适用于扩散焊接混合式换热器的自动清洗装置及方法
阅读说明：本技术 适用于扩散焊接混合式换热器的自动清洗装置及方法 (Automatic cleaning device and method suitable for diffusion welding hybrid heat exchanger ) 是由 严新平 王佳伟 孙玉伟 卢明剑 丁传茂 于 2021-08-19 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种适用于扩散焊接混合式换热器的自动清洗装置,换热器的冷热流体的进出口状态参数监测模块包括翅片通道的烟气热流体物性参数的监测装置和刻蚀通道的S-CO-(2)冷流体物性参数的监测装置；分析控制模块包括换热器的效能分析模块和机械清洗装置的机械清洗控制模块；进出口状态参数监测模块的各传感器将测量的信号传送给效能分析模块进行处理,效能分析模块根据运行状态参数评估换热器的运行效能,进而判断换热器是否需要清洗；机械清洗控制模块根据效能分析模块的指令,控制机械清洗装置完成自动清洗。本发明可根据换热器的运行状态判断是否进行清洗,且换热器的清洗在换热器的封头内完成,不需要拆卸换热器。(The invention relates to an automatic cleaning device suitable for a diffusion welding hybrid heat exchanger.A monitoring module for inlet and outlet state parameters of cold and hot fluid of the heat exchanger comprises a monitoring device for physical parameters of flue gas hot fluid of a fin channel and an S-CO of an etching channel 2 A device for monitoring physical property parameters of the cold fluid; the analysis control module comprises an efficiency analysis module of the heat exchanger and a mechanical cleaning control module of the mechanical cleaning device; each sensor of the inlet and outlet state parameter monitoring module transmits a measured signal to the efficiency analysis module for processing, and the efficiency analysis module evaluates the operation efficiency of the heat exchanger according to the operation state parameter so as to judge whether the heat exchanger needs to be cleaned; and the mechanical cleaning control module controls the mechanical cleaning device to finish automatic cleaning according to the instruction of the efficiency analysis module. The invention can be changed according toThe running state of the heat exchanger judges whether to carry out cleaning, and the cleaning of the heat exchanger is finished in the end socket of the heat exchanger without disassembling the heat exchanger.)
技术领域
本发明属于换热器清洁技术领域，具体涉及一种翅片与刻蚀板扩散焊接的混合式换热器的自动清洗装置及方法。
背景技术
超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统的优良特性和对发电技术可能带来的颠覆已经受到了越来越广泛的认知，其技术研发和商业化应用进程的速度也正在逐步加快。超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统应用在船舶热机余热回收中具有广阔的前景。由于使用环境的限制，船舶热机的废热烟气与超临界二氧化碳换热的换热器不能采用传统的管壳式换热器，也不能用印刷电路板式换热器，而由翅片与刻蚀板扩散焊接而成的混合式换热器可以满足高压使用环境、高效换热、紧凑性的要求。
船舶热机的排气中除了含有氮气、二氧化碳、氧气、水蒸气等常见气体，还含有碳氢化合物、硫化物、颗粒物等。这些污垢会附着在成型翅片的传热表面上，降低换热器的换热能力，使换热器的效能降低。目前对于混合式换热器的清洁方法一般采用拆卸后进行清洗，操作繁琐，效率低下。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对上述混合式换热器清洁困难、效率低下的问题，提供一种适用于扩散焊接混合式换热器的自动清洗装置及方法，能够在不拆卸的前提下实现对换热器翅片通道的自动清洗。
本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
一种适用于扩散焊接混合式换热器的自动清洗装置，所述扩散焊接混合式换热器的换热流道包括翅片通道和刻蚀通道，所述自动清洗装置包括换热器的冷热流体的进出口状态参数监测模块、主控电脑的分析控制模块、混合式换热器的机械清洗装置；所述进出口状态参数监测模块包括翅片通道的烟气热流体物性参数的监测装置和刻蚀通道的S-CO2冷流体物性参数的监测装置；所述分析控制模块包括换热器的效能分析模块和对于机械清洗装置的机械清洗控制模块；
所述机械清洗装置包括位于换热器封头内部的清洗机、升降装置、翅片定位装置、局部密封装置，以及位于换热器封头外部的清洗液循环器；所述清洗机、升降装置、翅片定位装置、局部密封装置在翅片通道的进出口封头内各设置一套，其中，所述升降装置沿竖向安装于换热器的上端侧板与下端侧板之间，所述清洗机安装于所述升降装置上，并能沿升降装置上下移动，所述局部密封装置安装于所述清洗机上，局部密封装置与单个翅片通道的截面适配设计，所述翅片定位装置安装于所述清洗机上；所述清洗液循环器的出液口与回液口分别通过管路与翅片通道两端封头内的清洗机连通，清洗液从清洗液循环器通过封头进入清洗机，清洗完成后再从另一侧清洗机流出封头，循环往复清理；
所述进出口状态参数监测模块的各传感器均与所述分析控制模块的效能分析模块连接，将测量的信号传送给所述效能分析模块进行处理，效能分析模块根据运行状态参数评估换热器的运行效能，进而判断换热器是否需要清洗；所述机械清洗装置与所述机械清洗控制模块连接，所述机械清洗控制模块根据效能分析模块的指令，控制机械清洗装置完成自动清洗。
上述方案中，所述清洗机包括内部储液箱和清洗液喷口，所述内部储液箱通过管路与所述清洗液循环器连通，内部储液箱中的清洗液通过所述清洗液喷口喷射至翅片通道，在翅片流道清洗后，通过另一侧清洗机，回到清洗液循环器中。
上述方案中，所述升降装置包括分别设置于所述清洗机两侧的两组传动机构，每组传动机构包括安装于换热器下端侧板的支架、安装于所述支架上的下端链轮及其驱动电机、安装于换热器上端侧板的上端链轮以及安装于两个链轮之间的传动链条；所述清洗机的两侧为与所述传动链条适配的齿轮结构，在传动链条的带动下实现整体的升降运动；所述翅片通道两侧清洗机的相对位置始终保持一致。
上述方案中，所述翅片定位装置为电驱动定位器，每一层翅片通道上均设置两个定位点，当所述电驱动定位器移动至所述定位点处时，所述机械清洗控制模块根据电驱动定位器的信号控制所述升降装置停止运行，使得清洗机固定在待清洗的翅片通道进口处。
上述方案中，所述局部密封装置为移动式动密封装置，当清洗机在翅片通道处定位，移动式动密封装置开始密封，清洗结束后，密封停止。
上述方案中，所述烟气热流体物性参数的监测装置包括分别安装于混合式换热器烟气进口、烟气出口的两组流量传感器、温度传感器、压力传感器，对热流体的进出口的流量、温度、压力进行监测；所述S-CO2冷流体物性参数的监测装置包括分别安装于混合式换热器S-CO2进口、S-CO2出口的两组流量传感器、温度传感器、压力传感器，对冷流体的进出口的流量、温度、压力进行监测。
相应的，本发明还提出一种适用于扩散焊接混合式换热器的自动清洗方法，该方法采用上述装置进行清洗，包括以下步骤：
S1、通过所述进出口状态参数监测模块监测翅片通道的烟气热流体物性参数和刻蚀通道的S-CO2冷流体物性参数，所述物性参数包括流体的流量、温度、压力；
S2、所述效能分析模块将传感器的信号处理成所需的数据，通过分析换热器冷热流体的进口流量、温度、压力状态，得出换热器的理论传热系数；然后分析换热器的冷热流体的进出口状态，得到换热器实际传热系数，进而得出换热器的实际效能；当换热器实际效能低于预设效能时，停止换热器的烟气热流体的进入，通过所述机械清洗控制模块控制所述机械清洗装置开展清洗工作；
S3、所述机械清洗装置接到清洗指令后，首先通过所述升降装置和翅片定位装置找到需要清洗的翅片的位置，并进行密封，将需要清洗的翅片通道外界环境隔离开；然后清洗液从进口端清洗机的喷口喷出，通过翅片通道并进行清洗，清洗完成后清洗液回到出口端清洗机中，再通过清洗机进行吹空；
S4、通过所述升降装置和翅片定位装置将清洗机调节至下一组翅片通道位置，并按照S3所述方式对该翅片通道进行清洗；直至完成所有翅片通道的清洗；在清洗过程中通过所述机械清洗控制模块调节清洗与吹空时间，确保清洗效果。
上述方法中，步骤S2中，混合式换热器的理论传热系数由以下公式计算得到：
其中，K1为混合式换热器的理论传热系数(以翅片侧为基准)，h1为翅片通道的对流换热系数，h2为刻蚀通道的对流换热系数，A1为翅片通道的换热面积，A2为刻蚀通道的换热面积，δ为金属壁厚，λ为金属的导热系数；
式(1)中，h1和h2均通过下式计算：
其中，h为对流换热系数，Nu为努塞尔数，K为静止流体的导热系数，D为水力直径；
式(2)中，Nu通过以下公式计算：
Nu＝aRebPrc (3)
其中，Re为雷诺数，可以由流体的进口状态以及流道的结构计算得到；Pr为普朗特数，可以根据流体状态查到；系数a、b、c为定值，可以查找传热关系式得到。
上述方法中，步骤S2中，混合式换热器的实际传热系数的计算方法如下：
1)混合式换热器的实际的传热量
Q1＝m1(h1,i-h1,o)
Q2＝m2(h2,o-h2,i)
其中，Q1为翅片内流体的放热量，Qx为刻蚀板内流体的吸热量，Qave为冷热流体的传热量，m1为翅片通道内流体的质量流量，m2为刻蚀通道内流体的质量流量，h1,i、h1,o分别为翅片通道流体的进口和出口焓值，h2,i、h2,o分别为刻蚀通道流体的进口和出口焓值；
2)混合式换热器的实际传热系数
其中，K0为混合式换热器的实际总传热系数；A1为翅片通道的换热面积；ΔTLMTD为对数平均温差，采用下式计算：
其中，Th,i为翅片侧进口温度，Th,o为翅片侧出口温度，Tc,i为刻蚀板侧进口温度，Tc,o为刻蚀板侧出口温度。
上述方法中，步骤S2中，混合式换热器的实际效能采用下式计算：
其中当0≤η≤0.8时，判断换热器需要清洗；当0.8＜η≤1时，判断换热器不需要清洗。
本发明的有益效果在于：
1、本发明提供了一套完整的应用于混合式换热器自动清洗装置和方法，可以根据换热器的运行状态判断是否进行清洗。并且换热器的清洗在换热器的封头内完成，不需要拆卸换热器，减少了人工繁琐操作，保证了混合式换热器能够高效的运行。
2、本发明能够对于换热器的冷热流体进出口状态参数进行准确有效的采集，基于这些运行状态参数评估换热器的运行效能，判断换热器是否需要清洗流道内部的污垢。换热器的机械清洁部分，在接到主控电脑的清洗指令后，通过升降装置和翅片定位装置能够准确的定位换热器的翅片通道，并进行局部密封和翅片清洗。该组流道清洗完成后，清洗下一组流道。在某些船舶主机排气烟气比较多的时候(烧重油、渣油)，换热器的机械清洁部分也可以增加清洗每层流道的时间和清洗液的注入量，保证换热器的效能始终在预设的效能之上。
3、对于翅片的内部流道进行化学清洗，清洗液采用自循环，清洗进行吹空处理，不会进入到翅片中的流体中，对环境的污染小。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明适用于扩散焊接混合式换热器的自动清洗装置的整体结构示意图；
图2是图1所示自动清洗装置的机械清洗装置在进口处的装配示意图。
图中：10、机械清洗装置；11、清洗机；111、内部储液箱；112、清洗液喷口；12、升降装置；121、支架；122、链轮；123、传动链条；13、翅片定位装置；14、局部密封装置；15、清洗液循环器；
200、换热器；201、翅片；202、刻蚀；203、隔板；204、封头；205、侧板；206、定位点。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，为本发明实施例提供的一种适用于扩散焊接混合式换热器的自动清洗装置，扩散焊接混合式换热器200的换热流道包括翅片201通道和刻蚀202通道，自动清洗装置包括换热器的冷热流体的进出口状态参数监测模块、主控电脑的分析控制模块、混合式换热器的机械清洗装置10。进出口状态参数监测模块包括翅片通道的烟气热流体物性参数的监测装置和刻蚀通道的S-CO2冷流体物性参数的监测装置。分析控制模块包括换热器的效能分析模块和对于机械清洗装置10的机械清洗控制模块。
如图2所示，机械清洗装置10包括位于换热器封头内部的清洗机11、升降装置12、翅片定位装置13、局部密封装置14，以及位于换热器封头外部的清洗液循环器15。清洗机11、升降装置12、翅片定位装置13、局部密封装置14在翅片通道的进出口封头204内各设置一套，其中，升降装置12沿竖向安装于换热器的上端侧板205与下端侧板205之间，清洗机11安装于升降装置12上，并能沿升降装置12上下移动，局部密封装置14安装于清洗机11上，局部密封装置14与单个翅片通道的截面适配设计，翅片定位装置13安装于清洗机11上。清洗液循环器15的出液口与回液口分别通过管路与翅片通道两端封头内的清洗机11连通，清洗液从清洗液循环器15通过封头进入清洗机11，清洗完成后再从另一侧清洗机11流出封头，循环往复清理。
进出口状态参数监测模块的各传感器均与分析控制模块的效能分析模块连接，将测量的信号传送给效能分析模块进行处理。机械清洗装置10与机械清洗控制模块连接，通过机械清洗控制模块实现自动清洗。机械清洗控制模块通过对翅片定位装置13和清洗机11的控制，完成对于清洗的智能控制，包括清洗流道的顺序，清洗每一组翅片流道的时间，清洗每一组翅片流道的清洗液的流量等。
进一步优化，本实施例中，清洗机11用于完成清洗液的喷出和回收，包括内部储液箱111和清洗液喷口112等，内部储液箱111通过管路与清洗液循环器15连通，内部储液箱111中的清洗液通过清洗液喷口112喷射至翅片通道，在翅片流道清洗后，通过另一侧清洗机11，回到清洗液循环器15中。
进一步优化，本实施例中，升降装置12包括分别设置于清洗机11两侧的两组传动机构，每组传动机构包括安装于换热器下端侧板的支架121、安装于支架121上的下端链轮122及其驱动电机(图未示)、安装于换热器上端侧板的上端链轮122以及安装于两个链轮122之间的传动链条123。清洗机11的两侧为与传动链条123适配的齿轮结构，在传动链条123的带动下实现整体的升降运动。翅片通道两侧清洗机11的相对位置始终保持一致。
进一步优化，本实施例中，翅片定位装置13为电驱动定位器，用于对需要清洗的翅片流道进行定位。每一层翅片通道上均设置两个定位点206，当电驱动定位器移动至定位点206处时，机械清洗控制模块根据电驱动定位器的信号控制升降装置12停止运行，使得清洗机11固定在待清洗的翅片通道进口处。
进一步优化，本实施例中，局部密封装置14为移动式动密封装置，用于隔离烟气热流体，使该组翅片流道与清洗机的喷口相连。当清洗机11在翅片通道处定位，移动式动密封装置开始密封，清洗结束后，密封停止。
进一步优化，本实施例中，烟气热流体物性参数的监测装置包括分别安装于混合式换热器烟气进口、烟气出口的两组流量传感器、温度传感器、压力传感器，对热流体的进出口的流量、温度、压力进行监测。S-CO2冷流体物性参数的监测装置包括分别安装于混合式换热器S-CO2进口、S-CO2出口的两组流量传感器、温度传感器、压力传感器，对冷流体的进出口的流量、温度、压力进行监测。
进一步优化，本实施例中，清洗液的主要成分为有机酸、缓蚀剂、表面活性剂和清水的混合物。
相应的，本发明还提出一种适用于扩散焊接混合式换热器的自动清洗方法，采用上述装置进行清洗，包括以下步骤：
S1、通过进出口状态参数监测模块监测翅片通道的烟气热流体物性参数和刻蚀通道的S-CO2冷流体物性参数，物性参数包括流体的流量、温度、压力。
S2、效能分析模块将传感器的信号处理成所需的数据，通过分析换热器冷热流体的进口流量、温度、压力状态，得出换热器的理论传热系数。然后分析换热器的冷热流体的进出口状态，得到换热器实际传热系数，进而得出换热器的实际效能。当换热器实际效能低于预设效能时，停止换热器的烟气热流体的进入，通过机械清洗控制模块控制机械清洗装置10开展清洗工作。
具体的，混合式换热器的理论传热系数由以下公式计算得到：
其中，K1为混合式换热器的理论传热系数(以翅片侧为基准)，h1为翅片通道的对流换热系数，h2为刻蚀通道的对流换热系数，A1为翅片通道的换热面积，A2为刻蚀通道的换热面积，δ为金属壁厚，λ为金属的导热系数。
式(1)中，h1和h2均通过下式计算：
其中，h为对流换热系数，Nu为努塞尔数，K为静止流体的导热系数，D为水力直径。
式(2)中，Nu通过以下公式计算：
Nu＝aRebPrc (3)
其中，Re为雷诺数，可以由流体的进口状态以及流道的结构计算得到。Pr为普朗特数，可以根据流体状态查到。系数a、b、c为定值，可以查找传热关系式得到。
混合式换热器的实际传热系数的计算方法如下：
1)混合式换热器的实际的传热量
Q1＝m1(h1,i-h1,o)
Q2＝m2(h2,o-h2,i)
其中，Q1为翅片内流体的放热量，Q2为刻蚀板内流体的吸热量，Qave为冷热流体的传热量，m1为翅片通道内流体的质量流量，m2为刻蚀通道内流体的质量流量，h1,i、h1,o分别为翅片通道流体的进口和出口焓值，h2,i、h2,o分别为刻蚀通道流体的进口和出口焓值。
2)混合式换热器的实际传热系数
其中，K0为混合式换热器的实际总传热系数；A1为翅片通道的换热面积；ΔTLMTD为对数平均温差，采用下式计算：
其中，Th,i为翅片侧进口温度，Th,o为翅片侧出口温度，Tc,i为刻蚀板侧进口温度，Tc,o为刻蚀板侧出口温度。
混合式换热器的实际效能采用下式计算：
其中当0≤η≤0.8时，判断换热器需要清洗；当0.8＜η≤1时，判断换热器不需要清洗。
S3、机械清洗装置10接到清洗指令后，首先通过升降装置12和翅片定位装置13找到需要清洗的翅片的位置，并进行密封，将需要清洗的翅片通道外界环境隔离开。然后清洗液从进口端清洗机11的喷口喷出，通过翅片通道并进行清洗，清洗完成后清洗液回到出口端清洗机11中，再通过清洗机11进行吹空，吹净清洗液。
S4、通过升降装置12和翅片定位装置13将清洗机11调节至下一组翅片通道位置，并按照S3方式对该翅片通道进行清洗，直至完成所有翅片通道的清洗。在清洗过程中通过机械清洗控制模块调节清洗与吹空时间，确保清洗效果。
进一步优化，烟气热流体的污垢较多时，可以设置清洗装置开展循环清洗。设置的参数包括清洗翅片流道的方向，清洗每组翅片流道的清洗时间，清洗液的注入量等等，保证换热器的清洗效果。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
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