板式熱交換器的流場分析及解體維護

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生產中所普遍使用的間壁式換熱器，具有純逆流、結構緊湊、有限空間內換熱面積大、傳熱效率高等優點，彌補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律使流體流向與流速發生變化，促使擾流程度增強，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方法，可為現場實際作業奠定基礎。

1 FLUENT在換熱器模擬中的應用

FLUENT 作為 CFD（Computational Fluid Dynamics，計算流體動力學）中的一種，是用來模擬與分析流體流動、傳熱和沖蝕等問題的軟件[3]。FLUENT對換熱器進行模擬時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、控制方程和相關參數及屬性等。利用GAMBIT軟件來完成物理模型、網格劃分及邊界條件的定義。再導入FLUENT進行流體的性能分析，由于處于湍流中的流體具有強烈的擾流程度，使換熱變得更加的充分，因此對換熱器進行模擬時采用標準k-ε湍流模型[4]。

2 板式熱交換器的強化傳熱

具有溫差的兩種流質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而達到動態平衡。層流與湍流為流體流動的2種基本形式，層流一般發生于傳導而湍流一般則發生于對流[5]。層流是有規則的，但因流道壁的摩擦力致使流質在壁面上的流動緩慢，湍流是無規則渦流流動，但流道壁周圍總會呈現層流膜，湍流程度的增強導致管道壁層流膜變薄，實現在單位有效換熱面積最小的基礎上傳遞相同熱量，進而達到最高的換熱效率。

根據單位時間內傳熱量Q=KAΔtm，其中換熱溫差Δtm、傳熱系數K與有效換熱面積A是換熱量的主要承擔因素[6]，若增大換熱量，就必須增大三者之一。換熱系數越高，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構緊湊的特點，換熱板片對流質造成的湍流程度變得關鍵，對于及易結垢、結晶、熱敏感的流質考慮采用層流換熱，因為同向流更穩定，層流的膜傳熱系數越大，湍流程度就越強，管道壁的層流膜變薄，熱阻較小，傳熱性能越佳[7]。

3 模型的預處理

人字形換熱板片的結構型式為人字形波紋在同一平面內沿軸向按一定的距離進行排布，其流質模型長500 mm、寬160 mm、厚0.7 mm。模型的預處理包括網格劃分、邊界條件設定及確定求解方法這三部分。首先通過三維建模軟件PROE生成實體模型，再將實體模型另存為IGES文件后導入Gambit中進行網格的劃分和邊界條件的設定。由于波紋板模型結構的復雜性，在網格劃分的過程中很容易出現扭曲度較大的網格進而會對網格的劃分質量產生一定的影響，網格質量的優劣是模擬計算的關鍵部分，故本次均采用非結構化網格中的Tet/Hybrid網格單元進行劃分，網格的間距取（1～1.5）mm，局部網格劃分如圖1所示。

通過實際工況對模擬邊界條件進行設定，入口設置為Velocity inlet，出口設置為Pressure outlet，板管壁面與側面均設置為不可滲透的無滑移邊界。入口溫度為40℃，板管內介質為水，板壁面溫度為恒壁溫25℃。本文模擬計算均選用SIMPLE算法進行離散計算，其相應的參數選擇為默認值。湍流模型選擇為標準k-ε模型，湍流參數中的湍流強度定義為4.7，水力半徑定義為0.2 m。選擇二階迎風的格式對模型進行離散化處理[8]，在計算過程中所涉及的方程有動量方程、湍流方程、質量方程和能量方程，其殘差精度不同[9]。計算結果是否收斂將通過設定的殘差曲線來進行判定，當曲線達到平穩且無較大波動時，計算可視為收斂[10]。

圖1 人字形換熱板局部放大網格

4 模型結果分析

通過FLUENT軟件的后處理功能，可將計算結果經過可視化的云圖、矢量圖等顯示出內部流體的流動狀態及變化規律。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運動的軸向形成多組流道，不同區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方向是從右向左的，且壓力以較強的規律性呈逐漸減小趨勢，在凸起區域的壓力變化差異較大，尤其當流體流進自支撐結構區域時，其壓力梯度變化顯著，原因是由換熱板內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圖，其橫坐標為流質從入口到出口的位置變化，而縱坐標則為變化位置所對應的壓力變化，明顯呈遞減的趨勢變化，在流體進入時壓力呈現出最大值。

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律性較強，在凸起與凹陷處變化顯著。圖6為人字形換熱板溫度散點圖，其橫縱坐標定義與壓力散點圖相同，通過散點圖的變化趨勢可以顯著得出流質從入口到出口溫度是逐漸呈規律遞減的。

5 板式熱交換器解體維護

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，主要原因為長期運行使用的熱交換器其換熱板片會結垢[11]，導致流體分布不均、傳熱效率降低、壓降增加、損壞板片等問題，熱交換器的應用場合不同，結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行除垢，當換熱效率降低且不滿足要求時，需進行解體維護。

圖4 人字形換熱板壓力散點圖

圖5 人字形波紋板溫度云圖

5.1 整體結構及工作原理

核電站所用的板式熱交換器具有結構緊湊、傳熱效率高、換熱面積大等特點，主要由框架板、壓緊板、拉緊螺栓、導桿、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分別在A與B兩類不同傳熱板內進行熱交換，A類傳熱板是自上向下流動的而B類則正相反，同類傳熱板僅流過一種流體。

5.2 換熱板結構特性

換熱板片由進出口、懸掛槽、密封槽、泄漏槽、密封墊片、人字形傳熱區等組成。因其特殊的沖壓結構，具有自支撐與強度高的機械性能，具有湍流程度強的流動性能，可使換熱板片制造的厚度減薄，可防止進口流體到達換熱區的壓力損失，從而有效換熱、避免換熱死區、減少結垢可能，可使內部進行平行流換熱流質完全滿足對角流的性能，實現沿程交叉換熱，使換熱效率有效提升。按照換熱需求可以通過增加偶數板片進而實現擴容增效。

5.3 缺陷維護

維修時應先關閉管路進口閥門，再關閉出口閥門，待熱交換器冷卻到一定溫度時再進行拆卸，過程中要注意密封墊片的保護，避免其損壞及脫落現象的發生，因為密封圈具有密封流體、補償溫度變化、組織流道等作用。同時需要預先測量框架板與壓緊板間的距離，便于后續回裝后對拉伸螺栓預緊力的衡定。

板式熱交換器出現的常見缺陷有前后壓差大、換熱效率低，造成的主要原因為換熱板間沉積物積累，前者維修方法為對海水側管道解體清理，后者若非因海水側流道堵塞則需要進行全面解體維護；外漏，造成的原因為密封條脫落、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，觀察漏點是否消除。若無法消除需用記號筆標記外漏位置，重新全面解體。再檢查外漏位置密封條是否有脫落、裂紋或夾雜異物現象，脫落需采用專業膠水重新將膠條粘好，裂紋則需取下換熱板密封槽內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換熱板并將其敲平，無法修復則更換處理，若換熱板安裝方向有誤，則需調整；內漏，造成的主要原因為板片穿孔或頻繁拆卸導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的則取下更換新備件，并用密封膠粘接重新修復失效的密封條。

板式熱交換器解體維護后，需按板片拆卸順序對其進行回裝，所施加預緊力應與拆卸前保持一致，回裝拉緊螺桿時應對角同步并注意板片的變形及泄漏現象，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行。隨后應對其兩側分別進行水壓試驗，規定壓力可通過液壓泵或直接從系統處引出實現，試驗前需對板式熱交換器各進出口安裝試壓胎具，并在出口處安裝一塊合適量程的壓力表，目的在于當壓力達運行要求后，將進出口處閥門進行關閉，使其處于保壓狀態，保壓期間應觀察其是否存在漏點，主要觀測堆疊板片處與打壓中另一側換熱回路，如有漏點應做好標記，待保壓一段時間后對其卸壓，再對漏點處進行處理，將全部漏點處理后，再次進行打壓試驗，直至無泄漏符合要求為止。

6 總結

通過FLUENT軟件的數值模擬分析，得出板式熱交換器人字形換熱板從進口到出口的壓力與溫度變化均是逐漸減小的，軸向規則變化的流道截面使得流質流速大小交錯變化，凸起處因流動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，對其內部流場傳熱機理及分布規律有一定的掌握，在此基礎上闡述板式熱交換器的結構特性、工作原理、缺陷維護與解體維修前、中、后過程的基本流程及注意事項，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。