技术：板式换热器的常见故障与维修

板式换热器 (Plate Heat Exchanger, PHE) 是由一组褶皱金属板片交错叠置而成的高效紧凑式换热设备 , 广泛应用于制冷、供暖、化工、食品等领域 [1] 。与同等换热量的壳管式换热器相比 ,PHE 具有传热系数大、体积小、重量轻、结构灵活等优势 [2], 但其狭长的流道结构和多层复杂密封也带来了结垢、渗漏等独特故障。

据统计 ,PHE 故障率高达 30% 以上 , 且 80% 集中在结垢和渗漏 [3] 。这些故障往往导致换热器热阻增大、压降上升 , 制冷系统能效下降 20% 以上 [4], 严重时甚至引发介质泄露、板片腐蚀等安全事故。因此 , 深入分析 PHE 常见故障成因 , 总结诊断、维修、预防措施 , 对于提高制冷系统运行效率和可靠性具有重要意义。

国内外学者围绕 PHE 故障诊断与维修开展了大量研究。马国梁等 [5] 总结了 PHE 结垢的影响因素 , 提出了基于神经网络的结垢诊断方法。王振东等 [6] 搭建了 PHE 渗漏在线监测系统 , 实现了基于小波分析的内漏诊断。程林等 [7] 建立了多尺度 PHE 堵塞度学模型 , 揭示了堵塞过程的多时空演化特征。刘彦辰等 [8] 研究了 PHE 热应力变形规律 , 提出了基于温度均匀化的变形控制策略。国外学者 Jun 等 [9] 开发了 PHE 结垢智能诊断专家系统 , 诊断准确率达 90% 以上。 Omer 等 [10] 优化了 PHE 流道曲面形貌 , 采用纳米结构涂层 , 将结垢量降低 60% 。但总体而言 , 现有研究多聚焦单一故障的机理和诊断 , 对不同故障的全面性对比、系统性总结尚不够 , 难以满足工程实践需求。

鉴于此 , 本文拟从结垢、渗漏、压降大、换热恶化等四类典型故障入手 , 系统阐述其成因机理、表现特征和解决方法 , 结合案例剖析不同诊断、检修、预防措施的优劣和实施要点 , 在现有研究基础上进一步完善提升 , 以期为制冷工程师科学高效地运维 PHE 提供借鉴。      

1. 结垢的表现与危害

PHE 结垢是由冷热流体中的水垢、污泥等杂质在狭窄流道内沉积、固结引起的 , 是最常见也是最难根治的故障。

具体表现为 :      

(1) 换热系数下降 :

水垢在传热面上的累积会形成附加热阻 , 使得 PHE 总传热系数下降。当结垢量每增加 100g/m2, 传热系数可下降 15%~20%[11] 。

(2) 压降上升 :

结垢会引起流道截面收缩 , 粗糙度增大 , 进而导致流体压降上升。当管壁面结垢厚度超过 0.5mm 时 , 压降可增加 30% 以上 [12] 。

(3) 腐蚀加剧 :

结垢与板片表面形成的浓差电池 , 加速了局部电化学腐蚀过程 , 导致板片点蚀、穿孔等损伤 [13] 。

(4) 振动噪声 :

结垢使得流体脉动加剧 , 高速冲刷引起板片振动 , 产生刺耳噪声 , 严重时会诱发渗漏。      

上述问题会显著恶化 PHE 换热性能 , 降低制冷系统能效。当结垢量达到 400g/m2 时 , 制冷量损失可高达 25%[14] 。此外 , 腐蚀穿孔也会污染介质 , 危及食品安全。

2. 结垢的成因分析

PHE 结垢是水质、材料、工况等多因素耦合作用的结果 , 具体成因包括 :      

(1) 水质条件 :

流体中的 Ca2+ 、 Mg2+ 等硬度离子是结垢的物质基础。当碳酸盐硬度超过 150ppm, 极易结垢 [15] 。此外 ,pH 值、溶解氧等也影响垢的沉积。

(2) 板片材质 :

不同材质对结垢有不同倾向性。不锈钢板片虽耐腐蚀 , 但表面能高 , 极易吸附水垢 ; 钛板虽抗垢性能优异 , 但成本较高 [16] 。

(3) 水力工况 :

流体速度过低 , 不利于垢的剥离 ; 流速过高 , 则加剧了垢的冲刷沉积。当雷诺数 Re 在 2000~4000 时 , 最易结垢 [17] 。

(4) 热力工况 :

流体温度的骤升骤降会导致垢的析出。统计表明 , 当冷热流体进出口温差超过 5℃ 时 , 结垢量会增加 20% 以上 [18] 。

(5) 流道结构 :

PHE 波纹板片的流道弯曲狭窄 , 极易产生死水区 , 成为垢的聚集点。当波峰波谷夹角小于 45° 时 , 垢厚度可超过 1mm[19] 。

3. 结垢的诊断与处理

针对 PHE 结垢问题 , 可采取以下诊断、清洗、预防措施 :      

(1) 诊断监测      

传统 PHE 多依靠定期拆检发现结垢 , 费时费力。先进的诊断方法包括 : 测量进出口温差 , 计算传热系数随时间的衰减速率 ; 测量进出口压差 , 评估流道堵塞程度 ; 采用射线、超声等无损检测技术 , 扫描板片结垢分布 [20] 。马国梁等 [21] 还提出了基于 BP 神经网络的智能诊断模型 , 输入运行参数 , 即可预测结垢量 , 诊断准确率达 95% 。

(2) 清洗除垢      

轻度结垢可采用化学清洗 , 即向 PHE 内循环低浓度酸碱溶液 , 溶解分解水垢。常用酸洗剂有盐酸、硫酸等 , 碱洗剂有 NaOH 、 Na3PO4 等 [22] 。酸洗适用于碳酸盐垢 , 碱洗适用于油脂、泥沙等污垢。但化学药剂有腐蚀风险 , 应严格控制浓度和时间。      

重度结垢则需机械清洗 , 常用高压水射流冲洗 , 再用尼龙刷等工具刮除顽固垢。对于螺旋板 PHE, 可采用弹性橡胶球清洗法 [23], 即让海绵弹球随水流冲刷通道 , 冲击剥离水垢。但机械清洗易损伤板片 , 应定期检查密封垫。

(3) 预防抑制      

从源头上抑制 PHE 结垢 , 可从水质处理、材料选择、工况优化等方面入手。水质软化可采用树脂交换、电渗析等方法 , 去除水中 Ca2+ 、 Mg2+; 加入阻垢剂如 EDTA 、聚合磷酸盐等 , 也可抑制垢的形成 [24] 。此外 , 优选亲水抗垢涂层的板片 , 并合理匹配波纹角度 , 可最大化抑垢自清洁能力。      

工况优化方面 , 应控制进出口温差在 3℃ 以内 , 避免温度骤变 ; 调节流速使雷诺数维持在 4000 以上 , 强化流体剪切 , 减少垢沉积。程林等 [25] 采用仿生布置波纹角度 , 增大掠流攻角 , 抑垢量降低 50% 以上。 Ebert 等 [26] 在 PHE 进口加装旋流器 , 形成旋转冲刷 , 垢厚降低 70% 。      

   

   

   

1. 渗漏的表现与危害

PHE 的渗漏主要包括板间介质内漏和机体外漏两种类型 , 其危害性体现在 :      

(1) 介质污染 :

板间内漏会导致冷热流体相互渗入 , 污染介质 , 严重时影响产品质量 , 甚至危及食品安全。      

(2) 能量损失 :

外漏使 PHE 内介质泄露 , 不仅浪费能量 , 还会恶化换热效果 , 降低制冷系统能效。      

(3) 腐蚀泄露 :

外漏的化学介质残留在 PHE 外壳上 , 加速腐蚀 , 甚至渗入保温层引发电化学反应 , 诱发二次泄露事故。      

(4) 环境污染 :

有毒有害介质泄露会污染环境 , 危害人体健康 , 并有可能引发火灾、爆炸等次生灾害。

2. 渗漏的成因分析
引发 PHE 渗漏的主要原因包括 :      

(1) 胶垫失效 :

板片间的橡胶密封垫在高温高压、振动磨损等作用下 , 易老化开裂、脱落变形 , 造成渗漏通道 [27] 。      

(2) 板片腐蚀 :

板片材料选型不当 , 或防腐蚀涂层老化剥落 , 易导致板片点蚀穿孔 , 引发外漏。      

(3) 焊缝开裂 :

PHE 接管与板片的焊缝质量缺陷 , 在振动冲击下易开裂。对于半焊式 PHE, 焊缝根部应力集中尤为突出 [28] 。      

(4) 安装问题 :

橡胶垫片安装不当 , 螺栓紧固力矩不均匀 , 会引起局部密封失效。对位螺杆松动错位 , 也会导致垫片脱落。      

(5) 水锤冲击 :

PHE 启停时 , 管路瞬时压力骤变 , 产生水锤效应 , 冲击板片 , 导致变形开裂。

3. 渗漏的诊断与处理
针对 PHE 渗漏问题 , 可采取以下诊断、检修、预防措施 :      

(1) 诊断检测      

传统渗漏检测主要依靠观察法和水压试验法。观察渗漏痕迹、滴液 , 结合试压曲线判断泄露点 ; 注入染色渗透剂 , 借助压差使其渗透 , 再通过目视或光谱仪检测 , 可判别内漏 [29] 。      

先进的检测方法如声发射法 , 通过检测 PHE 表面的声发射信号频率、振幅确定漏点位置 , 定位精度可达 0.5m[30] 。漏磁法则利用渗漏磁场与漏孔的关联性 , 用磁记录仪扫描 PHE 表面 , 绘制磁场分布云图 , 可检出 0.1mm 以下的微小漏孔 [31] 。此外 , 热成像、 X 射线等无损检测技术也可用于渗漏诊断。      

(2) 检修更换      

对于胶垫破损引起的渗漏 , 须拆开 PHE, 更换失效垫片。选择与介质相容的材料 , 并保证垫片尺寸公差在 0.5mm 以内 [32] 。对于板片腐蚀穿孔 , 轻微时可堵焊修补 , 严重时需整片更换。焊接应采用氩弧焊 , 焊缝应饱满均匀 , 无气孔、裂纹。      

检修时还应彻底清理 PHE 内外污垢 , 必要时进行化学清洗。重新装配时应确保橡胶垫匹配到位 , 紧固螺栓拧紧力矩控制在设计值的 105% 以内 [33] 。检修后应进行 48h 以上的压力试漏 , 压力应为额定工作压力的 1.5 倍 [34] 。      

(3) 预防措施      

从设计源头预防渗漏 , 应选择耐温耐压、柔韧性好的橡胶垫材料 , 并合理设置压紧螺栓布置 , 减小胶垫应力。优化板片折角圆弧过渡 , 减小应力集中 , 提高抗疲劳强度。 Wang 等 [35] 采用自润滑改性 PTFE 涂层 , 提高了 PHE 垫片使用寿命 3 倍以上。      

从运行工况优化渗漏 , 应平稳启停 , 减少瞬时压力冲击。压力波动范围控制在 0.05MPa 以内 , 温度波动控制在 2℃ 以内 [36] 。减振基座、软管连接也有助于降低水锤效应。      

从维护策略来看 , 应加强在役检漏 , 及时发现隐患。可在 PHE 进出口装设声发射传感器 , 实时监测泄漏信号 [37] 。定期拆检维修 , 清洁板片 , 检查垫片和紧固件 , 并做防腐刷漆。合理制定检修周期 , 如聚丙烯垫片 PHE 运行 8000h 需检修 , 而丁腈垫片则需 12000h[38] 。      

1. 压降大的表现与危害
PHE 进出口压差是衡量其运行阻力的重要指标 , 过大的压差会导致 :      

(1) 泵功耗增加 :

为克服 PHE 阻力 , 输送泵须提高扬程 , 增大功率 , 耗电量显著上升。      

(2) 系统能效降低 :

泵的效率下降 , 会拖累整个制冷系统的性能系数 , 能耗成本大幅攀升。据测算 ,PHE 压降每升高 10kPa, 制冷 COP 就降低 0.1 以上 [39] 。      

(3) 振动噪声 :

压差过大引起流体高速射流 , 冲刷板片 , 产生剧烈振动和空化噪声 , 加速设备磨损老化。

2. 压降大的成因分析
PHE 压降异常增大的原因主要包括 :      

(1) 板片结垢堵塞 :

水垢在狭长流道内的沉积会显著减小过流面积 , 是造成高压差的最主要原因。当堵塞面积超过 20% 时 , 压降可增加 1 倍以上 [40] 。      

(2) 纹路磨损 :

波纹板片的凸凹纹路在长期冲刷下会逐渐磨平 , 粗糙度下降 , 紊流强化效应减弱 , 导致流阻增大。      

(3) 流量超标 :

实际运行流量超过 PHE 设计流量 , 会引起局部流速过高 , 雷诺数偏大 , 摩擦阻力急剧上升。      

(4) 介质物性变化 :

流体温度、密度等物性参数的波动 , 尤其是黏度的升高 , 会引起流体流动状态改变 , 压降增大。      

(5) 气泡夹带 :

冷凝器冷媒出口夹带汽泡进入 PHE, 会干扰流场 , 形成局部紊流 , 引起额外压损。

3. 压降大的诊断与处理
针对 PHE 压降异常问题 , 可采取以下诊断、清洗、优化措施 :      

(1) 诊断监测      

常规压降诊断主要靠人工巡检 , 记录 PHE 进出口压力表读数 , 计算差值并绘制压降趋势曲线。先进的智能诊断系统采用差压变送器自动采集数据 , 结合热工参数 , 评估 PHE 实时运行状态。如程林等 [41] 搭建的在线监测平台可实现压降的无人值守诊断 , 并及时预警。      

此外 , 结合热工参数分析也可辅助压降诊断。如 PHE 进出口温差或传热系数突变 , 往往说明结垢堵塞 ; 出口温度波动明显 , 则暗示流量超标 ; 夹带气泡会导致出口测温 reads 波动 [42] 。      

(2) 清洗疏通      

对于轻度堵塞 , 可采用在线冲洗 , 即利用流体动压强化冲刷 , 剥离垢块。具体做法是在 PHE 进口加装旁通管 , 定期切换高速水流 , 可使堵塞度降低 50%[43] 。王振东等 [44] 设计的智能冲洗装置可根据压降反馈实时优化冲洗周期和流速。      

重度堵塞则需化学清洗。常用 10% 盐酸加 0.5% 缓蚀剂 ,60℃ 浸泡 6h, 可溶解大部分垢。清洗后用高压水枪冲洗 , 再用 NaOH 中和 , 最后用清水冲净 [45] 。近年来兴起的超声波清洗技术利用空化效应剥蚀污垢 , 可使 PHE 压降恢复到出厂水平的 90% 以上 [46] 。      

(3) 工况优化      

针对 PHE 纹路磨损导致的高压差 , 可对波纹板进行抛光处理 , 提高表面光洁度 , 减小流阻。激光抛光可使粗糙度降低 80%, 压降降低 40% 以上 [47] 。      

针对流量偏差问题 , 应结合 PHE 设计工况 , 优化流量调节阀的控制策略。采用变频调速 , 实现流量的柔性调控 , 可将压降控制在设计值的 120% 以内 [48] 。      

针对气泡夹带 , 可在 PHE 进口装汽液分离器 , 滤除冷媒夹带汽泡。离心式分离器对直径大于 0.1mm 的气泡 , 捕集率可达 98% 以上 [49] 。      

1. 换热恶化的表现与危害
PHE 的传热系数是衡量其换热性能的核心指标 , 其恶化会导致 :      

(1) 出口温差增大 :

PHE 冷热流体出口温度差距拉大 , 换热不充分 , 降低了制冷效果。

(2) 系统效率下降 :

为弥补换热量损失 , 压缩机功率需增大 , 制冷系统性能系数 (COP) 显著下降。有研究表明 , 传热系数每降低 10%,COP 就下降 5%[50] 。

(3) 换热面结霜 :

部分制冷剂温度过低 , 易在 PHE 冷侧表面凝华成霜 , 进一步恶化传热 , 引发连锁反应。

2. 换热恶化的成因分析

引起 PHE 换热恶化的主因除结垢堵塞外 , 还包括 :      

(1) 板片数量不足 :

实际换热量大于设计值时 , 板片数量配置不足 , 换热面积偏小 , 难以传递足够热量。

(2) 板型选择不当 :

板片波纹角度、斜度等参数选择不当 , 易形成热点、死水区 , 导致局部传热恶化。

(3) 板间错流 :

相邻板片的错流引起了冷热流体的掺混 , 降低了端差温 , 恶化了传热温差。

(4) 热应力变形 :

PHE 启停时的温度应力会引起板片变形 , 改变了流道间距 , 加大了边界层热阻。

3. 换热恶化的诊断与处理

针对 PHE 换热恶化问题 , 可采取以下诊断、检修、优化措施 :      

(1) 诊断评估      

常规诊断主要通过测量 PHE 进出口冷热流体温度 , 计算对数平均温差 (LMTD), 再结合实测换热量 , 评估传热系数 [51] 。先进的诊断方法如 Wilson-plot 法 , 通过多次测试拟合传热系数与流量的函数关系 , 可实现传热系数的动态评估 [52] 。 Zhang 等 [53] 还提出了基于人工神经网络的 PHE 智能诊断模型 , 输入工况参数即可预测传热系数 , 诊断准确率高达 95% 。      

针对 PHE 结霜问题 , 目视检查冷侧板片是最直观的诊断手段。红外热成像技术可实现更精细的诊断 , 通过温度云图可判断结霜部位和程度 [54] 。

(2) 检修清洗      

对于轻微的换热恶化 , 及时清洗可有效恢复性能。采用前述的化学浸泡、高压冲洗等方法 , 可使板片清洁如初 , 传热系数恢复到 90% 以上 [55] 。对于因板片数量不足引起的恶化 , 应重新设计、增加板片 , 扩大换热面积。      

对于因热应力变形导致的恶化 , 需矫正变形错位的板片。轻微弯曲可用橡胶锤扳正 , 而严重变形则需热处理矫平 [56] 。 PHE 换热恶化的修复中 , 板片平整度公差应小于 0.2mm, 波纹错位小于 2mm[57] 。

(3) 优化设计      

针对 PHE 换热恶化 , 优化设计主要从以下方面着手 :      

首先 , 应优选高传热、低阻力的板型。采用人字形波纹可强化湍流 , 传热系数提高 20% 以上 [58]; 采用不等角度螺旋波纹 , 可削弱死水区 , 换热量提高 15%[59] 。      

其次 , 减小板间距可强化紊流换热。当板间距从 3mm 减小到 1.5mm, 传热系数可提高 50% 以上 , 但板数也应随之增加 , 以免流速过高 [60] 。      

第三 , 错开上下板片的进出口位置 , 可避免错流引起的换热温差损失。同时 , 进出口管径应采用渐扩结构 , 减小局部流动死区 [61] 。      

第四 , 控制 PHE 内外温差在合理范围内 , 可减小热应力变形。板片宜采用低膨胀系数材料 , 温差控制在 80℃ 以内 [62] 。 Gherasim 等 [63] 采用梯度布置板片厚度 , 由内向外递增 , 将热变形量降低 70% 。      

此外 , 在 PHE 冷侧铺设亲水涂层 , 可有效抑制结霜。 Wang 等 [64] 采用 TiO2 纳米涂层 , 提高了表面亲水性 , 使冰霜晶粒尺寸减小 60%, 换热系数提高 25% 。