板式換熱器熱工測試板片微變形問題的探討及應對措施*

張中清 崔云龍 劉孝根 何顏紅

(1.合肥通用機械研究院；2.甘肅省特種設備檢驗檢測研究院)

板式換熱器熱工測試板片微變形問題的探討及應對措施*

張中清1崔云龍1劉孝根1何顏紅2

(1.合肥通用機械研究院；2.甘肅省特種設備檢驗檢測研究院)

通過對板式換熱器流體阻力特性試驗研究，探討了由于板片微變形引起的壓降檢測結果的差異性。并針對該問題提出處理對策，推出一種新型板式換熱器液相介質壓降測試系統，為壓降檢測工作提供借鑒。

板式換熱器 壓降 進口壓力 板片微變形 測試系統

板式換熱器內液相介質流動阻力引起的壓降，是判別換熱器性能的一個重要因素。換熱器壓降測試工作通過壓降測試結果歸納得出歐拉數與雷諾數準則方程，實現同種板片結構換熱器的選型計算，為換熱器新產品的開發和現有產品在工藝流程中動力需求的確定提供可靠的數據支撐。

目前，板式換熱器液相介質流動阻力的測試系統主要是依照標準GB/T 27698[1]和JB/T 10379[2]中的“液-液測定系統”建立的。該系統主要用于板式換熱器傳熱性能測試，同時也可進行壓降性能測試。標準中未明確壓降測試具體步驟，在實際檢測工作中一般給出兩側等流速工況下壓降測試結果和固定一側流速時兩側壓降測試結果。

在實際壓降測試過程中，檢測人員發現板片微變形影響著測試結果的準確性，導致本該具有可復性的檢測結果，因操作工序上的區別而有明顯差異。板片微變形是指流體在板片間形成的通道中流動時，因兩側流體介質進口壓力不同，導致低壓側流道變窄，流動阻力大于設計值，對應的高壓側流道擴張，流動阻力變小；甚至在兩側進口壓力接近的情況下，流體先流入側通道也會有擴張變形[3]。特別是隨著大型板式換熱器在核電領域的廣泛應用，板片尺寸越來越大，板片越來越薄，在實際檢測過程中板片微變形問題對檢測結果帶來的影響已不可忽視。而且在現場工藝流程中，因板片微變形因素導致動力設備所需提供的能頭波動明顯，乃至設備跳閘保護的現象也時有發生，對系統的安全穩定運行帶來隱患[4]。

1 板片微變形對換熱器性能檢測結果的影響

考慮到兩側流道結構的細微差別后，通過對多臺兩側通道結構一致類型板式換熱器壓降檢測結果統計發現，板片受壓縮和擴張對測試結果的影響不容忽視，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等流速工況下的壓降檢測結果。

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，板片受壓縮和擴張帶來的壓降的差別還不太明顯，隨著流速增加，兩側通道進口壓力增大，板片受壓縮和擴張帶來的壓降也隨之增加。說明換熱板片兩側壓力大小的差異是導致板片變形的關鍵因素。

針對檢測過程中可能會導致板式換熱器兩側通道壓力不一致的情況進行了試驗，得出以下結論：

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

b. 固定一通道流速工況，若二通道內無流體且進出口與大氣貫通，一通道壓降明顯小于兩側等流速流體通過時的結果；若二通道沖滿流體后打壓至兩側通道進口測試段壓力一致時，一通道壓降與兩側等流速流體通過時的結果接近。某BR0.12板式換熱器實際檢測結果見表2。

可見，在板式換熱器性能檢測工作中若忽視板片微變形問題而進行壓降測試，同一產品在相同定性溫度和流速下得出的測試結果會有明顯的差異。

同時，板片微變形問題不僅影響著壓降性能測試，對傳熱數據處理也會帶來影響。板式換熱器等流速測試的目的是為了實現兩側流動雷諾數相等，根據相似原理，后期通過等雷諾數法對測試數據處理，剝離出兩側換熱系數，求解努塞爾數準則方程。然后由于板片微變形問題的存在，導致兩側通道幾何相似條件遭到破壞，兩側雷諾數差距也無法估計，造成數據處理結果的準確性進一步降低。

表1 流速一側固定、另一側變化時固定側通道壓降檢測結果

表2 不同工況下固定流速側通道壓降檢測結果

2 板片微變形問題的應對措施

目前，換熱器檢測行業中關于對板式換熱器壓降檢測工作中板片微變形問題的應對尚未形成標準。在實際檢測工作中，大多數委托方只會指定流量參數，較少有對通道進口壓力有具體指定要求，這對于檢驗人員應該如何處理板片微變形問題提出了考驗。

針對上述工藝中存在的問題，根據實際需求，可以在進行檢測工作時通過一些手段從源頭上令兩側通道進口壓力接近，避免板片微變形現象的發生。比如在進行等流速壓降測試時，需要使通道兩側都完全充滿流體后方可啟動泵循環；系統兩側變頻泵啟動、流量調節同步等措施避免因兩側介質通道內流動先后順序引起的差異。考慮到系統內冷、熱兩處罐箱內液位高度的差異、兩側循環管路布置不同導致的管路壓損差異等因素，在現有測試過程中，很難保證兩側通道進口壓力一致。

目前，合肥通用機械研究院承建的換熱器液相介質壓降測試系統采用如圖2所示的工藝，在滿足壓降測試工作要求的前提下，對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。該系統包括工質輸送模塊、流量調節模塊、壓力測量模塊、排氣和壓力平衡模塊。

圖2 換熱器壓降測試系統

在常規測試方案的基礎上，該系統新增一類測試方案，即僅開一臺泵，單側流動、另一側充液等壓測試方案，具體檢測步驟如下：

a. 首先以金屬軟管連接兩側平衡閥14、15并開啟，打開切斷閥2，打開開關閥12、25，全開調節閥10，低頻啟動變頻泵4，隨后打開排氣閥27，待排盡管路系統中不凝氣后，關閉排氣閥27。

b. 采集流量計8流量信號，調節變頻泵4功率，待流量穩定后，根據板式換熱器單側通道流量要求，依據流量計8流量信號改變調節閥10開度，以滿足該側工況流量要求。試驗工況穩定后，PLC采集系統記錄壓力變送器18、21測量的熱側通道進出口壓力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測量得出冷側通道進出口壓力pci、pco。板式換熱器壓降特性分別由壓力phi、pho、pci、pco計算得出。

與常規換熱器壓降檢測系統相比，本檢測系統的效果是：

a. 僅針對換熱器液相介質壓降測試要求而建立，不需要額外配置溫度控制系統，僅需要配置一處罐箱，節約了不必要的投資。

b. 為實現換熱板片兩側壓力一致，系統中流量調節模塊和壓力平衡模塊保證了換熱器兩側通道流量、進口壓力可控；工質自同一處罐箱流出，沿程管路一致，保證了換熱器兩側工質物性一致，且避免了靜水頭壓力和管路阻力差異對進口壓力的影響。

c. 相對比兩側等流速方案的泵閥同步啟閉難以操作，一側流動、另一側充液等壓測試方案中，工質同時進入板式換熱器兩側通道，兩通道進口壓力接近，削減了因兩側工質進入先后順序和兩側壓差大引起的板片變形因素對檢測結果的影響。

3 壓降檢測方案的選擇

在實際檢測工作中，采用不同的壓降測試方案并對測試結果進行對比，經過多組檢測數據統計發現，兩側等流速工況時通道兩側泵啟動先后順序帶來約有不超過5%的上下浮動誤差；固定一側流速時另一側通道壓力變化引起壓降測試數據差異較大，無法統計。此時換熱器性能檢測機構應該給出何種工況下的檢測結果？對此筆者給出建議：對于委托方沒有指定具體工況要求的，應按照筆者提出的改進方案，即一側流動，另一側充液等壓方案得出的測試數據來給出檢測結果；對于委托方有明確兩側通道工況要求的，應按工況要求進行檢測，將板片微變形帶來的影響考慮進去，令板式換熱器液相介質壓降測試結果對實際工況更具有指導意義；同時給出流速一側固定、另一側變化時的通道壓降檢測結果以進行對比分析，反映出換熱板片的穩定性能。

4 結束語

對換熱器壓降檢測工作中出現的換熱板片微變形問題進行探討、分析，并結合多組板式換熱器測試數據對該問題可能引起的檢測結果誤差方向、大小進行了統計。統計結果表明板片微變形問題不僅僅是個概念問題，確實給檢測結果帶來不可忽視的影響，應當引起重視。針對該影響，筆者提出了相應的措施，并提供了一種新型換熱器液相介質壓降測試系統。測試結果顯示，板片微變形問題在新的檢測工藝下明顯得以緩解乃至消除，檢測結果的可復性增強。壓降作為換熱器的一項關鍵性能參數，期望在日后的檢測工作中能形成統一標準，明確規范操作流程，避免因檢測工藝上的區別而導致測試結果上的差異。

[1] GB/T 27698-2011，熱交換器及傳熱元件性能測試方法[S].北京：中國標準出版社，2011.

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

[3] 李崇岳，奚延安，許國治，等.板式換熱器流體力學性能的研究[J].化工煉油機械,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,2009,31(11):18～19.

2017-06-14，

2017-07-04)

計為音叉液位開關再次中標浙江新化二期項目

浙江新化化工股份有限公司二期項目再次批量使用深圳計為自動化技術有限公司生產的音叉液位開關。繼一期項目以來，計為標準型、防爆型、高溫型、防腐型及加長型等型號的液位開關又一次在香料自動化生產過程中應用。迄今為止，所有產品運行情況良好。

計為音叉液位開關較國內同類產品，具有以下獨特的優勢：

◎ 叉體長僅40mm ，特別適合狹小空間液位測量；

◎ 最小允許介質密度0.5g/cm3；

◎ 抗干擾能力強，免受于泡沫、氣泡、粘稠、振動以及液體特性的影響；

◎ 耐高溫設計，過程溫度可達250℃，行業領先；

◎ 基于檢測頻率變化的設計，具有高可靠性；

◎ 具備隔爆、本安雙重最高等級防爆認證。

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-)，高級工程師，從事換熱器的設計與開發工作，cylmnn@163.com。

TQ051.5

A

1000-3932(2017)10-0964-04