杨俊威 金 涛

(浙江大学化工机械研究所)

用于水产品解冻水能量回收的换热器选择*

杨俊威**金 涛

(浙江大学化工机械研究所)

针对水产品解冻水能量回收问题，比较了管式和板式换热器的优、缺点，介绍了不同类型换热器的工作原理和应用领域，就换热器中的污垢和腐蚀两方面作了重点介绍，在此基础上对焊接式板式换热器做了简要介绍。最终选取板式换热器作为解冻水能量回收的换热器。

板式换热器 水产品解冻水能量回收 结垢 腐蚀

随着我国经济的快速发展，对于沿海各省份来说，能源短缺一直制约着经济的发展。为实现可持续发展，必须寻求可替代化石能源的新能源和可再生能源，浙江省具有丰富的海水资源，海水温度同时满足了冬季制热、夏季制冷的需求，非常适宜作为海水源热泵的冷热源，具有优于其他地区使用海水源热泵的优势。水产品解冻水主要是温度较低的海水和含有大量盐类的水，可充分利用换热过程来进行能量回收。为了使换热设备适应换热介质，需要对换热介质(如解冻海水)加以分析，海水中含有大量的盐(即氯离子)和泥沙，盐类包含的离子以氯离子、钙离子、镁离子为主；同时泥沙中含有微生物和藻类。因此，换热过程中需要考虑海水的温度、溶解氧、pH值、盐度、流速、离子含量、固体颗粒及微生物等因素给换热设备带来的腐蚀和结垢问题，设计人员可通过结构设计等方法解决换热设备结垢的难题及微生物滋生、海洋生物附着等现象，通过对材料的选取解决腐蚀问题。工程上常用的换热设备有管式换热器和板式换热器，笔者将对两种换热设备进行各方面的对比，以选择符合要求的换热器进行水产品解冻水的能量回收。

1 管式和板式换热器的比较

1.1管式换热器

管壳式换热器分为固定管板式换热器和浮头式换热器。固定式用的较多，管式换热器多应用于炼油、石油化工，适用于冷却，冷凝、加热、蒸发和废热回收各个方面，在工程中应用较为广泛。它具有结构坚固、弹性大、可靠程度高及适用范围广等优点，但其在换热效率、设备的体积及金属材料的消耗量等方面不如其他换热器，固定式换热器壳侧不能清洗，并且检查困难，不能采用较脏或有腐蚀性的介质，宜用于壳体与管子温差小、壳程压力不高、壳程结垢不严重或能用化学清洗的场合。

1.2板式换热器

板式换热器(PHE)是由一系列波纹形的平行板构成的，平板做成波纹形是为了增加湍流和机械强度，板式换热器的基本结构如图1所示。工作流体在两块板片所形成的窄小而曲折的通道中流过。冷、热流体依次通过各个流道，中间隔一层板片，通过此板片进行换热。板式换热器易拆装、换热系数大、占地面积小、不易结垢、结构紧凑、适应性强、可以一机多用，同时，还具有易于清洗及容易控制灭菌和巴氏灭菌所需的热量等优点。由于石墨可以耐高温高压，随着石墨垫片、石墨板材技术在板式换热器中的应用，如今板式热交换器可适用于电力和化学过程。在未使用石墨材料时，板式换热器的最大操作温度为150℃，最大操作压力是1.6MPa，而采用压缩石墨垫片后，可将最高操作温度提高到360℃，最高操作压力提高到2.8MPa[1]，增加了其应用范围。

图1 板式换热器的基本结构

综上所述，管式和板式换热器各有优缺点，对二者进行对比可以发现，板式换热器具有较高的换热效率，在稳定的工作情况下，换热效率可以达到90%及以上，高于其他换热器，而且其体积小、重量轻，用材少也节约成本；管式换热器需要让易结垢的介质走管程，防止结垢，而板式换热器可以通过设计特殊的板片结构来解决结垢问题；针对防腐问题，两种换热器都可以通过选用特定的材料来达到防腐的目的。因此，对于同一种解冻水介质，综合考量后选用板式换热器来进行换热。

1.3板式换热器传热机理及应用

在板式换热器设计中，板片按一定的间隔通过橡胶垫片压紧组成通道，两种存在温度差的流体在受迫对流传热过程中通过角孔进入板片通道，在相邻通道中两种不同流体形成逆流或顺流通过板片进行热量的交换，换热板片被压成各种不同波纹形式，以增加换热板片面积和刚性。合理的波纹形式能使流体在低雷诺数下达到高度湍流，创造出最高的换热效率。由于热传递板表面采用波纹结构优化设计，即使流体流速未达到湍流所需的最低雷诺数条件，流体在板片之间的运动亦呈三维运动，促使流体形成剧烈紊动，减少边界层热阻强化传热效率。

目前板式换热器已广泛应用于冶金、造纸、化工、石油、食品、电力、医药及船舶等领域。可用于加热、冷却、蒸发、冷凝、杀菌消毒及余热回收等场合。下面笔者将从板式换热器在实际使用中出现的污垢和腐蚀方面进行阐述[2～8]。

2 板式换热器的结垢

2.1常见的污垢类型

污垢沉积增加了热流热阻，导致液压和热扰动，所以污垢需要清洗，使换热器恢复到原来的状态。液体侧污垢类型有沉淀和结晶污垢、化学反应污垢、微粒污垢、腐蚀污垢、生物污垢、凝固和冷冻污垢。李文辉从上述几个方面进行分析，指出不同结垢类型都有其发生的条件，一个系统内可能同时存在几种类型的污垢，各种结垢类型间又可能相互作用和促进，有的占主导地位，而有的则不明显，同时还从流体性质、换热器的几何结构、流速和温度4个方面说明了其对结构的影响[9]。姜立清从两个方面阐述了结垢的原因：以离子或分子状态溶解于水中的杂质，如钙盐、镁盐、钠盐，其中钙盐(如CaCO3、CaSO4)是引起结垢的主要原因；以胶体状态存在的杂质，如铁化合物、微生物、污泥及粘垢等是次要原因[10]。赵本兴从水垢、铁垢和生物垢3方面说明了结垢的原因并指出其危害[11]。总之，盐呈现的逆溶解效应是造成板式换热器结垢的主要原因，冷却水和金属壁的温度升高，水流速度和板片的几何形状也对其造成了影响。

综上所述，板式换热器结垢会带来换热效率的下降，影响正常工艺参数的执行；严重时将导致管道堵塞、增大能耗，也可能造成垢下腐蚀，更有甚者会使设备由于腐蚀过大而泄漏报废。

2.2对污垢的监测与预测

针对以上情况，有必要对换热器结垢进行相应的监测和预测，并采取一定的措施来解决结垢问题。文孝强等建立了基于模拟退火支持向量机的板式换热器污垢热阻预侧模型[12]，结果表明预侧值与实验得到的实侧值基本吻合，平均误差很小，满足工程需求。Nolan M C和Scott B H做了关于换热器结垢、过滤器设计、材料的兼容性在线监测验证假设[13]，他们用测流监控(SSM)作为一个有用的测试平台，作为对用于控制原水生物污垢的化学处理程序的选择和优化。同样，开发电弧炉炼钢技术是为了减轻两板框和壳管式换热器的尺寸[14]。Rivero C和Napolitano V描述了一个实用程序基于人工神经网络(ANN)，它允许预测沉积厚度、整体传热系数和临界时间，这样可以减少在巴氏灭菌过程中污垢的影响[15]。Merheb B等提出了一种新的声学技术，可以实时监控板式换热器内部污垢[16]。

2.3特殊的板片结构

板式换热器的抗结垢性能比列管式换热器好。在设计中，将介于角孔和主要换热区域中间的一部分设计成巧克力分布方式，这样有几个优点：使流体均匀流过整个板片；A、B处的压力降相同(图2)；在该巧克力区域的压力损失最小；允许平行流；避免了远处的死角。该结构即可充分使用传热面积，又没有死角区域的结垢。同时，平行流通过巧克力分布区能够达到原来对角流的全部功能。

图2 板片结构

在此基础上，对于已经结垢的情况，要采取相应的措施来解决污垢带来的问题。李华峰等分别给出了一些清洗方法，包括化学清洗、机械清洗及机械在线除垢技术等方法并进行了具体的说明[17～20]。

综上所述，除了采取监测、预测污垢的方法和在产生污垢时采取有效措施解决污垢问题外，还必须从入口介质方面把好关，从设计、选材、制造、安装、运行管理及维护保养等方面全面地进行控制。同时，在使用过程中，按照换热器的使用性能进行生产操作，加强换热器的运行管理，强化其自身的阻垢能力，这些都是提高换热效率、节约能源，保证换热设备长周期、满负荷、安全经济运行的简单有效方法。

3 板式换热器的腐蚀

3.1腐蚀的类型

板式换热器在工业上的应用越来越多，防止换热器的失效就显得非常重要，其中包括由于腐蚀导致的换热器失效。因此，必须了解换热器腐蚀的原因，并采取合适的解决办法。板式换热器腐蚀失效类型有点蚀、缝隙腐蚀、应力开裂腐蚀、晶间腐蚀、均匀腐蚀及其他一些腐蚀失效。点蚀是由闭塞电池腐蚀作用引起的一种局部腐蚀，使局部金属表面的钝化膜破坏，形成尺寸小于1mm的穿孔或蚀坑；缝隙腐蚀是由闭塞电池腐蚀作用引起的一种呈斑点状或溃疡性的局部腐蚀，与点腐蚀的主要区别是腐蚀产生在金属零件的缝隙处，由于滞留介质的电化学不均匀性而导致的；应力开裂腐蚀是在静态拉伸应力与电化学介质共同作用下，由阴极溶解过程引起的金属局部腐蚀裂纹或断裂；晶间腐蚀起源于金属表面并沿晶粒边界深入到内部的腐蚀，可导致晶粒间的结合力丧失，使材料的强度降低；均匀腐蚀是指接触介质的金属表面全部或大部分被腐蚀的现象；其他腐蚀失效有磨蚀及微生物腐蚀等。

董雷军等分别对某设备板片的失效进行了研究，通过扫描电镜观察、化学成分分析、金相检验、残余应力测试及能谱分析与垢层X射线衍射分析等方法来判定失效的类型[21，22]。这些方法的结合使用能够有效地判定失效类型，与宏观观察的结果也相同。Turissini R L等讨论了板式换热器的腐蚀故障，研究了在垫圈腐蚀和应力腐蚀两种缝隙腐蚀影响下导致的板式换热器失效[23～25]。Singh I等调查了垫圈失效的原因并在实现过程控制解决方案中取得了成功[26]。雷国庆和张治川对板式换热器的缝隙腐蚀做过详细的研究，提出了影响缝隙腐蚀的因素有板片的几何形状和板片所在的工作环境，分析了缝隙腐蚀产生的原因，并提出了相应的解决措施[27]。

3.2防腐蚀的措施

针对以上腐蚀现状，孙淑娟和郑美丽提出了如下防腐措施[28]：

a. 首先要考虑材料抗介质腐蚀的能力，正确地选用板片材料；

b. 将不锈钢板片进行表面钝化处理，使氧化膜表面生成一层坚牢密实而又非常薄的膜，因而获得良好的耐蚀性能；

c. 在设计板片的成形模时，应采用残余应力小的结构；

d. 为减轻对板片表面的划伤，要对模具表面进行抛光；

e. 板片与垫片的粘结剂，不要采用过期的和含有氯根的粘结剂，防止析出Cl-离子而引发腐蚀；

f. 选择正确合理的板片结构和正常流速，一般板间平均流速为0.2～0.8m/s；

g. 增加板片触点的接触率，减少磨振对触点的破坏；

h. 板式换热器的密封垫片也是关键的零部件，取密封周边的长度是换热面积的6～8倍。

综上所述，防腐必须从设计时就开始考虑，通过了解腐蚀的机理、腐蚀的类型和腐蚀的危害，在具体的应用上做出相应的对策，这样就可以将腐蚀降到最低的程度。同样，板式换热器在具体的应用中会涉及到换热器冷却水系统中结垢和腐蚀两种情况，它们之间并不是单独各自作用而是相互作用、相互影响的。板式换热器所受到的损害也不是由单一因素引起的，结垢可以导致腐蚀，腐蚀也能够造成污垢。所以，防污垢和防腐蚀应该同时到位，只有综合考虑了这些因素，才能使板式换热器在解冻水介质中不会出现严重的腐蚀和结垢现象。

4 焊接式板式换热器

焊接式板式换热器有半焊式、全焊式和组件式。板式换热器通常为散装形式，且所承受的压力小、温度低。半焊接式在一对板片的密封处进行焊接，再用密封垫片进行组装，这种形式可以用化学方法清洗但不可进行机械清洗；组焊式是将一些板片进行焊接，再用密封垫片组装，可承受较大的压力和较高的温度，但要求介质干净；全焊式是将所有板片焊接在一起，对介质要求比较苛刻，必须是不容易结污垢的介质，当然其优点也显而易见，能够承受高温高压，而且垫片不会泄漏[29]，高温高压的优点可使其用于解冻水介质的换热。笔者重点介绍半焊和全焊接式换热器。

4.1半焊式板式换热器

对于半焊式换热器来说，焊接在一起的板间通道走压力较高的流体，用垫片密封的板间通道走压力较低的流体，因此半焊式换热器提高了一侧的工作压力。此外，这种结构能够让流体很容易就达到湍流状态，容易传热，这也是这种换热器高效、紧凑的原因所在。焊接在一起的板片可走腐蚀性的流体，增加了其适用范围。其板片焊接方式如图3所示。

图3 半焊式板式换热器

4.2全焊式板式换热器

对于全焊式板式换热器来说，由于板片互相焊接在一起，因此特别适用于高温、高压下工作，较其他换热器有较大的传热优势，在较低的雷诺数下就能达到湍流，污垢热阻较小，不会有液体滞留，便于检修、不存在流动死区，由于不用密封垫片则耐热耐压能力强，不过全焊式板式换热器结构制造困难，板片破损后也无法修理。其板片焊接方式如图4所示。

图4 全焊式板式换热器

综上所述，焊接式换热器比起常规换热器能够承受更高的温度和更高的压力，不过也要求流体介质不易结垢，所以在用于解冻水能量回收时，钎焊式需要慎重选择。

5 结束语

虽然板式换热器具有某些优异的性能，但尚存在一些问题，有待今后加以妥善解决。板式换热器的进一步发展方向，将是提高操作温度和操作压力、设计大型板片、增大处理量、扩大适用范围，并采用新的结构材料和新的制造工艺。在用水产品解冻水作为换热介质时，使用尺寸更小、结构更紧凑的换热器会提高其换热效率，使用时还应充分考虑换热器防结垢和防腐蚀的问题，经对比分析，选用板式换热器作为解冻水能量回收的换热器性能更优。

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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

*浙江省公益技术应用研究项目(2013C31SAA00013)。

**杨俊威，男，1989年1月生，硕士研究生。浙江省杭州市，310027。

TQ051.5

A

0254-6094(2015)01-0001-06

2014-04-10，

2015-01-08)