板式換熱器作為一種高效節能的換熱產品已經廣泛應用于各行各業中，針對不同的行業和用途，在設計選擇方案是會面臨各種各樣不同的工作介質，因此針對不同的工作介質，如何選取板式換熱器污垢系數或面積余量成為每一個設計者必須面對的課題。現將一些產品設計方面的體會拿出來與大家共享。

 一、板式換熱器設計過程中污垢系數與面積余量二者的關系和區別
             
      說到污垢系數首先要講一下污垢是如何形成的。結垢是換熱器運行中最為常見的一個問題。結垢是指工作介質在經過換熱器長期流動過程中，含有的雜質和鈣鎂離子固化后在換熱器表面附著沉積，從而在換熱器表面形成一層污垢，進而阻礙能量通過換熱壁面進行傳遞。污垢可以降低換熱效率，阻礙介質流動，并會增大換熱器壓降。考慮到多方面的操作問題，在設計階段必須適當的考慮換熱表面會形成結垢的因素，才有可能將污垢的影響降至最低，從而盡可能延長換熱器使用周期。
      通常在設計一臺換熱器運行一段時間可能產生的污垢時，設計者采用污垢系數來表示污垢對換熱器整體使用效果的影響，從而提高換熱器的壽命，運行時間和效率。這通常會增加換熱器的面積。在很多應用中，比如一些工作介質因為含有一些雜物而不是特別干凈，又要長期連續運行。換熱器會連續使用很長的周期而不進行清洗。這就意味著換熱器必須長時間保持工作效率。我們只有通過提高換熱器的設計污垢系數來補償污垢的影響，使得換熱器在結垢的狀態下仍能有效工作到預期的時間。
      面積余量則是板式換熱器中一種表示富裕面積的度量。與污垢系數相比更能直接表示設計者進行方案設計的意圖，直觀地表達了該設計方案預留了多少的操作空間。總的來講，它比規定一個污垢系數更為有效。這種污垢系數常用在管殼式換熱器中，但對板式換熱器，往往引起誤解。
      因此，簡單的說，面積余量和污垢系數對換熱器而言表達了同樣的內容，只是表達的方式和側重點不同，但切記不要二者同時考慮（個別案例除外）。污垢系數對管殼式換熱器更容易表達設計者的意圖。在管殼式換熱器中，污垢系數通常用來補償污垢產生的影響。由于比較低的內部流速，平整的管壁無法在低流速時形成非常好擾動狀態，因此管殼式換熱器更容易結垢，而結垢也是影響管殼式換熱器設計面積的主要因素。對于結垢或損壞的管子，一般采用焊接或機械堵塞的方法修補破損的中的個別管束。在換熱器的整個使用壽命中，會有越來越多的管束被封堵，直到其性能降至不可用。因此，會準備大量多余的管子以保證換熱器的壽命。

      而對板式換熱器而言，因為其自身的優勢，拆裝比較方便，不象管殼式換熱器那樣一旦管束結垢堵塞或破損只能靠堵死該流道來避免使用事故。板式換熱器則可以在結垢比較嚴重或板片出現破損的情況下拆開清理垢層或換掉破損的板片即可。所以說板式換熱器無需靠增大過多的富裕面積來滿足實際使用工藝，另外過多的富裕面積還會增大換熱板片表面結垢的傾向。增加的板片越多，流經換熱板片表面的流速就會越低。板式換熱器相比比管殼式換熱器而言，在相同的條件下能夠達到更好的內部湍流效果，因為其換熱板片是由模具壓制出來的帶有一定深度和角度的波紋板片，兩片換熱板會組合出帶有無數觸點的流體通道，這樣工作介質在里面以一定的流速流動時會加強擾動，形成非常好湍流效果，產生一種自清洗效果，這也是板式換熱器總體來說不易結垢的原因。當因為考慮污垢系數而加大換熱面積，換熱板片內部流速降至非常低時，板間的流動狀態就會由湍流狀態變成層流狀態，這時自清洗功能就會喪失，反而使得板式換熱器更加容易結垢，進一步影響實際使用效果。這里舉個例子，美國管式換熱制造商協會（TEMA）規定的一種冷卻塔管殼式換熱器污垢系數為0.001m2·℃/W時，相當于板式換熱器需要增加大約75%的面積。這會導致板式換熱器非常低的板間流速，進而致使更大的結垢傾向。而實際使用中在必要時我們還可以替換和清洗單個的板片，過多的面積則沒有太多必要，這只會增加板式換熱器的成本。另外，過多的換熱面積還會增加設備維修的頻率。

 二、板式換熱器設計過程中對污垢系數或面積余量的選取原則
      上面詳細討論了污垢系數和面積余量對換熱器的影響和作用，尤其論述了二者對板式換熱器的影響和作用。說到在板式換熱器設計過程中考慮污垢的影響，就要了解結垢的類型和特點，然后針對不同類型分別考慮其影響。結垢有多種類型，每種污垢的形成都取決于流體和工藝的類型。以下是幾種比較常見的結垢理論：
      “結晶”是最為常見的一種結垢形式。自然水中含有鹽份隨著溫度的降低，溶解度逐漸增大。因此，當自然水在換熱過程中被加熱時，這些溶解的鹽就會在表面結晶。通常解決方法：降低換熱器壁面溫度會軟化沉積物。
      “沉積”也是比較常見的形成污垢的方式，如果工作介質中含有灰塵、泥沙、鐵銹等其它小物體沉淀，也會在通道壁長期附著形成垢層。常見的解決辦法是通過換熱器的流速設計可以在某種程度上加以控制。［通常解決方法：控制流速］
      “有機微生物的滋長”也是導致通道結垢堵塞的因素，常見的工藝是海水和其它介質換熱時，其含有的有機微生物會在通道壁面附著滋生，積累到一定程度會形成垢層進而導致板片嚴重損壞。［通常解決方法：合理選擇材料和考慮其形成污垢造成的影響］
      “化學反應焦化”即出現在高溫下碳化氫的沉淀。這種結垢現象主要發生在制糖工藝和糧食深加工及食品等行業，由于這些工藝中換熱介質一般粘度比較大，固體含量較高，含糖量高等特點，在換熱過程中壁溫較高一些，往往會出現焦化結疤的情況。［通常解決方法：降低流體和換熱器表面之間的溫度］
      “腐蝕”也可以歸結為局部結垢造成的板片失效現象，主要是破壞換熱器的板片表面結構，造成設備使用失效重大損失。除非得到合理解決，否則會降低熱量交換并損壞設備。［通常解決方法：合理選擇材料］
      “凍結”—換熱器表面的過冷導致一些流體流動部分的凝固。主要是低溫狀態下板壁表面的溫度低于工作介質的冷凝點，就會出現凍結結垢的現象。［通常解決方法：降低流體和換熱器表面的溫度梯度］

      了解到換熱器使用過程中可能出現的結垢情況，我們就要在設計和使用過程中盡可能使得產品避免結垢或結垢最小化。因此在進行板式換熱器方案設計時，有一個原則就是設計時要盡可能的降低結垢的影響，盡可能在實際操作過程中使得結垢最小化。
      設計時要盡可能的降低結垢的影響
      在一臺指定的換熱器中，當設計者需要算出期望的結垢數量時，可以采用很多方法進行調節。
      （1）高程度的湍流可以阻止換熱器表面的沉積，還可以幫助清洗任何污垢。所以確保設計足夠高的速率以減輕結垢，但也不能太高以避免發生磨蝕現象。
      （2）嘗試保持整個換熱器中相同的高速率可以避免沉積出現。盡量減少低速率區和滯流區死角的出現，避免局部結垢出現。
      （3）應考慮設備清洗的頻率，并盡量使清洗方便進行。
      （4）對于板式換熱器要選擇合適的框架尺寸，以保證在由于結垢降低換熱性能時，可以通過增加板片來增加換熱面積。
      使用過程中使結垢最小化
      結垢取決于換熱器的類型和介質的種類。對于不同的設計和傳熱介質，各種換熱器會有不同的結構形式。管殼式換熱器中管程通常容易清洗，而殼程不易。板式換熱器可以同時拆開兩側進行清洗。一些換熱器可以在停機的每個晚上進行清洗，而有些換熱器要隔幾個月甚至一年才能清洗。為了降低換熱器中的結垢程度，應盡可能的對設備進行清洗。如果板式換熱器受到污垢的影響，在框架空間允許的情況下，可以增加多余的板片以重新得到要求的性能。
      在掌握了上述板式換熱器針對結垢的設計原則后，我們基本上可以對每一個具體的工藝條件和應用場合進行具體分析，選擇合適面積余量，個人意見針對常見的水水換熱器，板式換熱器面積余量取10～15%足夠了，一些比較純凈的介質如軟化水蒸餾水等面積余量取0～5%；對于一些高粘度但比較干凈的的介質，只要不含固體顆粒或粉末裝物質，如一些潤滑油和有機溶劑類介質，設計面積余量取15～20%足夠；對于比較特殊的高粘度且含有部分固體顆粒的介質，則要比較慎重，首先確定該工藝能夠使用板式換熱器，然后再考慮設計余量的選擇。在可以使用的情況下，則要考慮稍微大一些的面積余量，否則設備的清洗會非常頻繁，如聚酯行業，由于工作介質里面含有大量的聚酯顆粒，因此設計方案要考慮30～50%的面積余量，才能保證設備較長時間的連續運行。當然板式換熱器應用的情況非常復雜，也可以根據合適污垢系數來設計方案。下附針對不同工作介質板式換熱器的污垢系數取值表僅供參考。

三、結束語
      總而言之，隨著板式換熱器技術不斷的發展，其應用領域和適用的工藝條件也在不斷的更新的發展。設計者面臨的問題也會千變萬化，隨時都會面對新的工藝或應用領域，因此設計方案也應該針對具體的工藝做針對性的改變，借鑒前人的經驗固然重要，但在總結前人經驗的基礎上創新進取，繼續拓展板式換熱器的設計理念和應用實踐更應該是我輩中人所為。==蘭州蘭石換熱設備有限責任公司 何滿紅 王曉晨

參考文獻：
      ［1］楊崇林，張明石，王中錚等《板式換熱器工程設計手冊》，北京，機械工業出版社
      ［2］GB 16409-1996，《板式換熱器》