氧、pH值、鹽度、流速、離子含量、固體顆粒及微生物等因素給換熱設備帶來的腐蝕和結垢問題，設計人員可通過結構設計等方法解決換熱設備結垢的難題及微生物滋生、海洋生物附著等現象，通過對材料的選取解決腐蝕問題。工程上常用的換熱設備有管式換熱器和板式換熱器，筆者將對兩種換熱設備進行各方面的對比，以選擇符合要求的換熱器進行水產品解凍水的能量回收。

1 管式和板式換熱器的比較

1.1管式換熱器

管殼式換熱器分為固定管板式換熱器和浮頭式換熱器。固定式用的較多，管式換熱器多應用于煉油、石油化工，適用于冷卻，冷凝、加熱、蒸發和廢熱回收各個方面，在工程中應用較為廣泛。它具有結構堅固、彈性大、可靠程度高及適用范圍廣等優點，但其在換熱效率、設備的體積及金屬材料的消耗量等方面不如其他換熱器，固定式換熱器殼側不能清洗，并且檢查困難，不能采用較臟或有腐蝕性的介質，宜用于殼體與管子溫差小、殼程壓力不高、殼程結垢不嚴重或能用化學清洗的場合。

1.2板式換熱器

板式換熱器(PHE)是由一系列波紋形的平行板構成的，平板做成波紋形是為了增加湍流和機械強度，板式換熱器的基本結構如圖1所示。工作流體在兩塊板片所形成的窄小而曲折的通道中流過。冷、熱流體依次通過各個流道，中間隔一層板片，通過此板片進行換熱。板式換熱器易拆裝、換熱系數大、占地面積小、不易結垢、結構緊湊、適應性強、可以一機多用，同時，還具有易于清洗及容易控制滅菌和巴氏滅菌所需的熱量等優點。由于石墨可以耐高溫高壓，隨著石墨墊片、石墨板材技術在板式換熱器中的應用，如今板式熱交換器可適用于電力和化學過程。在未使用石墨材料時，板式換熱器的最大操作溫度為150℃，最大操作壓力是1.6MPa，而采用壓縮石墨墊片后，可將最高操作溫度提高到360℃，最高操作壓力提高到2.8MPa[1]，增加了其應用范圍。

圖1 板式換熱器的基本結構

綜上所述，管式和板式換熱器各有優缺點，對二者進行對比可以發現，板式換熱器具有較高的換熱效率，在穩定的工作情況下，換熱效率可以達到90%及以上，高于其他換熱器，而且其體積小、重量輕，用材少也節約成本；管式換熱器需要讓易結垢的介質走管程，防止結垢，而板式換熱器可以通過設計特殊的板片結構來解決結垢問題；針對防腐問題，兩種換熱器都可以通過選用特定的材料來達到防腐的目的。因此，對于同一種解凍水介質，綜合考量后選用板式換熱器來進行換熱。

1.3板式換熱器傳熱機理及應用

在板式換熱器設計中，板片按一定的間隔通過橡膠墊片壓緊組成通道，兩種存在溫度差的流體在受迫對流傳熱過程中通過角孔進入板片通道，在相鄰通道中兩種不同流體形成逆流或順流通過板片進行熱量的交換，換熱板片被壓成各種不同波紋形式，以增加換熱板片面積和剛性。合理的波紋形式能使流體在低雷諾數下達到高度湍流，創造出最高的換熱效率。由于熱傳遞板表面采用波紋結構優化設計，即使流體流速未達到湍流所需的最低雷諾數條件，流體在板片之間的運動亦呈三維運動，促使流體形成劇烈紊動，減少邊界層熱阻強化傳熱效率。

目前板式換熱器已廣泛應用于冶金、造紙、化工、石油、食品、電力、醫藥及船舶等領域。可用于加熱、冷卻、蒸發、冷凝、殺菌消毒及余熱回收等場合。下面筆者將從板式換熱器在實際使用中出現的污垢和腐蝕方面進行闡述[2～8]。

2 板式換熱器的結垢

2.1常見的污垢類型

污垢沉積增加了熱流熱阻，導致液壓和熱擾動，所以污垢需要清洗，使換熱器恢復到原來的狀態。液體側污垢類型有沉淀和結晶污垢、化學反應污垢、微粒污垢、腐蝕污垢、生物污垢、凝固和冷凍污垢。李文輝從上述幾個方面進行分析，指出不同結垢類型都有其發生的條件，一個系統內可能同時存在幾種類型的污垢，各種結垢類型間又可能相互作用和促進，有的占主導地位，而有的則不明顯，同時還從流體性質、換熱器的幾何結構、流速和溫度4個方面說明了其對結構的影響[9]。姜立清從兩個方面闡述了結垢的原因：以離子或分子狀態溶解于水中的雜質，如鈣鹽、鎂鹽、鈉鹽，其中鈣鹽(如CaCO3、CaSO4)是引起結垢的主要原因；以膠體狀態存在的雜質，如鐵化合物、微生物、污泥及粘垢等是次要原因[10]。趙本興從水垢、鐵垢和生物垢3方面說明了結垢的原因并指出其危害[11]。總之，鹽呈現的逆溶解效應是造成板式換熱器結垢的主要原因，冷卻水和金屬壁的溫度升高，水流速度和板片的幾何形狀也對其造成了影響。

綜上所述，板式換熱器結垢會帶來換熱效率的下降，影響正常工藝參數的執行；嚴重時將導致管道堵塞、增大能耗，也可能造成垢下腐蝕，更有甚者會使設備由于腐蝕過大而泄漏報廢。

2.2對污垢的監測與預測

針對以上情況，有必要對換熱器結垢進行相應的監測和預測，并采取一定的措施來解決結垢問題。文孝強等建立了基于模擬退火支持向量機的板式換熱器污垢熱阻預側模型[12]，結果表明預側值與實驗得到的實側值基本吻合，平均誤差很小，滿足工程需求。Nolan M C和Scott B H做了關于換熱器結垢、過濾器設計、材料的兼容性在線監測驗證假設[13]，他們用測流監控(SSM)作為一個有用的測試平臺，作為對用于控制原水生物污垢的化學處理程序的選擇和優化。同樣，開發電弧爐煉鋼技術是為了減輕兩板框和殼管式換熱器的尺寸[14]。Rivero C和Napolitano V描述了一個實用程序基于人工神經網絡(ANN)，它允許預測沉積厚度、整體傳熱系數和臨界時間，這樣可以減少在巴氏滅菌過程中污垢的影響[15]。Merheb B等提出了一種新的聲學技術，可以實時監控板式換熱器內部污垢[16]。

2.3特殊的板片結構

板式換熱器的抗結垢性能比列管式換熱器好。在設計中，將介于角孔和主要換熱區域中間的一部分設計成巧克力分布方式，這樣有幾個優點：使流體均勻流過整個板片；A、B處的壓力降相同(圖2)；在該巧克力區域的壓力損失最小；允許平行流；避免了遠處的死角。該結構即可充分使用傳熱面積，又沒有死角區域的結垢。同時，平行流通過巧克力分布區能夠達到原來對角流的全部功能。

圖2 板片結構

在此基礎上，對于已經結垢的情況，要采取相應的措施來解決污垢帶來的問題。李華峰等分別給出了一些清洗方法，包括化學清洗、機械清洗及機械在線除垢技術等方法并進行了具體的說明[17～20]。

綜上所述，除了采取監測、預測污垢的方法和在產生污垢時采取有效措施解決污垢問題外，還必須從入口介質方面把好關，從設計、選材、制造、安裝、運行管理及維護保養等方面全面地進行控制。同時，在使用過程中，按照換熱器的使用性能進行生產操作，加強換熱器的運行管理，強化其自身的阻垢能力，這些都是提高換熱效率、節約能源，保證換熱設備長周期、滿負荷、安全經濟運行的簡單有效方法。

3 板式換熱器的腐蝕

3.1腐蝕的類型

板式換熱器在工業上的應用越來越多，防止換熱器的失效就顯得非常重要，其中包括由于腐蝕導致的換熱器失效。因此，必須了解換熱器腐蝕的原因，并采取合適的解決辦法。板式換熱器腐蝕失效類型有點蝕、縫隙腐蝕、應力開裂腐蝕、晶間腐蝕、均勻腐蝕及其他一些腐蝕失效。點蝕是由閉塞電池腐蝕作用引起的一種局部腐蝕，使局部金屬表面的鈍化膜破壞，形成尺寸小于1mm的穿孔或蝕坑；縫隙腐蝕是由閉塞電池腐蝕作用引起的一種呈斑點狀或潰瘍性的局部腐蝕，與點腐蝕的主要區別是腐蝕產生在金屬零件的縫隙處，由于滯留介質的電化學不均勻性而導致的；應力開裂腐蝕是在靜態拉伸應力與電化學介質共同作用下，由陰極溶解過程引起的金屬局部腐蝕裂紋或斷裂；晶間腐蝕起源于金屬表面并沿晶粒邊界深入到內部的腐蝕，可導致晶粒間的結合力喪失，使材料的強度降低；均勻腐蝕是指接觸介質的金屬表面全部或大部分被腐蝕的現象；其他腐蝕失效有磨蝕及微生物腐蝕等。

董雷軍等分別對某設備板片的失效進行了研究，通過掃描電鏡觀察、化學成分分析、金相檢驗、殘余應力測試及能譜分析與垢層X射線衍射分析等方法來判定失效的類型[21，22]。這些方法的結合使用能夠有效地判定失效類型，與宏觀觀察的結果也相同。Turissini R L等討論了板式換熱器的腐蝕故障，研究了在墊圈腐蝕和應力腐蝕兩種縫隙腐蝕影響下導致的板式換熱器失效[23～25]。Singh I等調查了墊圈失效的原因并在實現過程控制解決方案中取得了成功[26]。雷國慶和張治川對板式換熱器的縫隙腐蝕做過詳細的研究，提出了影響縫隙腐蝕的因素有板片的幾何形狀和板片所在的工作環境，分析了縫隙腐蝕產生的原因，并提出了相應的解決措施[27]。

3.2防腐蝕的措施

針對以上腐蝕現狀，孫淑娟和鄭美麗提出了如下防腐措施[28]：

a. 首先要考慮材料抗介質腐蝕的能力，正確地選用板片材料；

b. 將不銹鋼板片進行表面鈍化處理，使氧化膜表面生成一層堅牢密實而又非常薄的膜，因而獲得良好的耐蝕性能；

c. 在設計板片的成形模時，應采用殘余應力小的結構；

d. 為減輕對板片表面的劃傷，要對模具表面進行拋光；

e. 板片與墊片的粘結劑，不要采用過期的和含有氯根的粘結劑，防止析出Cl-離子而引發腐蝕；

f. 選擇正確合理的板片結構和正常流速，一般板間平均流速為0.2～0.8m/s；

g. 增加板片觸點的接觸率，減少磨振對觸點的破壞；

h. 板式換熱器的密封墊片也是關鍵的零部件，取密封周邊的長度是換熱面積的6～8倍。

綜上所述，防腐必須從設計時就開始考慮，通過了解腐蝕的機理、腐蝕的類型和腐蝕的危害，在具體的應用上做出相應的對策，這樣就可以將腐蝕降到最低的程度。同樣，板式換熱器在具體的應用中會涉及到換熱器冷卻水系統中結垢和腐蝕兩種情況，它們之間并不是單獨各自作用而是相互作用、相互影響的。板式換熱器所受到的損害也不是由單一因素引起的，結垢可以導致腐蝕，腐蝕也能夠造成污垢。所以，防污垢和防腐蝕應該同時到位，只有綜合考慮了這些因素，才能使板式換熱器在解凍水介質中不會出現嚴重的腐蝕和結垢現象。

4 焊接式板式換熱器

焊接式板式換熱器有半焊式、全焊式和組件式。板式換熱器通常為散裝形式，且所承受的壓力小、溫度低。半焊接式在一對板片的密封處進行焊接，再用密封墊片進行組裝，這種形式可以用化學方法清洗但不可進行機械清洗；組焊式是將一些板片進行焊接，再用密封墊片組裝，可承受較大的壓力和較高的溫度，但要求介質干凈；全焊式是將所有板片焊接在一起，對介質要求比較苛刻，必須是不容易結污垢的介質，當然其優點也顯而易見，能夠承受高溫高壓，而且墊片不會泄漏[29]，高溫高壓的優點可使其用于解凍水介質的換熱。筆者重點介紹半焊和全焊接式換熱器。

4.1半焊式板式換熱器

對于半焊式換熱器來說，焊接在一起的板間通道走壓力較高的流體，用墊片密封的板間通道走壓力較低的流體，因此半焊式換熱器提高了一側的工作壓力。此外，這種結構能夠讓流體很容易就達到湍流狀態，容易傳熱，這也是這種換熱器高效、緊湊的原因所在。焊接在一起的板片可走腐蝕性的流體，增加了其適用范圍。其板片焊接方式如圖3所示。

圖3 半焊式板式換熱器

4.2全焊式板式換熱器

對于全焊式板式換熱器來說，由于板片互相焊接在一起，因此特別適用于高溫、高壓下工作，較其他換熱器有較大的傳熱優勢，在較低的雷諾數下就能達到湍流，污垢熱阻較小，不會有液體滯留，便于檢修、不存在流動死區，由于不用密封墊片則耐熱耐壓能力強，不過全焊式板式換熱器結構制造困難，板片破損后也無法修理。其板片焊接方式如圖4所示。

圖4 全焊式板式換熱器

綜上所述，焊接式換熱器比起常規換熱器能夠承受更高的溫度和更高的壓力，不過也要求流體介質不易結垢，所以在用于解凍水能量回收時，釬焊式需要慎重選擇。

5 結束語

雖然板式換熱器具有某些優異的性能，但尚存在一些問題，有待今后加以妥善解決。板式換熱器的進一步發展方向，將是提高操作溫度和操作壓力、設計大型板片、增大處理量、擴大適用范圍，并采用新的結構材料和新的制造工藝。在用水產品解凍水作為換熱介質時，使用尺寸更小、結構更緊湊的換熱器會提高其換熱效率，使用時還應充分考慮換熱器防結垢和防腐蝕的問題，經對比分析，選用板式換熱器作為解凍水能量回收的換熱器性能更優。

[1] 尤海龍.板式換熱器的安全使用[J].中國甜菜行業，2006，9(3)：46.

[2] Karlsson T.Numerical Evaluation of Plate Heat Exchanger Performance in Geothermal District Heating Systems[J]. Proceeding of the Insititution of Mechanical Engineers，1996，210(2)：139～147.

[3] Lozano A，Barreras F，Fueyo N，et al.The Flow in an Oil/Water Plate Heat Exchanger for the Automotive Industry[J]. Applied Thermal Engineering，2008，28(10)：110917.

[4] Kapustenko P，Boldyryev S，Arsenyeva O，et al. The Use of Plate Heat Exchangers to Improve Energy Efficiency in Phosphoric Acid Production[J]. Journal of Cleaner Production，2009，17(10)：951～958.

[5] Pantzali M N，Kanaris A G，Antoniadis K D，et al.Effect of Nanofluids on the Performance of a Miniature Plate Heat Exchanger with Modulated Surface[J]. International Journal of Heat and Fluid Flow，2009，30(4)：691～699.

[6] Polley G T，Abu-Khader M M.Compensating for End Effects in Plate-and-frame Heat Exchangers[J]. Heat Transfer Engineering，2005，26(10)：3～7.

[7] Sheik Ismail L，Velraj R，Ranganayakulu.Studies on Pumping Power in Terms of Pressure Drop and Heat Transfer Characteristics of Compact Plate-fin Heat Exchangers-a Review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2010，14(1)：478～85.

[8] Eldred M P，Van Ryzin J C，Rizea S，et al.Heat Exchanger Development for Ocean Thermal Energy Conversion[C]. MTS/IEEE OCEANS Conference.Kona：IEEE，2011：1～9.

[9] 李文輝.減輕換熱器的結垢[J].化工設計，1994，4(2)：34～37.

[10] 姜立清.板式換熱器結垢的原因分析、清洗及保護方法[J].黑龍江科技信息，2008，(10)：15.

[11] 趙本興.換熱器結垢原因分析及阻垢防擒蝕措施的設計[J].全面腐蝕控制，1995，11(1)：34～39.

[12] 文孝強，孫靈芳，徐志明.一種板式換熱器污垢熱阻預測新方法[J].化工機械，2013，40(4)：434～439.

[13] Nolan M C，Scott B H.Plate Heat Exchanger Fouling Evaluated through on-line Monitoring[C].60th Annual Meeting of the American-Power-Conference.Chicago：Proceedings of the American Power Conference，1998：946～951.

[14] Cho Y I，Choi B G.Experimental Validation of Electronic Anti-fouling Technology with a Plate Heat Exchanger[J]. Heat Transfer，1998，(6)：197～202.

[15] Rivero C，Napolitano V.Estimation of Fouling in Plate Heat Exchanger through the Application of Neural Networks[J].Journal of Chemical Technology Biotechnology，2005，80(5)：594～600.

[16] Merheb B，Nassar G，Nongaillard B，et al.Design and Performance of a Low-frequency Non-intrusive Acoustic Technique for Monitoring Fouling in Plate Heat Exchangers[J].Journal of Food Engineering，2007，82(4)：518～527.

[17] 李華峰，陳選.板式換熱器常見故障及處理[J].清洗世界，2007，23(9)：19～20.

[18] 鄒兵.板式換熱器的清洗結垢方法[J].機械管理開發，2003，(6)：19～20.

[19] 魏國，王忠太，劉曉峰，等.板式換熱器的化學清洗[J].清洗世界，2005，21(10)：11～13.

[20] 徐會武，黃長山，吳晉英，等.板式換熱器的清洗[J].清洗世界，2010，26(1)：40～42.

[21] 董雷云，劉長軍，潘緝悌.板式換熱器不銹鋼板片失效分析[J].壓力容器，2005，22(5)：50～52.

[22] 孔文彬，馬小明，江楠.板式換熱器板片失效分析[J].壓力容器，2011，28(9)：43～45.

[23] Turissini R L，Bruno T V，Dahlberg E P，et al.Stress Corrosion Cracking Causes Titanium Plate Heat Exchanger Failure[J]. Materials Performance，1998，37(4)：61～3.

[24] Turissini R L，Bruno T V，Dahlberg E P，et al.Crevice Corrosion under Gasket Causes Titanium Plate Heat Exchanger Failure[J]. Materials Performance，1998，37(1)：62～63.

[25] El-Batahgy A M.Failure Avoidance：Stress Corrosion Cracking of a Plate-type Heat Exchanger[J]. Materials Performance，1999，38(7)：60～62.

[26] Singh I，Coetzee N J，Burmester E M.Gasket Failure on a Clear Juice Plate Heat Exchanger at Tsb Malelane[C].71st Annual Congress of the South-African-Sugar-Technologists-Association.Malelane：South African Sugar Technologists AssocMt Edgecombe Natal，1997：194～198.

[27] 雷國慶，張治川.板式換熱器縫隙腐蝕[J].石油化工設備，2003，32(4)：66～67.

[28] 孫淑娟，鄭美麗.板式換熱器的腐蝕與防腐[J].石油化工設備，1996，25(5)：48～49.

[29] 張曉峰.淺談板式換熱器[J].科技情報開發與經濟，2009，19(10)：222～223.

HeatExchangerSelectionforThawingWaterRecoveryofAquaticProducts

YANG Jun-wei, JIN Tao

(InstituteofChemicalMachineryEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)

Considering the thawing water recovery of aquatic products, both tubular and plate heat exchangers were compared; and the plate heat exchanger’s working principle and application range were introduced, including both fouling and corrosion matters which troubling heat exchangers. The welded plate heat exchanger was discussed to select the plate heat exchanger as the one for the thawing water recovery of aquatic products.

plate heat exchanger, thawing water recovery of aquatic products, fouling, corrosion

*浙江省公益技術應用研究項目(2013C31SAA00013)。

**楊俊威，男，1989年1月生，碩士研究生。浙江省杭州市，310027。

TQ051.5

A

0254-6094(2015)01-0001-06

2014-04-10，

2015-01-08)