專(zhuān)利名稱(chēng)：一種無(wú)沉積水垢的板式換熱器及其換熱方式的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及換熱器的改進(jìn)技術(shù)，具體為一種無(wú)沉積水垢的板式換熱器及其換熱方式。
背景技術(shù)：
板式換熱器由一組平行薄板疊加而構(gòu)成，在相鄰板之間用特制的密封墊片兩兩隔開(kāi)而形成通道，冷、熱流體間隔地在各自的通道內(nèi)流動(dòng)，板式換熱器傳熱系數(shù)較大，流動(dòng)阻力較小，廣泛應(yīng)用于供熱采暖系統(tǒng)及食品、醫(yī)藥、化工等部門(mén)。根據(jù)換熱器內(nèi)冷、熱流體的相對(duì)流動(dòng)方向不同，可分為順流式、逆流式、叉流式、混流式等，順流式，即兩種流體平行且同向流動(dòng)；逆流式，即兩種流體平行而反向流動(dòng)；叉流式，即兩種流體在相互垂直的方向交叉流動(dòng)；混流式，即不同流動(dòng)方式的組合流動(dòng)。
傳熱學(xué)的換熱器理論指出“冷、熱流體在進(jìn)口和出口溫度相同情況下，逆流式的對(duì)數(shù)平均溫差大于順流式”，參見(jiàn)[美]F·P·因克羅普拉、D·P·德威特著，于廣經(jīng)等譯，傳熱基礎(chǔ)，北京宇航出版社，1987年?！霸跅l件允許前提下，換熱器盡量采用逆流布置”，參見(jiàn)景朝暉 主編，熱工理論及應(yīng)用，北京中國(guó)電力出版社，2004年。
因此，現(xiàn)行的普通板式換熱器都工作在逆流換熱情況下，圖2是傳統(tǒng)的板式換熱器管道連接示意圖，冷流體是從換熱器固定壓緊板下部的冷流體進(jìn)口21進(jìn)入換熱器，在換熱器內(nèi)自下往上流動(dòng)，再?gòu)墓潭▔壕o板上部冷流體出口23流出換熱器；熱流體從換熱器固定壓緊板上部熱流體進(jìn)口22進(jìn)入換熱器，在換熱器內(nèi)自上往下流動(dòng)，再?gòu)墓潭▔壕o板下部熱流體出口24流出換熱器，在固定壓緊板上部的冷流體出口23設(shè)排污閥門(mén)10，在固定壓緊板下部的熱流體出口24設(shè)排污閥門(mén)10。在流體進(jìn)行換熱，冷流體溫度升高過(guò)程中，在換熱板上生成化學(xué)吸附的硬垢，同時(shí)在流體中析出大量水垢微粒，在范德瓦爾力作用下，微粒之間，微粒與冷流體中原有的懸浮顆粒之間，互相吸附，粒徑不斷增大，冷流體中較大的顆粒，在自身重力作用下，不斷地沉積在換熱器內(nèi)，使換熱器變成“積污器”，在換熱板之間形成沉積水垢層，嚴(yán)重影響換熱效果。根據(jù)傳熱公式計(jì)算水垢層厚度引起換熱損失的情況列于表一中。
表一冷流體(水)在換熱板間沉積不同厚度水垢層引起的換熱損失比較表

表中數(shù)據(jù)是如下算出的，當(dāng)冷、熱流體(水-水)在板式換熱器內(nèi)逆流換熱時(shí)，其換熱系數(shù)K由下式給出K＝{1/h1+δ1/λ1+δ2/λ2+1/h2}-1(1)式中h1—熱水側(cè)換熱系數(shù)(2000～7000)[W/(m2℃)]，取3000；參見(jiàn)李善化等 編著，實(shí)用集中供熱手冊(cè)，北京中國(guó)電力出版社，2006年。
h2—冷水側(cè)換熱系數(shù)(2000～7000)[W/(m2℃)]，取3000；δ1—換熱板厚度，(0.5～1.0mm)，取0.8；δ2—垢層厚度，取1.0mm，(0.5，1.0，1.5，2,0)；λ1—換熱板導(dǎo)熱系數(shù)(85～150)[W/(m℃)]，取120；參見(jiàn)景朝暉 主編，熱工理論及應(yīng)用，北京中國(guó)電力出版社，2004年。
λ2—水垢導(dǎo)熱系數(shù)(1.28～3.14)[W/(m℃)]，取1.50；將以上參數(shù)代入式(1)中，得K＝{1/(13.79×10-4)}-1＝715.8[W/(m2℃)]如果在換熱器內(nèi)冷、熱水為順流換熱，冷水經(jīng)過(guò)高頻電磁場(chǎng)在線(xiàn)處理，則無(wú)沉積水垢，也無(wú)化學(xué)吸附硬垢，δ2＝0，取傳熱面污泥系數(shù)B0＝0.85，則傳熱系數(shù)K′為K′＝B0×(1/h1+δ1/λ1+1/h2)-1(2)將上面對(duì)應(yīng)參數(shù)代入式(2)中，得K′＝0.85/7.27×10-4＝1169.2[W/(m2℃)]厚度為1.0mm的水垢層引起的傳熱量損失率η為η＝(K′-K)/K′＝38.8％
從表一看出防垢除垢是提高板式換熱器換熱效率的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。
傳熱學(xué)關(guān)于換熱器的冷、熱流體順流換熱的對(duì)數(shù)平均溫差公式為Δtmp＝(Δtmax-Δtmin)/ln(Δtmax/Δtmin)(3)式中Δtmp為換熱器平均傳熱溫差，Δtmax和Δtmin分別為換熱器兩端的熱、冷流體溫差值較大和較小的端溫差，℃；th1，th2分別是熱流體進(jìn)口和出口溫度，tc1，tc2分別是冷流體進(jìn)口和出口溫度。當(dāng)Δtmin＝th2-tc2→0時(shí)(這正是板式換熱器的實(shí)際情況)，函數(shù)Δtmp存在奇點(diǎn)，不能正確地反映板式換熱器順流換熱真實(shí)的物理過(guò)程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種無(wú)沉積水垢的板式換熱器及其換熱方式，從根本上解決普通板式換熱器，以及由多臺(tái)板式換熱器并聯(lián)組成的板式換熱機(jī)組，在換熱板之間沉積水垢和泥垢的問(wèn)題。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種無(wú)沉積水垢的板式換熱器，在普通板式換熱器的固定壓緊板側(cè)，固定壓緊板上部的冷流體進(jìn)口通過(guò)管道與冷流體回流總管道連接；固定壓緊板下部的冷流體出口通過(guò)管道與冷流體出流總管道連接。
所述的無(wú)沉積水垢的板式換熱器，在冷流體回流總管道上安裝有高頻防垢除垢水處理裝置。
所述的無(wú)沉積水垢的板式換熱器，在熱流體進(jìn)流總管道上安裝高頻防垢除垢水處理裝置。
所述的無(wú)沉積水垢的板式換熱器，管道上安裝有閥門(mén)。
所述的無(wú)沉積水垢的板式換熱器，板式換熱器為兩臺(tái)以上并聯(lián)使用，構(gòu)成無(wú)沉積水垢的板式換熱機(jī)組。
本發(fā)明換熱器的換熱方式為順流換熱方式，冷流體從固定壓緊板上部的冷流體進(jìn)口進(jìn)入，并從固定壓緊板下部的冷流體出口流出；熱流體從固定壓緊板上部的熱流體進(jìn)口進(jìn)入，并從固定壓緊板下部的熱流體出口流出；冷、熱流體在換熱器中的換熱流程是單流程順流；流體在換熱板之間對(duì)角流動(dòng)或單邊流動(dòng)。
本發(fā)明不盲目遵循傳熱學(xué)理論指出的“在相同的出口和入口溫度下，逆流換熱的Δtm值比順流更大”的指導(dǎo)原則，參見(jiàn)[美]戴維·阿澤貝爾著，王子康等譯，工業(yè)過(guò)程傳熱應(yīng)用，北京中國(guó)石化出版社，1992年；而選擇了順流換熱方式。首次由本發(fā)明論證了傳熱學(xué)的換熱器理論關(guān)于順流換熱對(duì)數(shù)平均溫差公式Δtmp＝(Δtmax-Δtmin)/ln(Δtamx/Δtmin)，當(dāng)Δtmin＝th2-tc2→0時(shí)(這正是板式換熱器冷、熱流體出口溫差的真實(shí)情況)，函數(shù)Δtmp存在奇點(diǎn)，導(dǎo)致Δtmp公式的計(jì)算結(jié)果在較大范圍內(nèi)出現(xiàn)大的偏差。為了糾正順流對(duì)數(shù)平均溫差公式，長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)順流換熱的誤導(dǎo)，本發(fā)明根據(jù)相似性原理，用流體換熱的等效一階RtCt串聯(lián)電路完全響應(yīng)的求解方法，認(rèn)證了順流與逆流換熱流體溫度沿流程變化曲線(xiàn)的一致性，以及流體溫度穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的唯一性，而推演出順流換熱的“μ變換法”，將順流換熱的平均溫差問(wèn)題，變換成逆流換熱對(duì)數(shù)平均溫差問(wèn)題進(jìn)行處理。本發(fā)明給出板式換熱器順流換熱平均溫差Δtmp的計(jì)算方法是將流體溫度沿流程變化曲線(xiàn)經(jīng)過(guò)“μ變換”之后，即可完全采用逆流換熱對(duì)數(shù)平均溫差Δtmc計(jì)算方法，當(dāng)th1-tc2＞th2-tc1時(shí)，Δtmax＝th1-tc2，Δtmin＝th2-tc1；當(dāng)th1-tc2＜th2-tc1時(shí)，Δtmax＝th2-tc1，Δtmin＝th1-tc2；則Δtmp＝Δtmc＝(Δtmax-Δtmin)/ln(Δtmax/Δtmin)；當(dāng)th1-tc2＝th2-tc1時(shí)，則Δtmp＝th1-tc2。其中Δtmp為換熱器平均傳熱溫差，Δtmax和Δtmin分別為換熱器兩端的熱、冷流體溫差值較大和較小的端溫差，℃；th1，th2分別是熱流體進(jìn)口和出口溫度，tc1，tc2分別是冷流體進(jìn)口和出口溫度。
本發(fā)明的有益效果在于(1)本發(fā)明通過(guò)改變現(xiàn)行的普通板式換熱器冷流體進(jìn)口和出口管道的常規(guī)連接方式，實(shí)現(xiàn)無(wú)沉積水垢，冷、熱流體在換熱器內(nèi)自上往下流動(dòng)，為順流換熱方式，借助冷、熱流體在換熱器內(nèi)自上往下流動(dòng)的沖擊作用和水垢顆粒自身重力作用，實(shí)現(xiàn)板式換熱器的“零排放”和在線(xiàn)“自動(dòng)排污”功能。本發(fā)明可以起到糾正傳熱學(xué)換熱器理論長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)板式換熱器順流換熱的誤導(dǎo)作用，從而盡早結(jié)束“換熱器盡量采用逆流布置”而導(dǎo)致的無(wú)辜浪費(fèi)大量資源的歷史；(2)本發(fā)明板式換熱器采用順流換熱方式工作，無(wú)須定時(shí)排污，真正實(shí)現(xiàn)“零排放”，節(jié)約水資源；換熱器內(nèi)無(wú)沉積水垢和泥垢，提高換熱效率，節(jié)約燃料及動(dòng)力資源；(3)由于順流換熱方式的合理性，本發(fā)明板式換熱器可以使用一般硬度的水取代除鹽水，既提高換熱效率，又降低運(yùn)行成本，因此，本發(fā)明板式換熱器進(jìn)入民用小區(qū)供熱站取代鍋爐供熱成為可能；對(duì)減少CO2和落塵污染，改善生態(tài)環(huán)境，有積極意義；(4)本發(fā)明板式換熱器通過(guò)在冷流體回流總管道上安裝高頻防垢除垢水處理裝置，或者，再在熱流體進(jìn)流總管道上安裝高頻防垢除垢水處理裝置，則可以收到使用除鹽水的運(yùn)行效果，換熱器內(nèi)既無(wú)沉積水垢和泥垢，又無(wú)化學(xué)吸附的硬垢，可以實(shí)現(xiàn)最高的換熱效率，最低的運(yùn)行成本和最小的勞動(dòng)強(qiáng)度。
(5)本發(fā)明證明了傳熱學(xué)的換熱器理論關(guān)于順流換熱的對(duì)數(shù)平均溫差公式，不適用于現(xiàn)代板式換熱器，從而結(jié)束其長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)順流換熱誤導(dǎo)給人類(lèi)資源造成的巨大浪費(fèi)。
(6)本發(fā)明取消傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在固定壓緊板上部的冷流體出口設(shè)置的排污閥門(mén)和在固定壓緊板下部的熱流體出口設(shè)置的排污閥門(mén)。


圖1、本發(fā)明無(wú)沉積水垢的板式換熱器的流體進(jìn)口、出口管道連接示意圖；圖2、現(xiàn)在流行的普通板式換熱器的流體進(jìn)口、出口管道連接示意圖；圖3、冷、熱流體在進(jìn)口和出口溫度相同情況下，順流和逆流換熱的對(duì)數(shù)平均溫差曲線(xiàn)圖；圖4(a)-(c)、一階RC串聯(lián)電路完全響應(yīng)的迭加原理圖；(a)為完全響應(yīng)uc(0)＝U0；(b)為零狀態(tài)響應(yīng)uce(0)＝0；(c)為零輸入響應(yīng)ucf(0)＝U0；圖5(a)-(c)、板式換熱器等效一階RtCt串聯(lián)電路完全響應(yīng)的迭加原理圖；(a)為完全響應(yīng)tf(0)＝th1(0)或tc1(0)；(b)為零狀態(tài)響應(yīng)tfe(0)＝0；(c)為零輸入響應(yīng)tff(0)＝th1(0)或tc1(0)；圖6、一階RC串聯(lián)電路完全響應(yīng)電容電壓uc(t)曲線(xiàn)圖；圖7、等效一階RtCt串聯(lián)電路完全響應(yīng)流體溫度tf(A)曲線(xiàn)圖；圖8、順流換熱流體溫度沿程變化曲線(xiàn)的μ變換原理圖；圖9、安裝有高頻防垢除垢水處理裝置的板式換熱機(jī)組簡(jiǎn)圖。
圖中，1.板式換熱器；2.固定壓緊板；21.冷流體進(jìn)口；22.熱流體進(jìn)口；23.冷流體出口；24.熱流體出口；3、4.連接管道；5、6.閥門(mén)；7.冷流體回流總管道；8.冷流體出流總管道；9.高頻防垢除垢水處理裝置；10.排污閥門(mén)；11.熱流體進(jìn)流總管道；12.熱流體出流總管道；A.換熱面積；C.電容；Ct.流體熱容；K.開(kāi)關(guān)；R.電阻；Rt.熱阻；t.時(shí)間；tc1.冷流體入口溫度；tc2.冷流體出口溫度；tf.流體溫度；tfe.零狀態(tài)溫度；tff.零輸入溫度；tm.流體穩(wěn)態(tài)溫度；th1.熱流體入口溫度；th2.熱流體出口溫度；Δtmc.逆流換熱對(duì)數(shù)平均溫差；Δtmp.順流換熱對(duì)數(shù)平均溫差；Δtmax為換熱器兩端的熱、冷流體溫差值較大的端溫差；Δtmin為換熱器兩端的熱、冷流體溫差值較小的端溫差。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1如圖1所示，在普通板式換熱器1的固定壓緊板2側(cè)，用安裝有閥門(mén)5的管道3，將固定壓緊板2上部的冷流體進(jìn)口21與冷流體回流總管道7連接；用安裝有閥門(mén)6的管道4，將固定壓緊板2下部的冷流體出口23與冷流體出流總管道8連接，熱流體進(jìn)口22與熱流體進(jìn)流總管道11相通，熱流體出口24與熱流體出流總管道12相通。這種管道連接特征是當(dāng)閥門(mén)5和閥門(mén)6為開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)，可以使回流總管道7中的冷流體，從固定壓緊板2上部的冷流體進(jìn)口21流進(jìn)板式換熱器1中，冷流體在換熱器內(nèi)自上往下流動(dòng)，與熱流體進(jìn)行順流換熱之后，再?gòu)墓潭▔壕o板2下部的冷流體出口23流出，進(jìn)入出流總管道8?，F(xiàn)行的中、低壓板式換熱器幾乎無(wú)一例外，熱流體都是從固定壓緊板2上部的熱流體進(jìn)口22流進(jìn)板式換熱器1中，自上往下流動(dòng)，與冷流體換熱之后，從固定壓緊板2下部的熱流體出口24流出。本發(fā)明目的是借助冷、熱流體在板式換熱器內(nèi)自上往下流動(dòng)的沖擊作用和水垢顆粒自身重力作用，實(shí)現(xiàn)板式換熱器的“零排放”和在線(xiàn)“自動(dòng)排污”功能，達(dá)到板式換熱器內(nèi)無(wú)沉積水垢和泥垢的最佳運(yùn)行目的。如果冷流體是未經(jīng)過(guò)軟化處理的水，那么在換熱過(guò)程中，不可避免地還會(huì)在冷流體側(cè)換熱板上生成化學(xué)吸附的硬垢，硬垢層的厚度隨著流體的碳酸鹽總硬度而變化，僅用順流換熱只能清除物理吸附的沉積水垢，是不能全部清除化學(xué)吸附的硬垢的。通常熱流體都是使用經(jīng)過(guò)軟化處理的除鹽水，基本上不結(jié)硬垢。為了避免在換熱板上生成硬垢，可以采用本發(fā)明實(shí)施例2的方案。
實(shí)施例2如圖9所示，在實(shí)施例1所述的冷、熱流體順流換熱的基礎(chǔ)上，再在冷流體回流總管道7上，安裝一臺(tái)如實(shí)用新型專(zhuān)利ZL96 2 38603.0提供的高頻防垢除垢水處理裝置9，這樣即使冷流體是硬度比較高的地下水，換熱板上也不會(huì)結(jié)硬垢了，可以達(dá)到既無(wú)沉積水垢，又不結(jié)硬垢的目的。圖9為多臺(tái)板式換熱器的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，冷流體進(jìn)口21分別與冷流體回流總管道7相通，熱流體進(jìn)口22分別與熱流體進(jìn)流總管道11相通，冷流體出口23分別與冷流體出流總管道8相通，熱流體出口24分別與熱流體出流總管道12相通。
實(shí)施例3
在實(shí)施例2所述的在冷流體回流總管道7上安裝高頻防垢除垢水處理裝置的基礎(chǔ)上，再在熱流體進(jìn)流總管道11上安裝一臺(tái)如實(shí)用新型專(zhuān)利ZL96 2 38603.0提供的高頻防垢除垢水處理裝置，這樣冷、熱流體都可以使用非除鹽水，可以實(shí)現(xiàn)板式換熱器內(nèi)既無(wú)沉積水垢和泥垢，又無(wú)化學(xué)吸附的硬垢。
本發(fā)明提出一種無(wú)沉積水垢的板式換熱器的構(gòu)成方法，通過(guò)改變現(xiàn)行的普通板式換熱器冷流體進(jìn)口和出口管道的常規(guī)連接方式，即，使常規(guī)連接進(jìn)口和出口管道的位置互換，改變冷流體在換熱器內(nèi)的常規(guī)流動(dòng)方向，使原來(lái)冷、熱流體逆流換熱，變?yōu)轫樍鲹Q熱，借助冷、熱流體在換熱器內(nèi)自上往下流動(dòng)的沖擊作用和水垢顆粒自身重力作用，實(shí)現(xiàn)板式換熱器的“零排放”和在線(xiàn)“自動(dòng)排污”功能，達(dá)到換熱器內(nèi)無(wú)沉積水垢、節(jié)能、節(jié)水、節(jié)省資源的目的。
本發(fā)明論證了傳熱學(xué)的換熱器理論關(guān)于“冷、熱流體在進(jìn)口和出口溫度相同情況下，逆流式對(duì)數(shù)平均溫差Δtm大于順流式”的結(jié)論對(duì)于板式換熱器是不正確的；本發(fā)明指出了導(dǎo)致順流換熱對(duì)數(shù)平均溫差公式Δtmp計(jì)算偏差大的原因，是表征該公式的函數(shù)存在奇點(diǎn)Δtmin，不適用于板式換熱器；本發(fā)明應(yīng)用相似性原理認(rèn)證了順流與逆流換熱流體溫度沿流程變化曲線(xiàn)的一致性，以及流體溫度穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的唯一性，進(jìn)而推演出順流換熱的“μ變換法”，即把順流換熱溫度沿流程變化曲線(xiàn)變換為等效的逆流換熱溫程變化曲線(xiàn)，合理避開(kāi)函數(shù)奇點(diǎn)Δtmin，用逆流換熱對(duì)數(shù)平均溫差公式Δtmc計(jì)算順流換熱的平均溫差Δtmp問(wèn)題。
(a)順流換熱的對(duì)數(shù)平均溫差公式存在奇點(diǎn)，它不適用于板式換熱器傳熱學(xué)的熱流量公式為Q＝KAΔtm(4)式中Q熱流量，W；K板式換熱器總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；A換熱面積，m2；Δtm冷熱流體的對(duì)數(shù)平均溫差，℃(逆、順流換熱對(duì)數(shù)平均溫差公式Δtm形式相同，腳標(biāo)c、p分別代表逆、順流)。冷、熱流體換熱功率(熱流量)與Δtm成正比，傳熱學(xué)給出Δtm＝(Δtmax-Δtmin)/ln(Δtmax/Δtmin)(5)式中，Δtmax和Δtmin分別為換熱器兩端的熱、冷流體溫差值較大和較小的端溫差，℃。當(dāng)逆流時(shí)若th1-tc2＞th2-tc1，則Δtmax＝th1-tc2，Δtmin＝th2-tc1；若th1-tc2＜th2-tc1，則Δtmax＝th2-tc1，Δtmin＝th1-tc2；若th1-tc2＝th2-tc1，則Δtmc＝th1-tc2。當(dāng)順流時(shí)Δtmax＝th1-tc1，Δtmin＝th2-tc2。th1，th2分別是熱流體進(jìn)口和出口溫度，tc1，tc2分別是冷流體進(jìn)口和出口溫度。
在換熱器的對(duì)數(shù)平均溫差Δtm推導(dǎo)過(guò)程中，分離變量積分之后，得Δtx＝Δtmaxexp(-μKAx)它是推得對(duì)數(shù)平均溫差公式的重要函數(shù)式。當(dāng)Ax→A時(shí)，Δtx→Δtmin，則有Δtmin＝Δtmaxexp(-μKA) (6)當(dāng)逆流時(shí)μ＝(1/m1C1-1/m2C2)＝μ1-μ2，μ1＝1/m1C1，μ2＝1/m2C2；當(dāng)順流時(shí)μ′＝(1/m1C1+1/m2C2)＝μ1+μ2。式中，m1熱流體質(zhì)量流量，Kg/S；m2冷流體質(zhì)量流量，Kg/S；C1熱流體比熱，Kj/Kg·℃；C2冷流體比熱，Kj/Kg·℃；K傳熱系數(shù)，[W/m2·℃]；A換熱面積，m2。
從物理單位上看，μ和μ′為熱溫當(dāng)量(℃/W)，是表征流體溫度沿流程變化趨勢(shì)的物理量，流程上各點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)應(yīng)換熱器的不同換熱面積。
在逆流換熱情況下，式(6)描述換熱過(guò)程中熱流體溫度沿流程呈衰減變化規(guī)律，冷流體溫度逆流程呈衰減變化規(guī)律，當(dāng)μ1＞μ2時(shí)，兩條溫度變化曲線(xiàn)漸漸接近；當(dāng)μ1＜μ2時(shí)，兩條溫度變化曲線(xiàn)漸漸分開(kāi)；當(dāng)μ1＝μ2時(shí)，兩條溫度變化曲線(xiàn)是互相平行直線(xiàn)。逆流換熱時(shí)，Δtmin＝th2-tc1或者Δtmin＝th1-tc2通常都不為零。因此，逆流換熱對(duì)數(shù)平均溫差公式無(wú)奇點(diǎn)左右。
在順流換熱情況下，式(6)描述冷、熱流體溫度沿流程分別呈增長(zhǎng)與衰減變化規(guī)律。無(wú)論μ1和μ2數(shù)量關(guān)系如何，冷、熱流體的兩條溫度變化曲線(xiàn)，都是快速接近，即Δtmin＝Δtmaxexp(-μ′KA)衰減很快，Δtmin快速趨于零。它是導(dǎo)致順流換熱對(duì)數(shù)平均溫差公式出現(xiàn)奇點(diǎn)的原因。式(5)中的對(duì)數(shù)因式ln(Δtmax/Δtmin)，在Δtmin→0時(shí)，對(duì)數(shù)不收斂，使得Δtmp的函數(shù)值為0。板式換熱器工作在水-水順流換熱情況下，正是這種情況，Δtmin＝th2-tc2幾乎為零，導(dǎo)致Δtmp公式在奇點(diǎn)附近相當(dāng)大的區(qū)域內(nèi)失準(zhǔn)。
在下表中用幾組冷、熱流體進(jìn)口和出口溫度相同的數(shù)據(jù)，來(lái)比較對(duì)數(shù)平均溫差公式，在順流換熱時(shí)，由于函數(shù)Δtmp存在奇點(diǎn)，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏離實(shí)際情況的嚴(yán)重程度。
表二冷、熱水(水-水)進(jìn)口和出口溫度相同時(shí)順流式與逆流式對(duì)數(shù)平均溫差比較表

上表中，*奇點(diǎn)引起偏差大的區(qū)域；**奇點(diǎn)基本無(wú)影響區(qū)域。
從表二及圖3看出，在Δtmin→0，函數(shù)奇點(diǎn)附近的較大范圍內(nèi)，順流對(duì)數(shù)平均溫差Δtmp遠(yuǎn)小于逆流對(duì)數(shù)平均溫差Δtmc，即Δtmp＜＜Δtmc；當(dāng)Δtmin→∞時(shí)，遠(yuǎn)離函數(shù)奇點(diǎn)，Δtmp→Δtmc，即Δtmin＝th2-tc2溫差越大，Δtmp越逼近Δtmc。該變化趨勢(shì)表明，在Δtmin遠(yuǎn)離函數(shù)奇點(diǎn)區(qū)域，順、逆流對(duì)數(shù)平均溫差公式Δtmp和Δtmc是等效的，這一特性是解決技術(shù)問(wèn)題的關(guān)鍵。
(b)根據(jù)相似性原理，用等效一階RtCt串聯(lián)電路完全響應(yīng)的求解方法，求取板式換熱器流體溫度的完全響應(yīng)相似性原理廣泛的應(yīng)用在自然科學(xué)各種相似物理現(xiàn)象的研究之中，傳熱學(xué)與電學(xué)的某些物理量存在極微妙的對(duì)偶關(guān)系。與求取Δtm有關(guān)的對(duì)應(yīng)物理量，列于表三中。
表三傳熱學(xué)與電學(xué)某些相對(duì)應(yīng)的物理量

傳熱學(xué)的牛頓冷卻定律Q＝tm/Rt，對(duì)應(yīng)電學(xué)的歐姆定律I＝Us/R；此二式正是應(yīng)用相似性原理的依據(jù)之一。
板式換熱器傳熱對(duì)應(yīng)的等效電路結(jié)構(gòu)與一階RC串聯(lián)電路相似，設(shè)換熱器的有效面積為A，總熱阻為Rt，流體的溫度為tf(A)，質(zhì)量流量分別為m1和m2，同質(zhì)比熱容為C1＝C2。
應(yīng)用相似性原理，從一階RC串聯(lián)電路完全響應(yīng)的迭加原理圖4(a)-(c)；其中，(a)為完全響應(yīng)uc(0)＝U0，(b)為零狀態(tài)響應(yīng)uce(0)＝0，(c)為零輸入響應(yīng)ucf(0)＝U0，圖4(a)為圖4(b)和圖4(c)的疊加，U0為電容C的初始電壓，uce(0)為零狀態(tài)響應(yīng)電容C的初始電壓，ucf(0)為零輸入響應(yīng)電容C的初始電壓。電容C電壓uc(t)的解如圖6所示，當(dāng)Us＞U0時(shí)，uc(t)對(duì)應(yīng)曲線(xiàn)1；當(dāng)Us＜U0時(shí)，uc(t)對(duì)應(yīng)曲線(xiàn)2；當(dāng)Us＝U0時(shí)，uc(t)對(duì)應(yīng)曲線(xiàn)3；進(jìn)而推演出對(duì)應(yīng)的換熱器傳熱等效一階RtCt串聯(lián)電路完全響應(yīng)的迭加原理圖5(a)-(c)；圖中，(a)為完全響應(yīng)tf(0)＝th1(0)或tc1(0)；(b)為零狀態(tài)響應(yīng)tfe(0)＝0；(c)為零輸入響應(yīng)tff(0)＝th1(0)或tc1(0)；圖5(a)為圖5(b)和圖5(c)的疊加，tf(0)代表流體的初始溫度，tfe(0)代表零狀態(tài)溫度、tff(0)代表零輸入溫度。
一階RtCt串聯(lián)電路完全響應(yīng)等效為零狀態(tài)響應(yīng)與零輸入響應(yīng)相迭加，其傳熱對(duì)應(yīng)的微分方程為RtCt·d[tf(A)]/dA+tf(A)＝tm(7)流體的初始溫度為tf(0)＝th(0)或tc(0)；當(dāng)A＝0時(shí)，開(kāi)關(guān)K閉合。
微分方程的解tf(A)由特解tf(A)′和通解tf(A)″組或，即tf(A)＝tf′tf″，特解tf′＝tm，通解tf″＝Be-A/τt+tm，式中τt＝RtCt依初始條件，得積分常數(shù)B＝tf(0)-tm，則tf(A)＝tf′+tf″＝[tf(0)-tm]e-A/τt+tm(8)式(8)右邊第一項(xiàng)是暫態(tài)解，或稱(chēng)暫態(tài)響應(yīng)。當(dāng)tf(0)＞tm時(shí)，tf(0)＝th1，表示熱流體的入口溫度，暫態(tài)解描述的是熱流體放熱過(guò)程，從入口溫度th1開(kāi)始按指數(shù)規(guī)律衰減到出口溫度th2，暫態(tài)響應(yīng)衰減曲線(xiàn)，對(duì)應(yīng)圖7曲線(xiàn)2；當(dāng)tf(0)＜tm時(shí)，tf(0)＝tc1，表示冷流體的入口溫度，此時(shí)暫態(tài)解描述的是冷流體吸熱過(guò)程，從入口溫度tc1開(kāi)始按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)到出口溫度tc2，暫態(tài)響應(yīng)增長(zhǎng)曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)圖7曲線(xiàn)1；當(dāng)tf(0)＝tm時(shí)，表示冷、熱流體入口溫度相同，即th1＝tc1＝tm，此時(shí)暫態(tài)解描述的是冷、熱流體溫度相同，換熱過(guò)程無(wú)熱量交換，暫態(tài)響應(yīng)對(duì)應(yīng)圖7直線(xiàn)3。
式(8)右邊第二項(xiàng)是穩(wěn)態(tài)解，或稱(chēng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。tm是熱流體完成放熱過(guò)程，出口處溫度的最終值，即th2→tm；它也可以是冷流體完成吸熱過(guò)程，出口處溫度的最終值，即tc2→tm。
傳熱一階微分方程解tf(A)和圖7中的曲線(xiàn)1，2和3，完整地描述了冷、熱流體在板式換熱器中的換熱物理過(guò)程。對(duì)于任何可能存在的冷、熱流體換熱的參數(shù)組合，無(wú)論微分方程的暫態(tài)解，還是穩(wěn)態(tài)解都是唯一確定的。
(c)順流換熱平均溫差的求取方法試比較μ與μ′的表達(dá)式，二者差異僅僅是μ2的正負(fù)號(hào)，如果改變?chǔ)?的符號(hào)，就可以實(shí)現(xiàn)順流與逆流換熱方式之間的轉(zhuǎn)換。為了消除順流換熱對(duì)數(shù)平均溫差函數(shù)奇點(diǎn)導(dǎo)致的計(jì)算偏差，于是，引入如下的變換方法圖7是等效一階RtCt串聯(lián)電路完全響應(yīng)流體溫度tf(A)曲線(xiàn)圖，在圖7的曲線(xiàn)1和2的匯合點(diǎn)，約為3τt(＝3RtCt，工程計(jì)算上取其為e指數(shù)的終值)位置取一點(diǎn)A，A點(diǎn)位于直線(xiàn)3上，過(guò)A點(diǎn)作直線(xiàn)3的垂線(xiàn)，將曲線(xiàn)1水平翻轉(zhuǎn)180°，令曲線(xiàn)1的起點(diǎn)tc1落在過(guò)A點(diǎn)的垂線(xiàn)上。于是便完成了順流換熱流體溫度沿流程變化曲線(xiàn)，轉(zhuǎn)換為逆流換熱流體溫度沿流程變化曲線(xiàn)，簡(jiǎn)稱(chēng)“溫程變換”或“μ變換”(見(jiàn)圖8)。圖8是順流與逆流換熱流體溫度沿流程變化曲線(xiàn)的變換原理圖。這種變換方法可以理解為是最簡(jiǎn)單的“坐標(biāo)系—域”變換，其變換因子是e-μKA中的μ，從順流域的μ＝1/m1C1+1/m2C2，變換到逆流域的μ＝1/m1C1-1/m2C2。從而，順流域的平均溫差Δtmp，可以借用逆流域的對(duì)數(shù)平均溫差公式Δtmc＝(Δtmax-Δtmin)/ln(Δtmax/Δtmin)進(jìn)行計(jì)算；其中，當(dāng)th1-tc2＞th2-tc1時(shí)，Δtmax＝th1-tc2，Δtmin＝th2-tc1；當(dāng)th1-tc2＜th2-tc1時(shí)，Δtmax＝th2-tc1，Δtmin＝th1-tc2。在板式換熱器領(lǐng)域，將順流換熱的冷、熱流體的進(jìn)口和出口溫度，變換為相應(yīng)逆流換熱的進(jìn)口和出口溫度，進(jìn)行對(duì)數(shù)平均溫差計(jì)算，消除了函數(shù)奇點(diǎn)導(dǎo)致的計(jì)算偏差。從而，可以糾正板式換熱器順流換熱對(duì)數(shù)平均溫差理論公式，長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)順流換熱的誤導(dǎo)。
權(quán)利要求
1.一種無(wú)沉積水垢的板式換熱器，其特征在于在普通板式換熱器(1)的固定壓緊板(2)側(cè)，固定壓緊板(2)上部的冷流體進(jìn)口(21)通過(guò)管道(3)與冷流體回流總管道(7)連接；固定壓緊板(2)下部的冷流體出口(23)通過(guò)管道(4)與冷流體出流總管道(8)連接。
2.按照權(quán)利要求1所述的無(wú)沉積水垢的板式換熱器，其特征在于在冷流體回流總管道(7)上安裝有高頻防垢除垢水處理裝置(9)。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的無(wú)沉積水垢的板式換熱器，其特征在于在熱流體進(jìn)流總管道上安裝高頻防垢除垢水處理裝置。
4.按照權(quán)利要求1所述的無(wú)沉積水垢的板式換熱器，其特征在于管道(3)上安裝有閥門(mén)(5)；管道(4)上安裝有閥門(mén)(6)。
5.按照權(quán)利要求1所述的無(wú)沉積水垢的板式換熱器，其特征在于板式換熱器為兩臺(tái)以上并聯(lián)使用，構(gòu)成無(wú)沉積水垢的板式換熱機(jī)組。
6.按照權(quán)利要求1所述的無(wú)沉積水垢的板式換熱器的換熱方式，其特征在于換熱方式為順流換熱方式，冷流體從固定壓緊板上部的冷流體進(jìn)口進(jìn)入，并從固定壓緊板下部的冷流體出口流出；熱流體從固定壓緊板上部的熱流體進(jìn)口進(jìn)入，并從固定壓緊板下部的熱流體出口流出；冷、熱流體在換熱器中的換熱流程是單流程順流。
7.按照權(quán)利要求6所述的無(wú)沉積水垢的板式換熱器的換熱方式，其特征在于流體在換熱板之間對(duì)角流動(dòng)或單邊流動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及換熱器的改進(jìn)技術(shù)，具體為一種無(wú)沉積水垢的板式換熱器及其換熱方式。在普通板式換熱器的固定壓緊板側(cè)，固定壓緊板上部的冷流體進(jìn)口通過(guò)管道與冷流體回流總管道連接；固定壓緊板下部的冷流體出口通過(guò)管道與冷流體出流總管道連接。本發(fā)明論證了傳熱學(xué)的換熱器理論關(guān)于順流換熱對(duì)數(shù)平均溫差計(jì)算公式不適用于板式換熱器，并給出了順流換熱平均溫差的計(jì)算方法。本發(fā)明采用順流換熱方式，使冷、熱流體在板式換熱器內(nèi)自上往下流動(dòng)，借助流體向下流動(dòng)的沖擊作用和水垢顆粒自身重力作用，實(shí)現(xiàn)板式換熱器的“零排放”和在線(xiàn)“自動(dòng)排污”功能，達(dá)到防止換熱板之間沉積水垢和泥垢，提高換熱效率，節(jié)省資源的目的，可應(yīng)用于供熱采暖系統(tǒng)等部門(mén)。
文檔編號(hào)F28D9/00GK1873362SQ20061004708
公開(kāi)日2006年12月6日 申請(qǐng)日期2006年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月30日
發(fā)明者陳靜杰, 王彬 申請(qǐng)人:王正方, 陳靜杰