浅析换热器的热交换系统及控制方法

胡国军,王柳款

摘要：本文通过分析目前换热器存在液体完全浸没换热管道后才开始通热介质，导致换热效率低下的缺陷，阐述了换热器的热交换系统及控制方法，从而克服目前存在的问题，提高换热效率。

关键词：换热器、控制方法、液位检测器、液位值

1、目的

换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体，实现热能转移的设备，目前的换热器为防止换热管道过热加速老化，一般会在液体完全浸没所有换热管道后才开始通过阀门系统控制热介质通入换热管道内进行换热，导致换热速度较慢，换热效率低的缺陷。

2、热交换系统结构设计

热交换系统包括罐体、浮动盘管、第一换热管、第二换热管、液位检测器、控制阀、控制装置、进液管、出液管。

浮动盘管有多个且沿罐体高度方向间隔分布，各浮动盘管的进口均连通第一换热管且其出口均连通第二换热管。浮动盘管整体呈圆环状，包括多个呈螺旋状分布的支管，各支管的螺旋半径沿偏离浮动盘管的中心处方向依次增大，且多个支管的一端连通进口管，另一端连通出口管。呈螺旋状的支管可以使热介质呈环形输送，热介质运输所产生的离心力使浮动盘管管壁产生高频振动，以此减少罐体内液体的层流现象，产生紊流现象，从而提升液体的换热效率。

液位检测器采用压阻式传感器，通过测量罐体内液位检测器所受液压可以测量出水深，即液面高度，当压阻式传感器所测液压达到设定值时输出触发信号，即脉冲信号，以此监测液位情况。液位检测器上连接有控制装置，控制装置采用PLC控制器，第一换热管位于罐体外的一段上设置有总阀，总阀用于通断热介质，且与控制装置电连接。

每个浮动盘管进口管的进口侧均设置控制阀，控制阀采用电磁阀，用于控制热介质的通断，且在常规状态下处于关闭状态。控制装置电连接于多个控制阀以分别控制各个电磁阀开闭。当罐体内液位每达到浸没一个浮动盘管的设定液位时液位检测器输出一次触发信号，而控制装置与液位检测器连接，用于接收并响应触发信号以控制被液体浸没的浮动盘管对应的控制阀开启，使第一换热管内的热介质通入该浮动盘管内，并对罐体内的液体进行加热处理。且当总阀开启的同时罐体内最下方的浮动盘管的控制阀开启，并对液体进行加热处理。例如，将设定液位分为20cm、40cm、60cm等多个梯级，每个梯级分别对应浸没一个浮动盘管所需的液面高度，当液位达到40cm时代表液体刚好浸没了两个浮动盘管，此时液位检测器输出第二次触发信号，控制装置开启第二个浮动盘管的控制阀，并保持最下方的浮动盘管的控制阀保持开启。

第一换热管位于罐体外的一段上设置输送泵，且输送泵位于总阀靠罐体的一侧，输送泵与控制装置连接。控制装置接收到触发信号时增加输送泵的功率，且输送泵功率与开启控制阀的数量呈正比关系，即触发信号的累计次数越高输送泵的功率越高。功率递增的方式可以减少初始阶段少量浮动盘管启用时浮动盘管所受的内部压力，避免浮动盘管爆裂或泄露而造成安全隐患。

在罐体内设置环流叶轮及与环流叶轮连接的驱动件，环流叶轮包括呈圆柱状的转轴，驱动件包括通过螺钉固定于安装盖上的伺服电机。伺服电机位于罐体外且其输出轴与环流叶轮的转轴同轴固定，以此带动环流叶轮转动。环流叶轮的转动轴线与浮动盘管2的中心轴线重合，且环流叶轮的直径与浮动盘管的内径一致或差距范围在设定范围内。环流叶轮有多个且与浮动盘管一一对应，各环流叶轮分别位于相邻浮动盘管之间。环流叶轮用于将其下方的液体泵送至其上方，即其泵送方向竖直向上，且多个环流叶轮的泵送方向一致。由于进液管位于罐体的底部，因此低温液体会出现在环流叶轮的下方，并在环流叶轮作用下沿浮动盘管的中心通道向上流动。根据流体热运动的规律，升温的流体因为密度变小会向上浮动，并从浮动盘管2顶部流出，而顶部的液体在后续液体的推动下在罐体顶部作用下折返向下流动，形成环流，形成液体循环，以此提升换热效率。环流叶轮的叶片的偏心端设置有扰流片，扰流片有多个且沿转轴周向等角度间隔分布，扰流片呈方形长条状，竖直分布且延伸至相邻浮动盘管的支管形成的间隙内。由于该间隙是换热效率最高的区域，而扰流片的设置用于加快相邻浮动盘管之间的液体流速，以此加强紊流现象，从而提升换热效率。

3、控制方法

应用于换热器的热交换系统的控制方法包括如下步骤：

3.1采集各浮动盘管相对罐体底壁的高度值。当液面在罐体底壁上时液面高度为0，因此相对罐体底壁的高度值即液面高度值。

3.2依据各浮动盘管的高度值计算多个设定液位值。依据各浮动盘管的高度值获取液体浸没每一浮动盘管时分别所需的液面高度，并将多组液面高度值设为设定液位值。

3.3采集罐体的当前液位值。

3.4依据当前液位值与设定液位值输出操作指令。

3.5当当前液位值超过当前浮动盘管对应的设定液位值时，输出对应开启当前浮动盘管的控制阀的操作指令。

采用这种控制方法，可以通过采集各浮动盘管相对罐体底壁的高度值得到当液体浸没浮动盘管时所需的设定液位值，而通过对比液位值与设定液位值的大小可以判断液位是否达到浸没当前浮动盘管的高度，以此按照液体的注入量精准调控控制阀的开闭，实现液体的提前换热，提升换热效率。

4、工作原理

首先，工作人员通过进液管向罐体内通入低温液体，使液面高度持续升高，当液体浸没最下方的浮动盘管时，液位检测器检测到液位达到设定液位值并输出触发信号，控制装置响应触发信号控制该浮动盘管的控制阀开启，同时控制总阀开启，使热介质通过第一换热管进入最下方的浮动盘管内，并对液体进行加热。而每当液体浸没一个浮动盘管时，液面高度达到一项设定液位值，此时液位检测器输出一次触发信号，控制装置则控制被浸没的浮动盘管的控制阀开启，以此使各个浮动盘管逐步通入热介质，提高热交换面积。同时，控制装置控制输送泵的功率逐步上升，使热介质的流量增大，配合开启数量增多的浮动盘管，使热量输送量逐渐增多，从而加快换热速度，提升换热效率。

5、总结

换热器在工业生产过程中发挥重要作用，随着换热器应用领域不断拓展，市场需求趋于节能增效、环保，换热器的功能也向高效化、节能化进一步发展，技术水平不断得到突破，本文通过对热交换系统及控制方法的研究，使浮动盘管在被热介质逐渐浸没能逐步加热，提升换热效率。

参考文献

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