專利名稱：一種無沉積水垢的板式換熱器及其換熱方式的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及換熱器的改進技術，具體為一種無沉積水垢的板式換熱器及其換熱方式。
背景技術：
板式換熱器由一組平行薄板疊加而構成，在相鄰板之間用特制的密封墊片兩兩隔開而形成通道，冷、熱流體間隔地在各自的通道內(nèi)流動，板式換熱器傳熱系數(shù)較大，流動阻力較小，廣泛應用于供熱采暖系統(tǒng)及食品、醫(yī)藥、化工等部門。根據(jù)換熱器內(nèi)冷、熱流體的相對流動方向不同，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；逆流式，即兩種流體平行而反向流動；叉流式，即兩種流體在相互垂直的方向交叉流動；混流式，即不同流動方式的組合流動。
傳熱學的換熱器理論指出“冷、熱流體在進口和出口溫度相同情況下，逆流式的對數(shù)平均溫差大于順流式”，參見[美]F·P·因克羅普拉、D·P·德威特著，于廣經(jīng)等譯，傳熱基礎，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”，參見景朝暉 主編，熱工理論及應用，北京中國電力出版社，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口21進入換熱器，在換熱器內(nèi)自下往上流動，再從固定壓緊板上部冷流體出口23流出換熱器；熱流體從換熱器固定壓緊板上部熱流體進口22進入換熱器，在換熱器內(nèi)自上往下流動，再從固定壓緊板下部熱流體出口24流出換熱器，在固定壓緊板上部的冷流體出口23設排污閥門10，在固定壓緊板下部的熱流體出口24設排污閥門10。在流體進行換熱，冷流體溫度升高過程中，在換熱板上生成化學吸附的硬垢，同時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，嚴重影響換熱效果。根據(jù)傳熱公式計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，當冷、熱流體(水-水)在板式換熱器內(nèi)逆流換熱時，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—熱水側換熱系數(shù)(2000～7000)[W/(m2℃)]，取3000；參見李善化等 編著，實用集中供熱手冊，北京中國電力出版社，2006年。
h2—冷水側換熱系數(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—換熱板導熱系數(shù)(85～150)[W/(m℃)]，取120；參見景朝暉 主編，熱工理論及應用，北京中國電力出版社，2004年。
λ2—水垢導熱系數(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)過高頻電磁場在線處理，則無沉積水垢，也無化學吸附硬垢，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)將上面對應參數(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鍵技術問題。
傳熱學關于換熱器的冷、熱流體順流換熱的對數(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分別是熱流體進口和出口溫度，tc1，tc2分別是冷流體進口和出口溫度。當Δtmin＝th2-tc2→0時(這正是板式換熱器的實際情況)，函數(shù)Δtmp存在奇點，不能正確地反映板式換熱器順流換熱真實的物理過程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種無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，以及由多臺板式換熱器并聯(lián)組成的板式換熱機組，在換熱板之間沉積水垢和泥垢的問題。
本發(fā)明的技術方案是一種無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，固定壓緊板上部的冷流體進口通過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管道與冷流體出流總管道連接。
所述的無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。
所述的無沉積水垢的板式換熱器，在熱流體進流總管道上安裝高頻防垢除垢水處理裝置。
所述的無沉積水垢的板式換熱器，管道上安裝有閥門。
所述的無沉積水垢的板式換熱器，板式換熱器為兩臺以上并聯(lián)使用，構成無沉積水垢的板式換熱機組。
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口進入，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口進入，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角流動或單邊流動。
本發(fā)明不盲目遵循傳熱學理論指出的“在相同的出口和入口溫度下，逆流換熱的Δtm值比順流更大”的指導原則，參見[美]戴維·阿澤貝爾著，王子康等譯，工業(yè)過程傳熱應用，北京中國石化出版社，1992年；而選擇了順流換熱方式。首次由本發(fā)明論證了傳熱學的換熱器理論關于順流換熱對數(shù)平均溫差公式Δtmp＝(Δtmax-Δtmin)/ln(Δtamx/Δtmin)，當Δtmin＝th2-tc2→0時(這正是板式換熱器冷、熱流體出口溫差的真實情況)，函數(shù)Δtmp存在奇點，導致Δtmp公式的計算結果在較大范圍內(nèi)出現(xiàn)大的偏差。為了糾正順流對數(shù)平均溫差公式，長期以來對順流換熱的誤導，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)電路完全響應的求解方法，認證了順流與逆流換熱流體溫度沿流程變化曲線的一致性，以及流體溫度穩(wěn)態(tài)響應的唯一性，而推演出順流換熱的“μ變換法”，將順流換熱的平均溫差問題，變換成逆流換熱對數(shù)平均溫差問題進行處理。本發(fā)明給出板式換熱器順流換熱平均溫差Δtmp的計算方法是將流體溫度沿流程變化曲線經(jīng)過“μ變換”之后，即可完全采用逆流換熱對數(shù)平均溫差Δtmc計算方法，當th1-tc2＞th2-tc1時，Δtmax＝th1-tc2，Δtmin＝th2-tc1；當th1-tc2＜th2-tc1時，Δtmax＝th2-tc1，Δtmin＝th1-tc2；則Δtmp＝Δtmc＝(Δtmax-Δtmin)/ln(Δtmax/Δtmin)；當th1-tc2＝th2-tc1時，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分別是熱流體進口和出口溫度，tc1，tc2分別是冷流體進口和出口溫度。
本發(fā)明的有益效果在于(1)本發(fā)明通過改變現(xiàn)行的普通板式換熱器冷流體進口和出口管道的常規(guī)連接方式，實現(xiàn)無沉積水垢，冷、熱流體在換熱器內(nèi)自上往下流動，為順流換熱方式，借助冷、熱流體在換熱器內(nèi)自上往下流動的沖擊作用和水垢顆粒自身重力作用，實現(xiàn)板式換熱器的“零排放”和在線“自動排污”功能。本發(fā)明可以起到糾正傳熱學換熱器理論長期以來對板式換熱器順流換熱的誤導作用，從而盡早結束“換熱器盡量采用逆流布置”而導致的無辜浪費大量資源的歷史；(2)本發(fā)明板式換熱器采用順流換熱方式工作，無須定時排污，真正實現(xiàn)“零排放”，節(jié)約水資源；換熱器內(nèi)無沉積水垢和泥垢，提高換熱效率，節(jié)約燃料及動力資源；(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，又降低運行成本，因此，本發(fā)明板式換熱器進入民用小區(qū)供熱站取代鍋爐供熱成為可能；對減少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行效果，換熱器內(nèi)既無沉積水垢和泥垢，又無化學吸附的硬垢，可以實現(xiàn)最高的換熱效率，最低的運行成本和最小的勞動強度。
(5)本發(fā)明證明了傳熱學的換熱器理論關于順流換熱的對數(shù)平均溫差公式，不適用于現(xiàn)代板式換熱器，從而結束其長期以來對順流換熱誤導給人類資源造成的巨大浪費。
(6)本發(fā)明取消傳統(tǒng)設計中，在固定壓緊板上部的冷流體出口設置的排污閥門和在固定壓緊板下部的熱流體出口設置的排污閥門。


圖1、本發(fā)明無沉積水垢的板式換熱器的流體進口、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口、出口管道連接示意圖；圖3、冷、熱流體在進口和出口溫度相同情況下，順流和逆流換熱的對數(shù)平均溫差曲線圖；圖4(a)-(c)、一階RC串聯(lián)電路完全響應的迭加原理圖；(a)為完全響應uc(0)＝U0；(b)為零狀態(tài)響應uce(0)＝0；(c)為零輸入響應ucf(0)＝U0；圖5(a)-(c)、板式換熱器等效一階RtCt串聯(lián)電路完全響應的迭加原理圖；(a)為完全響應tf(0)＝th1(0)或tc1(0)；(b)為零狀態(tài)響應tfe(0)＝0；(c)為零輸入響應tff(0)＝th1(0)或tc1(0)；圖6、一階RC串聯(lián)電路完全響應電容電壓uc(t)曲線圖；圖7、等效一階RtCt串聯(lián)電路完全響應流體溫度tf(A)曲線圖；圖8、順流換熱流體溫度沿程變化曲線的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組簡圖。
圖中，1.板式換熱器；2.固定壓緊板；21.冷流體進口；22.熱流體進口；23.冷流體出口；24.熱流體出口；3、4.連接管道；5、6.閥門；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；11.熱流體進流總管道；12.熱流體出流總管道；A.換熱面積；C.電容；Ct.流體熱容；K.開關；R.電阻；Rt.熱阻；t.時間；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.逆流換熱對數(shù)平均溫差；Δtmp.順流換熱對數(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。
具體實施例方式
實施例1如圖1所示，在普通板式換熱器1的固定壓緊板2側，用安裝有閥門5的管道3，將固定壓緊板2上部的冷流體進口21與冷流體回流總管道7連接；用安裝有閥門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，熱流體進口22與熱流體進流總管道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閥門5和閥門6為開啟狀態(tài)時，可以使回流總管道7中的冷流體，從固定壓緊板2上部的冷流體進口21流進板式換熱器1中，冷流體在換熱器內(nèi)自上往下流動，與熱流體進行順流換熱之后，再從固定壓緊板2下部的冷流體出口23流出，進入出流總管道8?，F(xiàn)行的中、低壓板式換熱器幾乎無一例外，熱流體都是從固定壓緊板2上部的熱流體進口22流進板式換熱器1中，自上往下流動，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)自上往下流動的沖擊作用和水垢顆粒自身重力作用，實現(xiàn)板式換熱器的“零排放”和在線“自動排污”功能，達到板式換熱器內(nèi)無沉積水垢和泥垢的最佳運行目的。如果冷流體是未經(jīng)過軟化處理的水，那么在換熱過程中，不可避免地還會在冷流體側換熱板上生成化學吸附的硬垢，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吸附的硬垢的。通常熱流體都是使用經(jīng)過軟化處理的除鹽水，基本上不結硬垢。為了避免在換熱板上生成硬垢，可以采用本發(fā)明實施例2的方案。
實施例2如圖9所示，在實施例1所述的冷、熱流體順流換熱的基礎上，再在冷流體回流總管道7上，安裝一臺如實用新型專利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，換熱板上也不會結硬垢了，可以達到既無沉積水垢，又不結硬垢的目的。圖9為多臺板式換熱器的并聯(lián)結構，冷流體進口21分別與冷流體回流總管道7相通，熱流體進口22分別與熱流體進流總管道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。
實施例3
在實施例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上，再在熱流體進流總管道11上安裝一臺如實用新型專利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，可以實現(xiàn)板式換熱器內(nèi)既無沉積水垢和泥垢，又無化學吸附的硬垢。
本發(fā)明提出一種無沉積水垢的板式換熱器的構成方法，通過改變現(xiàn)行的普通板式換熱器冷流體進口和出口管道的常規(guī)連接方式，即，使常規(guī)連接進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)流動方向，使原來冷、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)自上往下流動的沖擊作用和水垢顆粒自身重力作用，實現(xiàn)板式換熱器的“零排放”和在線“自動排污”功能，達到換熱器內(nèi)無沉積水垢、節(jié)能、節(jié)水、節(jié)省資源的目的。
本發(fā)明論證了傳熱學的換熱器理論關于“冷、熱流體在進口和出口溫度相同情況下，逆流式對數(shù)平均溫差Δtm大于順流式”的結論對于板式換熱器是不正確的；本發(fā)明指出了導致順流換熱對數(shù)平均溫差公式Δtmp計算偏差大的原因，是表征該公式的函數(shù)存在奇點Δtmin，不適用于板式換熱器；本發(fā)明應用相似性原理認證了順流與逆流換熱流體溫度沿流程變化曲線的一致性，以及流體溫度穩(wěn)態(tài)響應的唯一性，進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變換為等效的逆流換熱溫程變化曲線，合理避開函數(shù)奇點Δtmin，用逆流換熱對數(shù)平均溫差公式Δtmc計算順流換熱的平均溫差Δtmp問題。
(a)順流換熱的對數(shù)平均溫差公式存在奇點，它不適用于板式換熱器傳熱學的熱流量公式為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冷熱流體的對數(shù)平均溫差，℃(逆、順流換熱對數(shù)平均溫差公式Δtm形式相同，腳標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，℃。當逆流時若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。當順流時Δtmax＝th1-tc1，Δtmin＝th2-tc2。th1，th2分別是熱流體進口和出口溫度，tc1，tc2分別是冷流體進口和出口溫度。
在換熱器的對數(shù)平均溫差Δtm推導過程中，分離變量積分之后，得Δtx＝Δtmaxexp(-μKAx)它是推得對數(shù)平均溫差公式的重要函數(shù)式。當Ax→A時，Δtx→Δtmin，則有Δtmin＝Δtmaxexp(-μKA) (6)當逆流時μ＝(1/m1C1-1/m2C2)＝μ1-μ2，μ1＝1/m1C1，μ2＝1/m2C2；當順流時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′為熱溫當量(℃/W)，是表征流體溫度沿流程變化趨勢的物理量，流程上各點坐標對應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μ1＞μ2時，兩條溫度變化曲線漸漸接近；當μ1＜μ2時，兩條溫度變化曲線漸漸分開；當μ1＝μ2時，兩條溫度變化曲線是互相平行直線。逆流換熱時，Δtmin＝th2-tc1或者Δtmin＝th1-tc2通常都不為零。因此，逆流換熱對數(shù)平均溫差公式無奇點左右。
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與衰減變化規(guī)律。無論μ1和μ2數(shù)量關系如何，冷、熱流體的兩條溫度變化曲線，都是快速接近，即Δtmin＝Δtmaxexp(-μ′KA)衰減很快，Δtmin快速趨于零。它是導致順流換熱對數(shù)平均溫差公式出現(xiàn)奇點的原因。式(5)中的對數(shù)因式ln(Δtmax/Δtmin)，在Δtmin→0時，對數(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，導致Δtmp公式在奇點附近相當大的區(qū)域內(nèi)失準。
在下表中用幾組冷、熱流體進口和出口溫度相同的數(shù)據(jù)，來比較對數(shù)平均溫差公式，在順流換熱時，由于函數(shù)Δtmp存在奇點，導致計算結果偏離實際情況的嚴重程度。
表二冷、熱水(水-水)進口和出口溫度相同時順流式與逆流式對數(shù)平均溫差比較表

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

傳熱學的牛頓冷卻定律Q＝tm/Rt，對應電學的歐姆定律I＝Us/R；此二式正是應用相似性原理的依據(jù)之一。
板式換熱器傳熱對應的等效電路結構與一階RC串聯(lián)電路相似，設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。
應用相似性原理，從一階RC串聯(lián)電路完全響應的迭加原理圖4(a)-(c)；其中，(a)為完全響應uc(0)＝U0，(b)為零狀態(tài)響應uce(0)＝0，(c)為零輸入響應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)響應電容C的初始電壓，ucf(0)為零輸入響應電容C的初始電壓。電容C電壓uc(t)的解如圖6所示，當Us＞U0時，uc(t)對應曲線1；當Us＜U0時，uc(t)對應曲線2；當Us＝U0時，uc(t)對應曲線3；進而推演出對應的換熱器傳熱等效一階RtCt串聯(lián)電路完全響應的迭加原理圖5(a)-(c)；圖中，(a)為完全響應tf(0)＝th1(0)或tc1(0)；(b)為零狀態(tài)響應tfe(0)＝0；(c)為零輸入響應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)電路完全響應等效為零狀態(tài)響應與零輸入響應相迭加，其傳熱對應的微分方程為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A＝0時，開關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)右邊第一項是暫態(tài)解，或稱暫態(tài)響應。當tf(0)＞tm時，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程，從入口溫度th1開始按指數(shù)規(guī)律衰減到出口溫度th2，暫態(tài)響應衰減曲線，對應圖7曲線2；當tf(0)＜tm時，tf(0)＝tc1，表示冷流體的入口溫度，此時暫態(tài)解描述的是冷流體吸熱過程，從入口溫度tc1開始按指數(shù)規(guī)律增長到出口溫度tc2，暫態(tài)響應增長曲線對應圖7曲線1；當tf(0)＝tm時，表示冷、熱流體入口溫度相同，即th1＝tc1＝tm，此時暫態(tài)解描述的是冷、熱流體溫度相同，換熱過程無熱量交換，暫態(tài)響應對應圖7直線3。
式(8)右邊第二項是穩(wěn)態(tài)解，或稱穩(wěn)態(tài)響應。tm是熱流體完成放熱過程，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程。對于任何可能存在的冷、熱流體換熱的參數(shù)組合，無論微分方程的暫態(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′的表達式，二者差異僅僅是μ2的正負號，如果改變μ2的符號，就可以實現(xiàn)順流與逆流換熱方式之間的轉換。為了消除順流換熱對數(shù)平均溫差函數(shù)奇點導致的計算偏差，于是，引入如下的變換方法圖7是等效一階RtCt串聯(lián)電路完全響應流體溫度tf(A)曲線圖，在圖7的曲線1和2的匯合點，約為3τt(＝3RtCt，工程計算上取其為e指數(shù)的終值)位置取一點A，A點位于直線3上，過A點作直線3的垂線，將曲線1水平翻轉180°，令曲線1的起點tc1落在過A點的垂線上。于是便完成了順流換熱流體溫度沿流程變化曲線，轉換為逆流換熱流體溫度沿流程變化曲線，簡稱“溫程變換”或“μ變換”(見圖8)。圖8是順流與逆流換熱流體溫度沿流程變化曲線的變換原理圖。這種變換方法可以理解為是最簡單的“坐標系—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數(shù)平均溫差公式Δtmc＝(Δtmax-Δtmin)/ln(Δtmax/Δtmin)進行計算；其中，當th1-tc2＞th2-tc1時，Δtmax＝th1-tc2，Δtmin＝th2-tc1；當th1-tc2＜th2-tc1時，Δtmax＝th2-tc1，Δtmin＝th1-tc2。在板式換熱器領域，將順流換熱的冷、熱流體的進口和出口溫度，變換為相應逆流換熱的進口和出口溫度，進行對數(shù)平均溫差計算，消除了函數(shù)奇點導致的計算偏差。從而，可以糾正板式換熱器順流換熱對數(shù)平均溫差理論公式，長期以來對順流換熱的誤導。
權利要求
1.一種無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，固定壓緊板(2)上部的冷流體進口(21)通過管道(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)通過管道(4)與冷流體出流總管道(8)連接。
2.按照權利要求1所述的無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.按照權利要求1或2所述的無沉積水垢的板式換熱器，其特征在于在熱流體進流總管道上安裝高頻防垢除垢水處理裝置。
4.按照權利要求1所述的無沉積水垢的板式換熱器，其特征在于管道(3)上安裝有閥門(5)；管道(4)上安裝有閥門(6)。
5.按照權利要求1所述的無沉積水垢的板式換熱器，其特征在于板式換熱器為兩臺以上并聯(lián)使用，構成無沉積水垢的板式換熱機組。
6.按照權利要求1所述的無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口進入，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口進入，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.按照權利要求6所述的無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角流動或單邊流動。
全文摘要
本發(fā)明涉及換熱器的改進技術，具體為一種無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，固定壓緊板上部的冷流體進口通過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管道與冷流體出流總管道連接。本發(fā)明論證了傳熱學的換熱器理論關于順流換熱對數(shù)平均溫差計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，借助流體向下流動的沖擊作用和水垢顆粒自身重力作用，實現(xiàn)板式換熱器的“零排放”和在線“自動排污”功能，達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，可應用于供熱采暖系統(tǒng)等部門。
文檔編號F28D9/00GK1873362SQ20061004708
公開日2006年12月6日 申請日期2006年6月30日 優(yōu)先權日2006年6月30日
發(fā)明者陳靜杰, 王彬 申請人:王正方, 陳靜杰