板式换热器的改造 篇1
关键词：板式换热器,流程组合,维护
在彩涂板的生产过程中,基板经粗精涂固化炉固化涂层后,在冷却系统中通过喷雾和喷水冷却使涂层得到硬化。带钢在固化炉中的温度为285℃,经冷却系统冷却后温度必须降至50℃以下,否则将会影响下一步的涂敷程序,在收卷打包后带钢所带的过高的温度还会使涂层发生粘漆现象,影响产品质量。冷却带钢的冷却用水通常采用经过处理的脱盐水,在对带钢进行冷却后回流至脱盐水箱,再经过板式换热器换热后循环使用。冷却系统示意图如图1所示。
不同规格的带钢经固化炉后所携带的温度是不同的,所回流至脱盐水水箱的脱盐水温度也会随着带钢板厚的增加而升高。这时就要根据测温点检测的水温,通过调节脱盐水的补水量、脱盐水的溢流量来控制水箱内脱盐水的温度,进而控制脱盐水出口的水温使其满足工艺要求。
1 存在问题
我公司原采用配备换热面积为35m2的板式换热器的冷却系统在精涂固化炉出口处对出炉带钢进行冷却。在使用过程中发现换热效果不是很好。脱盐水进水水泵压力正常,冷却水进水压力正常,但脱盐水出水口测温点温度明显偏高,在室内温度较高时,检测点水温高达40℃～50℃,与工业冷却水出水管温差较大,无法对带钢进行足够的冷却。经过仔细分析后,发现导致换热效果不佳的原因可能是由有以下因素造成。
1.1 换热器的设计换热能力不足
对带钢进行冷却后的高温脱盐水回流至水箱后,经水泵加压重新进入冷却循环。在板式换热器中无法与工业冷却水进行成分换热,导致脱盐水出水口测温点水温过高。
1.2 换热器的流道堵塞
在拆解的过程中,我们发现在有些相邻的两板片的流道内有橡胶垫的碎块,将流道堵塞,而且同一板片通冷却水的一侧则存在较多水垢。
2 改造措施
2.1 增加换热面积
这是一种提高换热效果的最直接的方法。通过增加换热片来提高板式换热器的换热面积,使脱盐水在换热器内的换热更加充分。板式换热器结构简单,容易拆卸,卸下一边的活动压紧板即可在夹紧螺栓允许的范围内增加换热片。
2.2 改变换热器流程及流道组成
流道是指板式换热器相邻两板片组成的介质通道,流程是指换热器内同种介质同一流动方向的流道组合。可以通过在板式换热器的板片组合中增加定制的隔板来改变换热流道及流程的组合,以达到不同的使用效果。精图固化炉出口冷却系统所采用的板式换热器由1个固定压紧板、1个活动压紧板以及119片换热片组成,共有120个流道。改造前,板式换热器结构如图2所示,脱盐水、冷却水进入板式换热器后,经过1个流程即从板式换热器中流出,流程组合表示为:,为单流程组合。改造后,板式换热器结构如图3所示,调整脱盐水与冷却水进出口,增加2片隔板,使脱盐水、冷却水进入板式换热器后,经过3个流程从板式换热器中流出,流程组合表示为:为多流程组合。单流程组合换热器主要应用于处理温降小、压降小的场合,而多流程组合换热器则主要用于温降大,压降大的场合。根据工艺要求与经济性角度来分析,显然精涂固化炉出口冷却系统更适合采用多流程组合换热器。与上种方法相比,这种改进措施更为经济有效。
3 结语
将精涂固化炉出口冷却系统的板式换热器由单流程改为3流程,并对其进行全面清洗后,在生产时,脱盐水出口测温点检测温度明显下降,基本保持在25℃左右,带钢温度满足工艺要求,基本上杜绝了因带钢在收卷前冷却不足而导致的成品卷脱漆现象,而且大大减少了脱盐水的补水量。
参考文献
[1]匡国柱,史启才.化工单元过程及设备课程设计[M].化学工业出版社,2002.
[2]余建祖.换热器原理与设计[M].北京航空航天大学出版社,2006.
板式换热器的改造 篇2
但是由于我国供热系统普遍存在着系统水质较差、管网冲洗不到位造成杂质和悬浮物超标等问题,板式换热器在使用中经常出现堵塞、结垢、换热效率下降、换热效果差的现象。为了保证供热质量,供热单位只能通过频繁的拆洗板式换热器来改善换热效果。但是,拆装换热器不仅费时费工,造成用户长时间停止供热,而且频繁拆装板式换热器还会出现板片变形、胶条加速老化、流道错位、板间距缩小等问题,大大降低了板式换热器的使用寿命。
为了保证换热器换热效果,最根本的解决方案是加强水质处理力度,改善水质环境,减少循环介质的硬度,降低Ca2+,Mg2+与OH-,CO 32-离子结合形成水垢的几率,为换热器换热营造良好的使用环境。
但是,在日常运行期间通过不断进行板式换热器的反冲洗维护保养,减少杂质在换热面上沉积、附着的可能性,保持换热面的清洁,也可以收到事半功倍的效果。
1 板式换热器堵塞、结垢的原因分析
1)板式换热器的板间通道很窄,一般只有3mm～4mm,当换热介质中含有较大的固体颗粒或纤维物质时,就容易堵塞板间通道。
2)多数换热器选型按照最终负荷进行,容量较大,一旦初期投运负荷较小,换热介质在换热器内的流速远远小于设计流速,且流道形状十分不规则,导致一些进入换热器内的杂质不易被带出换热器,极易附着在不锈钢换热面上形成污物。
3)循环介质残余硬度较高,附着于换热面上的污物紧贴高温侧,经过不断烘烤与介质中析出的CaHCO3,Ca(OH)2,MgHCO3,Mg(OH)2晶体结合形成薄垢,又经过长期高温烘烤垢层不断增厚,形成硬垢。
板式换热器一旦堵塞和结垢,必然导致换热面被污染,换热效率下降,换热效果差,严重的情况会导致系统阻力增大,高温侧和低温侧流量减少,换热量不足。
2 板式换热器反冲洗清洗方法的原理
2.1 板式换热器反冲洗清洗方法简介
通过对板式换热器换热原理,结垢、堵塞原因的分析,我们提出一种换热器反冲洗清洗维护方法。该方法是利用系统高压水所产生的能量,对换热面上的垢层进行反向冲击,使之脱离换热器板片,排出循环系统。经过长期实践,事实证明这种方法效果十分明显。
2.2 板式换热器反冲洗清洗方法操作过程
系统原理图见图1。
2.2.1 板式换热器一次侧排污操作方法
1)关闭换热器一次侧接口处供回水球阀1,2,打开一次侧排污球阀3和一次侧排气阀4,使换热器内一次侧留存的水全部泄空;
2)关闭一次侧排污阀3,迅速打开换热器一次侧回水球阀2,当排气阀4见水后,关闭换热器一次侧回水球阀2;
3)打开换热器一次侧排污球阀3,泄空换热器一次侧存水,迅速打开一次供水球阀1,进行排污,待排出的液体澄清后,关闭排污球阀,上述操作连续进行两次;
4)打开换热器排气阀4,同时开启一次回水球阀2,待换热器内充满水后,打开供水球阀1,恢复正常运行,换热器一次侧反冲洗清洗完成。
2.2.2 板式换热器二次侧排污操作方法
1)关闭换热器二次侧接口处供回水球阀5,6,打开一次侧排污球阀7和一次侧排气阀7,使换热器内二次侧的存水全部泄空;
2)关闭二次侧排污阀8,迅速打开换热器二次侧回水球阀6,当排气阀7见水后,关闭换热器二次侧回水球阀6;
3)打开换热器二次侧排污球阀8,泄空换热器内的水,迅速打开二次供水球阀5,进行排污,待排出的液体澄清后,关闭排污球阀,上述操作连续进行3次～5次;
4)打开换热器排气阀7,同时开启二次回水球阀6,待换热器内充满水后,打开供水球阀5,换热器一次侧恢复正常运行。
2.3 板式换热器反冲洗清洗方法的原理分析
1)冲洗采用干式冲洗方法,即将换热器内的水全部泄空,使附着于板片上的污垢暴露于空气中,减少污垢与换热面的黏贴力。
在换热器内充满水的情况下,污垢处于完全湿润状态,与吸附板面的接触面积大,所产生的黏贴力较大,不易被剥落。而当泄空换热器后,污垢暴露在空气当中,含水量减少,与吸附板面的接触面积减小,黏贴力减弱,同时一部分与板片结合不够紧密的污垢,会随着泄水的过程排出换热器。
2)迅速充水过程中瞬时出现强大冲击,对板片产生剧烈振动,剥离或松动黏贴于换热面上的污垢。
随着空气的迅速进入,形成汽水共腾,产生强大的冲击波,强烈冲击不锈钢板片,由于换热器已经泄空,板片振动幅度十分剧烈,这种振动足以将还没有形成硬垢的杂质从换热面上剥离下来。
3)迅速充水时,由于水流在系统压力的推动下产生巨大流速,远远大于杂质悬浮速度Vc,因此可以将已经被剥离或松动的污垢冲走,通过排污排出换热器。
迅速充水的过程,流体一侧是较高的系统压力,另一侧直接与空气接触。按照流体力学,可以简化为“孔口自由流”的数学模型进行分析计算。
根据《流体力学》中孔口自由流相关章节中关于圆形薄壁小孔的公式推导,得:
其中,Q为体积流量,m 3/s;μ为流量系数,对于薄壁小孔口,μ=0.60～0.62;A为孔口面积,m 2;Hc为作用压头,mH2O。
例如,一台板式换热器规格为:760mm(宽)×1 500mm(高),板片数量为80片,板间距为3mm,二次侧出口压力为0.40MPa,折合为40mH2O,换热器接口口径为150mm。
按照式(1),计算反冲洗时的体积流量Q:
按照质量守恒定律,通过换热器二次侧每个流道的流动速度V:
根据相关资料,直径De为3mm及以下的固体杂质的最大悬浮速度Vc=0.33m/s,远远小于反冲洗排污过程中换热器板间流体流动速度V,因此杂质可以轻易被排出系统。
3 板式换热器反冲洗排污方法的实际效果
包头市热力总公司现有间接连接热力站282座,有板式换热器近600台。2005年进行热力站间改造后,由于二次网失水严重,热力站采用投药的方式进行水质处理,由于水处理药剂具有很强的除锈除垢功能,导致二次网管道中原来产生的锈蚀、杂质大量剥落,随着水流循环进入换热器,造成换热器堵塞无法正常工作。
开始时,我们只能频繁拆卸清洗换热器,一方面消耗了大量的人力物力,另一方面一部分换热器板片经过多次拆卸后陆续出现胶条老化、板片变形甚至击穿的现象,对设备造成了很大的损伤。认识到这一点后,我们开始从换热器的结构特点入手,探索一种切实可行的换热器清洗维护方法,经过反复实验和理论论证,我公司创造出了上述反冲洗排污方法。方法在全公司推广后,收到很好的效果,换热器清洗率由原来每采暖季40%,下降到目前每采暖季10%左右。而且随着供热系统“大流量、小温差”运行模式逐渐向“小流量,大温差”运行模式转变,板式换热器的反冲洗排污维护方法,在保持换热器换热效率方面发挥了更加突出的作用。
摘要：结合板式换热器结构特点,提出一种板式换热器反冲洗排污的维护方法,介绍了这一方法的操作程序,并且通过流体力学有关理论和相关数学模型的建立,分析了板式换热器反冲洗的原理,最后阐明了该排污方法的实际应用效果。
关键词：供热系统,板式换热器,反冲洗排污,孔口自由流
参考文献
[1]周谟仁.流体力学泵与风机[M].第2版.北京:中国建筑工业出版社,2010.
板式换热器的应用 篇3
板式换热器广泛应用于以下各行业：
a.制冷：用作冷凝器和蒸发器。
b.暖通空调：配合锅炉使用的中间换热器、高层建筑中间换热器等。
c.化学工业：纯碱工业，合成氨，酒精发酵，树脂合成冷却等。
d.冶金工业：铝酸盐母液加热或冷却，炼钢工艺冷却等。
e.机械工业：各种淬火液冷却，减速器润滑油冷却等。
f.电力工业：高压变压器油冷却，发电机轴承油冷却等。
g.造纸工业：漂白工艺热回收，加热洗浆液等。
h.纺织工业：粘胶丝碱水溶液冷却，沸腾硝化纤维冷却等。
i.食品工业：果汁灭菌冷却，动植物油加热冷却等。
j.油脂工艺：皂基常压干燥，加热或冷却各种工艺用液。
k.集中供热：热电厂废热区域供暖，加热洗澡用水。
l.其他：石油、医药、船舶、海水淡化、地热利用。
天津市鼎大模具有限公司位于西青区杨柳青镇，成立于2009年，是一家以设计制造板式换热器板片模具和板式换热器橡胶垫模具的新型民营企业。
公司主要供应压型模系列，橡胶模系列，冲模系列产品，经营范围涉及板式换热器，板片，胶垫，板片模具及胶垫模具。公司有大型数控机床数台，专业数控操作及编程人员数十名，为高效优质设备的生产提供了保障。此外，我们已与国内外众多优秀的工厂及贸易公司建立了长期稳定合作关系，年营业额达5000万余元，产品远销海内外。
我们拥有专业的开发设计团队，具备新产品开发设计能力，可以向用户提供前期咨询、板型及产品设计，计算选型软件的编制，人员的培训到换热器制造等全方位的服务，确保产品能够满足客户的各种实际需求。
板式换热器的改造 篇4
1 螺旋板式换热器的基本结构、类型、特点以及工作原理
1.1 基本结构、类型和特点
1.1.1 基本结构
螺旋板式换热器是由两张较长的钢板叠放在一起卷制而成的, 每张板上均布地焊有定距柱, 它使两张板之间产生一定的间距, 形成换热流道。定距柱起到支撑钢板抵抗流体压力的作用, 也起到流体在换热流道中流动时增加湍流从而提高换热效率的作用。相邻两流道流过的两种流体温度不同, 它们通过螺旋钢板进行传热, 达到换热的目的。
1.1.2 类型
a、不可拆式。卷制后的螺旋板式换热器, 其两端焊死, 不可拆卸, 形成固定结构, 流道内部不可触及。它适用于不易堵塞的流体换热。不可拆式又分卧式和立式的结构。b、可拆式。卷制后的螺旋板式换热器, 每端只将一个流道焊死, 而另一个流道开放, 然后在端面上加端盖加以密封, 其端盖可以拆卸, 从而可以清理流道内部。它适用于易堵塞的流体换热。c、特殊形式。有些化工上用的螺旋板式换热器, 根据加工工艺的要求, 需要特殊结构, 两端带有封头、端盖或两个换热器串连在一起, 结构不一。
1.1.3 特点
结构紧凑、占地面积小、传热效率高、操作灵活性大、应用范围广、热损失小、安装和清洗方便等特点。传热流道长、流道间距大、耐热温、不易泄漏。因此它换热效率较高, 换热后冷介质的温度容易接近热介质的温度, 适于粘稠性物料和含有颗粒性物料的加温或降温处理, 但不适于含有纤维性物料换热。螺旋板式换热器是一种高效换热器设备, 适用汽-汽、汽-液、液-液传热等。
1.2 工作原理
对于换热的两种介质, 如果都是液体, 在螺旋板式换热器的流道内要按逆流方式流动。所谓逆流是指进行换热的两相邻流道内的两种液体, 沿螺旋流道彼此相反的方向流动, 这样能使两种流体介质之间始终保持一定温差, 从而达到最好的传热效果。
对于换热的两种介质, 一种是液体, 另一种是气体, 则它们在螺旋板式换热器内要按错流方式流动, 即液体在换热器内沿螺旋方向流动, 而气体沿换热器的轴向直接通过, 这主要是考虑到气体的特点, 气体一般要求流量大, 阻力小, 或有的是用于蒸汽冷凝, 因此一般不让气体沿螺旋方向流动。
2 螺旋板式换热器在焦化厂粗苯生产中的应用
我单位焦化厂化产回收中粗苯工段多处使用螺旋板式换热器作为热交换的主要设备。
构成螺旋板式换热器的主换热材料, 主要分为碳钢和不锈钢两大类。我单位焦化厂为避免腐蚀结垢问题的出现采用的是不锈钢材质不可拆式的螺旋板式换热器。螺旋板式换热器在粗苯工段的作用主要是:
2.1 油油换热器 (富油预热贫油降温) , 换热面积225m2
洗苯塔底富油由富油泵加压后送至粗苯冷凝冷却器与脱苯塔顶出来的粗苯汽换热, 将富油预热至60℃, 然后至贫富油换热器 (螺旋板式换热器) 与脱苯塔塔底出来的贫油换热, 由60℃升到130℃, 最后进入管式炉被加热至180℃左右进入脱苯塔, 从脱苯塔塔顶蒸出的粗苯油水混合汽进入粗苯冷凝冷却器被从洗苯塔底的富油和16℃的制冷水冷却至30℃左右, 然后进入粗苯油水分离器进行分离。
脱苯后的热贫油从脱苯塔底流出, 自流入贫富油换热器与富油换热, 使其温度降至90℃左右。
2.2 贫油冷却器 (贫油冷却) , 换热面积200m2
入贫油槽的贫油由贫油泵加压送至贫油冷却器, 分别被32℃循环水和16℃制冷水冷却至约30℃, 送洗苯塔喷淋洗涤焦炉煤气。
3 螺旋板式换热器运行中出现的结垢问题
我焦化厂化产回收在投产半年后粗苯工段的贫油冷却器 (螺旋板式换热器) 出现了严重堵塞结垢腐蚀问题。出现这种现象其主要原因是:受当地水源水质较差, 含碱量的影响。用于循环的冷却水水质问题是造成结垢的最主要原因。新招聘入职的操作工人未能严格按照《岗位操作规程》进行定期的吹扫。受市场价格居高的影响, 购入的洗油质量难于保证, 导致循环贫富洗油质量较差, 结垢、腐蚀、沉积现象严重。洗油再生器在粗苯的生产环节中, 起着阻止循环洗油的质量逐渐恶化, 保证洗油质量的作用。洗油再生器运行不正常, 也是造成螺旋板式换热器结垢的一个因素。受市场煤源供应问题, 炼焦的入炉煤气质量较差, 含硫量较高, 造成设备腐蚀严重。
4 螺旋板式换热器结垢问题的处理措施
4.1 及时更换结垢严重的螺旋板式换热器, 保证生产的正常运行。
4.2 对结垢严重的螺旋板式换热器进行清洗处理。
螺旋板式换热器结垢严重的是冷却水通道, 对于贫油通道内结垢相对较少, 因此重要的是清洗冷却水通道内的水垢。
冲冼:酸洗前, 先对换热器进行开式冲洗, 使换热器内部没有泥、垢等杂质, 这样既能提高酸洗的效果, 也可降低酸洗的耗酸量。
将清洗液倒人清洗设备, 然后再注入换热器中。
酸洗:将注满酸溶液的换热器静态浸泡2h。然后连续动态循环3~4h。其间每隔0.5 h进行正反交替清洗。酸洗结束后, 若酸液p H值大于2, 酸液可重复使用。
碱洗:酸洗结束后, 用Na OH, Na2CO3, Na3PO4, 软化水按一定的比例配制好, 利用动态循环的方式对换热器进行碱洗, 达到酸碱中和, 使换热器板片不再腐蚀。
水洗:碱洗结束后, 用清洁的软化水.反复对换热器进行冲洗0.5 h, 将换热器内的残渣彻底冲洗干净。
记录:清洗过程中, 应严格记录各步骤的时间, 以检查清洗效果。
清洗结束后, 要对换热器进行打压试验合格后方可使用。
4.3 加强螺旋板式换热器的使用管理
运行前, 应排净设备内的残留空气, 避免影响换热效果。严禁超温、超压运行, 出现下列情况之一时, 应立即停止运行:压力、温度超过设计值;焊缝发生裂缝, 鼓泡、变形、泄漏或其他异常现象;安全附件失效;周围发生事故, 影响影响安全。
5 螺旋板式换热器更换后的预防措施及运行效果
5.1 螺旋板式换热器更换后的运行效果
新螺旋板式换热器投入生产后, 各项数据显示运行良好, 但要保持这种状态就必须有好的管理措施。
5.2 防止螺旋板式换热器结垢的预防措施
制定了严格的操作规程。并严格要求操作工人严格执行操作规程, 认真填写运行记录, 做到有据可查。严把水质关, 必须对系统中的水和软化罐中的软化水进行严格的水质化验, 合格后才能注人管网中。对换热器进行定期结垢监测, 做到及时发现及时清洗。
总之, 在工业生产的过程中, 换热器结垢是一个相当普遍的现象。要想能够保证生产的正常运行, 就要加大管理力度, 注意换热物料的性质, 定期清洗, 尽可能的减少或避免结垢的发生。如果出现结垢现象要及时的进行清洗除垢来恢复生产设备的生产效率。同时, 保持设备良好的运行状态, 还可以减少能源消耗, 延长设备使用寿命, 减少生产事故的发生。
摘要：螺旋板式换热器是换热器的一种。在焦化厂粗苯生产中多处使用到了螺旋板式换热器。但螺旋板式换热器结垢导致换热效果不佳成为影响生产的重要问题。因此, 有效的阻止结垢成为生产的关键。
关键词：螺旋板式换热器,结垢,处理
参考文献
[1]王勇主编:《换热器维修手册》·北京:化学工业出版社, 2010.07[1]王勇主编:《换热器维修手册》·北京:化学工业出版社, 2010.07
[2]秦志华, 韩永安:《化学清洗技术在焦化厂螺旋板式换热器上的应用》·山东冶金, 1997 (4) [2]秦志华, 韩永安:《化学清洗技术在焦化厂螺旋板式换热器上的应用》·山东冶金, 1997 (4)
板式换热器的改造 篇5
天然循环冷却水松花江水是东北地区经济社会发展所依赖的重要水资源之一,它是沿江电厂主机凝汽器、主机冷油器,闭式循环水板式冷却器等冷却水的重要来源。冷却水污垢的形成是极其复杂的动量、能量和质量传递过程[3]。它随水质参数和时间的变化具有强非线性和强时变性的特征,造成理论分析预测污垢极为困难。而BP网络因其具有通过学习逼近任意非线性影射的能力,可以不受非线性模型的限制,所以它在水文分析和水文预测中的应用越来越广泛[4,5,6,7]。
本文作者搭建了污垢监测系统在线检测污垢热阻的变化,对污垢特性影响较大的电导率、硬度、Cl-、铁离子、溶解氧、化学耗氧量(COD)、细菌总数、pH值、碱度、浊度等水质参数做同周期的离线检测,采用多项式拟合的方法筛选出与污垢热阻关联度强的水质参数以及时间作为输入量,污垢热阻作为输出量,建立基于BP神经网络的板式换热器冷却水污垢热阻预测模型。
1 冷却水污垢动态模拟实验
如图1,管内流动的实验工质为天然循环冷却水(松花江水),工质和热水在板式换热器内进行换热,在其进出口处分别安装有Pt100电阻温度计和压差计,用来测量换热器两端的进、出口温度和压差,流量计测量管路的流量;各测量信号通过Agilent数据采集仪,存储到电脑上。实验时工质由水泵抽送流经电磁流量计进入板式换热器与热水进行换热(温度升高),然后在流回工质水箱通过冷却系统对其进行冷却。在工质环路开设有旁通阀,以此来调节管路的流量和压差。与此同时,换热后的热水重新流回恒温水箱通过加热系统进行再加热,依次循环往复。
根据在线测得的流量及换热器两端的进出口温度,采用污垢热阻法[3]计算冷却水污垢热阻。试验中保持工质、热流体的流速及进口温度恒定,这样只有水质参数和时间的变化影响污垢热阻。
2 神经网络预测模型的建立
2.1 特征参数的选取
根据冷却水污垢的抑制策略[3],作者测出了与污垢形成过程密切相关的上述10种水质参数。水质参数的测定方法见文献[8]。
但是自变量pH值与碱度,溶解氧、COD与细菌总数,Cl-与铁的腐蚀速率,电导率与硬度之间相互影响,根据神经网络输入层神经元输入时相互影响较大的特征参数只能取其一的原则,采用多项式拟合的方法,比较了不同自变量与因变量(污垢热阻Rf)之间关联度的大小。下面仅以电导率(cond)为例进行说明。
如图2,采用多项式拟合:
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R-square=0.981,它是方程的确定系数,0-1之间,越接近1,表明方程的自变量对因变量的解释能力越强。由表1可知,选取电导率、铁离子、细菌总数、pH值、浊度和时间作为输入层的特征参数较为合理。
2.2 BP神经网络介绍
BP网络是基于误差反向传播算法(BP算法)的多层前向网络,其中以单隐层网络最为普遍,它包括输入层、隐含层和输出层。同层节点中没有任何耦合,输入信号从输入层节点依次传过各隐含层节点,然后传到输出层,每一层节点的输出只影响下一层节点的输出,相邻层每个节点通过适当的连接权值向前连接[9]。BP算法的基本形式为:
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式中:W(k)为时刻的权值; D(k)=-∂E/∂W(k)为时刻的负梯度; a为学习率。网络训练目标是使误差函数E最小,E的定义式:
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式中:i代表第i个样本;j代表输出单元数;tji为单元实际输出;Oji为单元期望输出;(tji-Oji)2为输出层第j个神经元在模式i作用下的实际输出和期望输出之差的平方。
2.3 输入输出数值的归一化处理
为消除量纲的影响,并减少输出值的绝对误差,同时使权和阈值的变幅缩小,采用下面变换式将输入输出数据变换为[0,1]区间的值:
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式中:xi代表输入或输出数据;xi,min、xi,max分别代表各单一指标中数据的最小值和最大值。权和阈值的初始值取0～1之间的随机数。
2.4 隐含层节点数的确定
BP网络结构为3层,输入层6个节点,输出层1个节点。学习速率Ir=0.01,训练次数epochs=5 000,训练目标goal=0.000 01。选择2.88、20.71、33.19、50.75、69.00、81.62、98.30、116.37、128.59时刻的9个数据组为测试样本,其他10个数据组为训练样本。
隐含层节点数太少,难以满足收敛条件;隐含层节点数过多,网络失去概括能力[10]。本文采用试错法(Trial-Error)[11],分别对5～13以内的节点个数依次进行训练和测试,其训练结果如图3所示。从图中可以看出,隐含层结点选10最佳,其训练出来的平均误差最小。
3 结果分析
3.1 预测值(Oji)与测量值(tji)的绝对误差(δ)分析
由表3知,所得的绝对误差比污垢测量值至少小一个数量级,这在工程上是可以接受的。此外,误差较大值主要集中在运行前期,原因为:①此时水质参数变化较大,污垢热阻迅速上升,从样本采集(包括训练样本和测试样本的采集)角度则,应该缩短采样时间间隔;②从刻画和描述事物特征角度,也需要尽量多地采集能确切描述板式换热器冷却水污垢本质特征的样本,才能更全面、更准确的预测板式换热器内的冷却水污垢。
3.2 预测值(Oji)与测量值(tji)相对误差可靠性估计
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式中:εi可视为随机变量,εi×100%为预测值的相对误差,本预测中j=1;i=1,2,…,9。
则下式为期望和方差的无偏点估计:
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令εi～N(μ,σ2)分布,则知:
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当给定置信水平(1-a)时(a为小值概率,通常取0.01～0.05),μ和σ的置信区间见式(7)。μ和Δμ愈小,说明预测的精度愈高;σ和Δσ愈小,说明泛化的可靠性愈强。其中,若期望的置信区间包括坐标原点,则证明不存在系统误差;否则,宜重新调整网络状态。
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由式(5)～(7)知:预测样本相对误差均值的点估计为0.023 2,置信区间(a=0.05)为(-0.142,0.188);方差的点估计为0.046 2,置信区间(a=0.05)为(0.021,0.170) ,模拟的精度和可靠性均符合工程要求,且不存在系统误差。
3.3 模型的适用条件
本预测模型的特征参数是在特定时间(2010年3月25日)、固定取水点(松花江上游某取水点)、固定运行参数(实验工质进口温度35～36 ℃,流速0.104 m/s)、特定板式换热器等条件下获取的。
若这些条件发生改变,比如:①若在其他季节或其他地点取水,初始水质参数会有较大变化;②因特殊原因,需要突然改变运行参数,例如工质的流速由0.104 m/s跃变为0.200 m/s,而且在相当长一段时间内保持不变;③改用其他形式的板式换热器,此时换热器特性参数会发生改变,如人字形板片改成直板型,此时污垢热阻变化。以上3种情况,均可用本模型进行污垢热阻的预测,只是预测前需重新采集训练的样本。
4 结 语
(1)搭建了污垢监测平台,通过多项式拟合的方法,找出了与污垢形成过程密切相关的水质参数:电导率、铁离子、细菌总数、pH值、浊度。
(2)采用“试错法”比较了不同隐含层节点数对BP网络预测结果的影响,本训练中最佳隐含层节点数为10。
(3)通过对预测结果绝对误差和相对误差的分析知:本预测模型精度高,泛化的可靠性强。
(4)与美国管式换热器制造商协会(TEMA)推荐数据相比,BP网络法所得污垢热阻数据热阻除其渐近值,还有时变性;逼真度高,可操作性强。
摘要：搭建了板式换热器污垢热阻实时监测系统平台,采用多项式拟合的方法分析出松花江水中电导率、铁离子、细菌总数、pH值、浊度等水质参数与污垢的形成过程密切相关;将其和时间作为输入量,污垢热阻作为输出量,建立基于BP神经网络的冷却水污垢热阻预测模型。结合绝对误差和相对误差的分析知:预测值准确率达到90%以上,网络泛化能力的可靠性强;分析比较多次预测结果表明,该模型不但适用于流速、换热器特性参数等为定值的情况,而且当这些参数发生改变时,该模型也适用。
关键词：水质参数,板式换热器,污垢热阻,神经网络
参考文献
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板式换热器的改造 篇6
关键词：节能设计,板式换热器,供热系统,板片
随着城市集中供热事业的不断发展, 板式换热器得到了较好的应用。板式换热器与其他换热器相比, 具有应用效率高、占地面积小、材料耗费较少等特点。因此, 板式换热器在化工、石油和供热等行业中的应用较为广泛。但板式换热器的选择过程十分复杂, 且需要优化供热系统。因此, 本文主要分析了节能设计在板式换热器供热系统中的具体应用方法, 并分别对供热系统的工作原理、系统设计中存在的问题和供热系统优化设计的方法等进行了分析。
1 板式换热器供热系统的工作原理分析
板式换热器主要由多个板片组装而成, 且各个板片间均留有一定的空隙。当流体经过板片时, 板片之间的间隙能起到冷热交换的作用。由于流道空间非常小, 流体在流经板片时的速度较快, 易形成湍流, 湍流间会形成较大的波纹。湍流波纹的影响大大提升了板式换热器的换热性能。与一般的换热器相比, 其换热性能优于一般的换热器, 这是板式换热器可代替一般换热器的重要原因之一。此外, 湍流波纹还会增强板片的刚度, 当两种流体流过板片四个角的孔洞后会在板式换热器中形成流道, 最后形成顺向或逆向流动。此时, 可将板片当作流通介质实现热量的交换, 进而完成板式换热器的供热环节。分析板式换热器供热系统可进一步了解其存在的问题, 比如板片的承受能力、流程安排能否改变、湍流波纹能否得到有效应用等。根据以上分析, 我们应不断优化与板式换热器结构有关的设计, 从而提升换热器供热系统的换热性能。
2 板式换热器供热系统存在的问题
图1 为板式换热器供热系统存在的问题。
2.1 换热与降压的匹配问题
对于板式换热器而言, 换热系数与通道中流体的流速成正比, 即当通道内流体的速度较快时, 换热系数会增大, 且流速加快会导致流体受到的阻力不断增加, 进而加大了流体压力的损耗。因此, 应选取适当的流速或寻求压力损耗与换热系数的平衡, 从而不断提升板式换热器供热系统的综合性能。
2.2 研究不够完善
板式换热器在我国的起步较晚、研究时间较短, 这在一定程度上限制了供热系统的发展, 进而对供热系统的节能设计造成了影响。此外, 我国对板式换热器的研究不够深入, 缺乏一定的技术专利。因此, 相关部门应加大资金投入, 购买相应的专利。
2.3 应用场合受到限制
板式换热器具有独特的优势, 但也存在一些问题。就当前供热系统的设计而言, 存在很多缺陷, 比如节能设计在供热系统中的应用受到了限制, 主要表现在换热器难以在高温、高压的环境中运行。这是因为板式换热器中的核心元件为较薄的金属片, 其承受压力的能力有限, 而板式换热器常用于重工业生产中, 这就需要板式换热器具备较强的承受压力的能力。由此可见, 对于板式换热器供热系统而言, 突破以往应用场合的限制是其应用节能设计的基本条件之一。
3 供热系统节能设计的优化方法
在分析了板式换热器的工作原理后, 深入了解了影响其换热性能的因素, 比如板片的波纹、流速、换热系数、流道的安排等。对于板式换热器供热系统的节能设计而言, 应充分考虑其影响因素, 不断优化供热设计中的各个子系统, 具体方法如图2 所示。
3.1 不断优化整体设计
对于整个板式换热器供热系统而言, 节能设计不只是在供热系统的设计环节中需要考虑的问题, 在换热器方面也需考虑该问题。因此, 在优化供热系统板片的同时, 还应优化板式换热器的结构和功能, 从整体上实现供热系统的节能优化, 从而实现供热系统的节能设计。此外, 对于不同的应用要求和场合, 应合理选择优化的方法和系数。
3.2 不断优化板片设计
在板式换热器供热系统中, 优化板片是非常关键的环节, 主要包括以下2 步: (1) 板片承受压力的能力对板式换热器供热系统的性能影响很大, 因此, 需要研制一些性能良好的制作材料, 这也属于研发换热器的主要研究方向之一。 (2) 优化板片强度及其表面的波纹。应仔细分析板片波纹的类型、高度和波纹角等。只有合理优化板片设计, 才有可能实现板式换热器供热系统的节能设计。
3.3 匹配换热系数与压降
换热系数与压降的匹配主要指平衡流体所受压力的损耗和换热系数。通常情况下, 可采用传热的单元数法、对数的平均温差法和单侧的压降最大化的利用法等。这样做的主要目的是有效分析板片可承受的最大压降或最适宜的压降, 从而准确推算出流体在流经通道时的压降和流速, 从而找到一种压降值最大的设计方法, 并找到比较合适的换热系数与降压匹配, 从而增强板片承受压力的能力。
3.4 合理安排流道
流道安排的合理性与板式换热器供热系统的性能有直接关系。串联型、混联型的流道安排存在较大的差异, 比如在换热系数与压降存在很大的差距时, 就需要应用混联型流程的流道安排。因此, 对于板式换热器供热系统的节能设计而言, 既要考虑板式换热器的应用场合, 又要考虑其能承受的压力和流体流速。只有不断综合分析各种因素, 才能设计出比较优秀的换热器供热系统, 即最节能的板式换热器供热系统。
4 结束语
总而言之, 在优化板式换热器供热系统的设计方法时, 设计人员应明确优化的目标和方向, 从而实现供热系统的节能设计, 并从供热系统设计的具体方法入手, 在此基础上进行整体性的优化设计。只有这样, 才能真正地设计出与人们需求相符的板式换热器供热系统。
参考文献
[1]陈山雨, 李锐.集中供热系统板式换热器热工性能研究[J].建筑科学, 2014, 10 (08) .
板式换热器的改造 篇7
1 项目现状
总后勤部热力中心负责总后勤部区域内60万平方米建筑供暖, 以及机关大楼、礼堂、家属楼、将军楼的生活热水供应。
因系统主要为总后大院提供生活热水, 所以水中绝不允许添加化学药剂或使用软化水装置, 不允许采用一切化学防垢方法。因此致使系统长期结垢, 压力上升, 换热器换热效率严重下降并且能耗不断增加, 需每年至少用化学药剂清洗一次。清洗中发现换热器片层内存在类似巧克力块状水垢, 每次都要经过冲洗 (先对换热器进行开放式冲洗, 除掉表面的泥沙等物质, 减少酸洗的耗酸量) , 再将清洗液注入换热器, 并将酸洗液浸泡一段时间后进行正反交替清洗、碱洗、水洗等工序, 清洗时间比较长, 专业要求比较高。并且存在化学药剂腐蚀管道和设备, 最后排出的清洗液污染环境需要特殊处理等问题, 耗费大量的人力、物力。
2 BEST’S扫频磁电除垢仪装置构成及原理
化学清洗在解决板式换热器结垢的同时也带来了一系列的副作用。如浪费水资源、污染环境、设备停产等。近几年物理的处理方法越来越受到更多关注, 物理的处理方法主要包括利用声、电、磁等方法。现有的物理处理方法存在着电磁污染、使用水体条件受限、处理的垢质类型单一等不同缺点使其进一步推广使用受到限制。
2.1 装置构成
BEST’S扫频磁电除垢仪是基于现有物理除垢设备存在的或多或少的问题, 提出的一种新的基于纯交变电场的物理除垢方式。它由电源、信号发生器和能量耦合环组成, 采用了扫频技术能够确保在不同的硬度、碱度、温度、p H条件下的除垢阻垢效果。
2.2装置原理
BEST’S扫频磁电除垢仪首先通过能量耦合环在水体中产生一个特殊规律变化的电场, 该电场促使水中的成垢离子结合成大量的文石碳酸钙小晶核悬浮在溶液当中而不是吸附在管壁, 当温度和压力变化时, 其它成垢离子析出并优先生长在这些小晶核上, 形成文石碳酸钙晶体成松散絮状悬浮在水中, 被水流冲走达到防垢的目的。
其次, 施加的磁电场通过在合适的波段不断扫频与水分子产生共振破坏了水分间的氢键, 水的大分子团被打碎形成了大量的小水分子团, 降低了水的表面张力, 增强了其活性, 提高了溶解度, 水分子不断地渗透到已生成的垢层将其溶解, 同时溶解下来的成垢离子遇到压力或温度变化时更倾向于生长在水溶液中已生成的文石小晶核上, 随水流冲走或不断长大被过滤出, 从而达到除垢的目的。
3 装置安装、结果分析
3.1 装置安装
总后勤部热力中心共有2套供生活热水用板式换热系统, 每套系统由2台板式换热器组成。2013年11月决定只对其中一套系统进行安装。根据装置特点, 在板式换热器的二次进水管上安装了一套。由于无需截管, 无需机组停产, 很快就完成了装置的安装和调试。
图3 未安装装置垢的形态
图4 安装装置垢的形态
3.2 效果分析
3.2.1除垢效果
安装40天后, 总后勤部相关负责人、北京热力集团以及装置厂家三方共同打开换热器, 发现结垢现象明显比以往少了许多, 水垢由硬垢变成了软垢, 出现了沙化现象, 附着性降低了, 用水管简单冲洗便全部掉了下来, 除垢效果明显。而另外一套没有使用装置的系统, 打开后发现换热器板面上已经结了厚厚一层水垢 (如图1~图4) 。通过对比, 我们相信经过更长的时间, 软化的水垢会随着水流渐渐消失, 从而达到100%除垢效果。冲洗干净后, 板式换热器正常运行一段时间, 打开检查结垢情况, 来验证设备的防垢效果。
3.3.2防垢效果
使用BEST’S扫频磁电除垢仪的情况下, 板式换热器继续运行三个月, 重新打开, 检验防垢效果如图5。
由图5我们可以看出, 在使用设备的3个月内板式换热器上只存在一薄层灰尘和锈迹几乎没有再生成新垢, 体现了极好的防垢效果, 保持了设备的无垢运行。
4 结论