前言

在傳統甘蔗糖廠的生產過程中，糖汁的加熱和蒸發濃縮是 2 個關鍵步驟，它們對糖產量和糖汁質量具有重要影響。傳統上，糖汁加熱主要依賴于多程列管式加熱器，而蒸發濃縮則主要使用羅伯特式蒸發罐。列管式加熱器因其結構簡單、操作維護便捷以及清洗除垢方便等優點而被廣泛應用。然而，這種加熱器在傳熱效能方面存在一定的局限性，且占地面積相對較大。

隨著制糖行業的不斷進步和創新，部分制糖企業開始探索和引進新的加熱技術。板式換熱器作為一種新型的熱交換設備，因其卓越的換熱性能和緊湊的設備結構，在制糖行業內獲得了認可和青睞[1]。板式換熱器通過其獨特的板式結構，實現了高效的熱交換，同時減小了設備的體積，有助于提高糖廠的產能和效率。本文通過介紹板式換熱器的結構以及在糖廠的應用效果，分析了其在制糖行業中的優勢和潛力，探討了國產板式換熱器在實際生產中的性能表現及其對糖廠節能減排、提高生產效率的貢獻，以期為制糖企業提供技術選擇和設備更新的參考依據，促進制糖行業的可持續發展。

1、 板式換熱器

1.1 板式換熱器結構

板式換熱器，即按照特定的間隔，由多層傳熱板片利用焊接或橡膠墊片進行壓緊后得到的換熱設備。按不同的加工工藝，它歸結為可拆式、全焊接不可拆式等。半焊接式換熱器，即介于二者之間，也就是 2 種流體均為獨立形成的結構體。板片焊接或是組裝，若遵從兩兩交替原則，則必須交替排列。

為擴大換熱板片面積及其剛性，將換熱板片沖壓成不同的波紋形狀。以 V 型溝槽為主，當流體處于低流速狀態時，其傳熱效果較為理想。板上 4 個角孔，均已分別設置分配管、泄集管，依次流入 2 種換熱介質，以促進熱量交換，如圖 1 所示。

1.2 板式換熱器的特點

1.2.1 板式換熱器的優點[2]

在制糖行業中，板式換熱器作為一種高效的傳熱設備，其典型特點是采用可拆式板式設計。換熱板片通常由 0.6～0.8 mm 厚的不銹鋼材料制成，與傳統的管殼式換熱器中 2 mm 厚的管子相比，板式換熱器在傳熱過程中需要的溫差(T-t)較小，導致了顯著的傳熱效率提升，如圖 2 所示。此外，板式換熱器具有體積小巧的優點，其尺寸約為管殼式換熱器的五分之一，不僅減少了所需的金屬材料量，還有助于節約土地占用，降低土建投資成本。板式換熱器的組裝具有高度靈活性，它能夠方便地進行擴展，有利于有效控制生產成本。同時，由于其設計特性，板式換熱器不易結垢，簡化了維護工作。最后，板式換熱器具有快速響應的特點，熱輻射損失較低，這些優勢使它在制糖行業的應用中表現出色。

1.2.2 板式換熱器的缺點

在板式換熱器的應用中，可拆式板式換熱器通常采用膠條密封，導致其承壓能力和耐溫能力相對較弱。這類換熱器的運行溫度通常小于 200℃。由于這些局限性，可拆式板式換熱器的工藝要求嚴格，成本也較高。在工礦企業和集中供熱換熱站中，可拆式板式換熱器可能是一個可考慮的選擇。然而，對于生活用熱水和室內空調等應用，全焊接式板式換熱器往往更受青睞。隨著焊接技術的創新和改進，大功率換熱器逐漸采用全焊接工藝，使得換熱器的結構更為緊湊和合理。

1.3 板式換熱器在糖業中的應用

1.3.1 用于混合汁加熱

用于加熱混合汁，當換熱器停機打開時，其內部可見較多的泥沙、蔗糠，板面上留有一層積垢，不過，相比管式加熱器明顯要少。另外，安裝反沖洗裝置后即可多次沖洗，一天沖洗 1 次，將沉積物沖出。針對混合汁這類物料，縫隙較大的板式換熱器有更加理想的效果。經測算，一家 9200 t/d 產能的甘蔗糖廠，其車間多余混合熱水溫度達到 80℃時，熱水量約 120 t/h。如這些熱水不能得到合理應用，則要經過高溫冷卻后方可外排，導致較多的熱能、電能的浪費。為促進能量回收，有必要增加板式換熱器，將熱水充當熱源用以取締部分Ⅳ效汁汽來完成混合汁加熱，將板式換熱器高效傳熱的優勢進行科學應用。

1.3.2 用于清汁加熱

考慮到制糖廠在持續地擴建，其產能也大幅地提升。受場地位置、投資規模的影響，大多數制糖廠無法對清汁加熱系統作出良好的擴能，導致清汁加熱面積不足，清汁無法達到蒸發入罐，影響蒸發能效，嚴重時還會影響生產能力的提高。目前的板式換熱器加熱清汁，其傳熱性能相比管式要高出 2倍左右。所以，傳熱面積有助于減少 50%甚至更多，而且板式換熱器具有易于安裝、投資小、效率高等優點。板式換熱器性能優良，挨著I效蒸發罐時，I效汁汽加熱能夠使清汁溫度接近于汁汽溫度，僅低3～5℃，易滿足沸點入罐的需求，具有較好的節能效果。

1.3.3 用于蒸發系統

蒸發系統可謂是糖廠的二次鍋爐，系統在耗費蒸汽的同時，還將釋放出二次蒸汽。近年，隨著制糖行業精細化管理的深入，以及對節能工作的重視度越來越高，各廠對能耗指標提出嚴格的要求，汁汽往后抽和提高榨蔗量的生產模式日漸成為糖廠的效益目標。但是，隨著糖廠不斷的技改升級和生產擴能，使原有蒸發系統的蒸發面積顯得更加捉襟見肘，不論抽汽模式還是增加榨蔗量，均會給蒸發系統帶來新的挑戰，使其陷入超負荷運行，影響節能提升。同時因配套的蒸發樓場地有限，不利于蒸發系統后續的擴建改造。該情況下，板式換熱器能夠妥善地解決上述問題。以板式換熱器為核心的板式換熱蒸發系統，可作為一個輔助蒸發罐，對蒸發面積進行彌補。在蒸發系統中，它相當于一個擴展型設備，有重要的支撐作用。

2、 公司未采用板式換熱器的換熱工序現狀分析

2.1 混合汁加熱工序

紅河制糖有限公司制煉車間現有的混合汁加熱器為 4 個 500 m² 列管式加熱器，加熱面積為 2000 m²，原使用汽源為Ⅲ、Ⅳ、V 效汁汽。受制于蒸發面積不足，各效蒸發罐汁汽壓力及溫度明顯偏低，過多抽取汁汽使用時嚴重影響蒸發效能，用汽能耗高，節能降耗效果較差。另外車間共有富余混合熱水量約 130～140 t/h，溫度 80℃左右熱水需冷卻后外排，此部分熱源不但未得到應用，還需要用高溫冷卻塔進行冷卻后方可外排，導致較多的熱能、電能的浪費。

2.2 清汁加熱工序

紅河制糖有限公司原只有 2 臺 500 m² 列管式清汁加熱器，滿負荷生產至 9200 t/d 時，使用 I 效汽和廢汽加熱，清汁加熱后溫度 115℃左右，無法滿足蒸發入罐的要求。當輪洗一個清汁加熱器時，清汁加熱溫度只有 110℃左右，就更達不到蒸發入罐的要求，給蒸發效能和滿負荷生產帶來較大影響。

2.3 蒸發系統

紅河制糖有限公司原蒸發系統為五效真空壓力蒸發，各蒸發罐面積為 3000、3000、3000、2000、2000、1600 m2，當榨量達到 9200 t/d 時，蒸發系統換熱面積與蔗比為 1.25～1.41，與先進制糖公司的1.7 相比存在極大差距，實際生產中糖漿錘度也難以保證。當轉罐輪洗停一個 3000 m2 的蒸發罐時，蒸發系統更顯吃力，為此公司榨量難以突破 9200 t/d。

3 、板式換熱器在紅河制糖公司中的應用

3.1 工藝流程

3.1.1 混合汁板式換熱器

為更好地利用好熱水熱能，緩解蒸發面積不足的問題，提高產能，做好節能降耗工作，紅河制糖有限公司于 2022 年檢修期新增加一套換熱面積為250 m² 的混合汁寬道板式換熱器，利用富余的工藝熱水加熱混合汁。2022/23 年榨季滿負荷生產時，榨量達 9700 t/h，榨季使用加熱的熱水溫度為 80～85℃，經過換熱后的出水溫度約 40～45℃。正常氣候條件下，壓榨混合汁進加熱器前溫度為 15～23℃，出汁溫度 30～37℃，對數溫差 21.85 K，總換熱量約 8942kW/h，混合汁進汁量 360～380 m³/h，熱水量 130～140 m3/h，故可回收的熱能和節約蔗渣約為：4.2×103×(80-40)×140=23520×103 kJ/h設汁汽的汽化潛熱為 2350×103 kJ/t，則可少抽用汁汽量：

(23520×103)÷(2350×103)≈10 t/h

在蒸發糖漿錘度不變的情況下，當噸渣產汽量為 2.5 t，蔗渣打包率可提升：

10÷2.5÷9700×24×100%≈0.99%

按紅河制糖有限公司近年來平均榨量 85 萬 t、蔗渣價格 400 元/t 計算，可創造效益為：850000×0.99%×400÷10000=336.6 萬元同時外排水水溫可降低至 40℃以下，可直接供

給低溫冷凝水的工序，多余部分則無需冷卻直接外排，節省大量電能，減少新鮮水耗用量。

3.1.2 清汁板式換熱器

2022 年檢修期，紅河制糖有限公司新增加 1 臺清汁板式換熱器，換熱面積為 200 m2，利用I效汁汽或者廢汽加熱。作為清汁一級利用I效汁汽，可將清汁加熱至 112℃，作為清汁二級利用廢氣可將清汁加熱至 120℃以上，輪洗一個列管式加熱器時，使用 I 效汁汽和廢汽加熱清汁，也能有效保證清汁加熱溫度高于 120℃，基本達到沸點入罐要求，有效解決列管式加熱器輪洗時加熱面積不足造成入罐清汁溫度偏低的問題，同時緩解蒸發面積不足問題。

3.1.3 板式換熱蒸發系統

蒸發罐的運作是一個靠加熱汽源持續加熱蔗汁沸騰揮發水分的過程，板式換熱蒸發系統雖然加熱、沸騰設備是分離、單獨運作的，但實際使用中，板式換熱器加熱后送往閃蒸罐的物料呈水汽混合物狀態。紅河制糖有限公司將該套系統安裝于Ⅱ效蒸發罐之后，大幅提高了Ⅱ效的蒸發能力。滿負荷生產至9700 t/d 時，進入第Ⅱ效(含板式換熱蒸發系統)的物料流量約為 275 m3/h，采用約 117℃的I效汁汽作為熱源，當沒有使用板式蒸發系統時，列管式蒸發罐的換熱面積為 3000 m2，Ⅱ效蒸發水量約為 23%，則實際能蒸發水量為：

9700÷24×23%≈93 t

因板式換熱器所需傳熱溫差極低，傳熱效率約為列管加熱器的 1.6 倍以上，當 400 m2 換熱面積的板式換熱蒸發系統與Ⅱ效蒸發罐串聯使用時，則可增加的蒸發水量計算如下：

400×1.6÷3000×93≈19.84 t

其中，板式換熱蒸發系統的單位面積換熱效率取列管蒸發罐單位面積換熱效率的 1.6 倍。

另外，蒸發糖漿錘度可提高 2～3 °Bx。

3.2 效果分析

表 1 為滿負荷生產時，混合汁板式換熱器使用前后效果比對情況，結果表明：回收富余熱水熱量后，在混合汁流量從 360～375 m3/h 提升至 380～400m3/h 的情況下，末效汁汽抽用量減少了 5 t/h，Ⅳ效汁汽抽用量減少了 5.3 t/h，混合汁加熱溫度從 66～68℃提升至 67～71℃大大降低了能耗。板式換熱器使用正常時，能充分利用多余熱水對混合汁進行加熱，可節約蒸汽 10 t/h，提高蔗渣打包率 0.99%，一個榨季增加效益約 336.6 萬元。表 2 為滿負荷生產時，清汁板式換熱器使用前后效果比對情況，結果表明，清汁板式換熱器換熱效率相比于列管式加熱器更高，在清汁流量提升至 400～420 m3/h 時，使用廢汽加熱能將清汁溫度加熱至 121～123℃。作為清汁一級利用I效汁汽加熱，可將清汁加熱至 112℃左右，作為清汁二級利用廢汽加熱可將清汁加熱至121～123℃(紅河制糖公司將板式換熱器作為二級加熱使用)，有效保證了清汁沸點入罐，提高I效蒸發的效率。表 3 為滿負荷生產時，Ⅱ效板式蒸發器使用前后效果比對情況，結果表明，使用板式蒸發罐后，蒸發系統的蒸發水量更大，糖漿錘度更高，在清汁流量提升至 400～420 m3/h 的情況下，蒸發系統仍能夠滿足生產使用。作為板式換熱蒸發系統輔助蒸發罐使用時，能緩解蒸發面積不足問題，可提高蒸發處理能力和蒸發效能，確保糖漿錘度穩定達標。

3 套板式換熱設備的正常運行，使多余的熱水得到充分利用，達到更好的節能減排，同時使蒸發能力不足的瓶頸問題得到有效化解。滿負荷生產時，日榨量由原來的 9200 t/d 提高至 9700 t/d，蒸汽與蔗比也從之前的 37.5%下降到了 34.5%，蔗渣打包率由7.5%左右提高至 9.2%左右，取得較好的節能降耗和擴能增效的效果。經榨季使用，設備均能正常運行，無滲漏、故障，達到預期效果。

4 、板式換熱器的拆裝與清洗

4.1 板式換熱器的裝置特點及注意事項

4.1.1 混合汁板式換熱器

將板式換熱器用于混合汁加熱時，為保證熱水的充分利用，應當將板式蒸發器事先安裝于混合汁第一級加熱，結合收集的熱水流量、溫度，計算出板式換熱器的面積，以達到緩沖保護之目的。由于混合汁板式換熱器因處于低溫狀態下，不易產生積垢，僅有少量蔗糠泥垢。正常生產使用的情況下，崗位工需經常檢查板式換熱器物料進口壓力情況，一般情況下物料進口管壓力達到 0.20 MPa 時，壓榨的混合汁泵頻率達 45 Hz 以上，負荷較重，需要進行反沖操作。根據實際使用情況，沖洗周期約為 2 h/次即可，崗位工巡回檢查發現壓力過高時則需要馬上反沖。因反沖操作只能沖出加熱器內沉渣，并不能消除板片上的積垢，故春節長時間停機或榨季結束后再進行一次拆洗，使用效果會更佳，其工藝流程見圖 3。

4.1.2 清汁板式換熱器

將板式換熱器用于清汁加熱時，其 I 效汽、廢汽均高于 115℃，清汁溫度同樣也高于 95℃，板面上可能留下積垢。所以，設計時應當考慮流量、粘附等問題。結合通道特點，優先選擇防積垢粘附的材質、通道。換熱器必須挨著蒸發罐，縮短清汁、汁汽各自的管路，以控制熱輻射損失引起的溫度降。

最好不使用換熱器、蒸發罐二者的閥門控制，防止蒸發罐關小入汁閥時，物料壓力上升引起水錘現象。進汁量減少時，應當關小進汽(或熱水)閥，防止器內溫度、壓力過高。

4.1.3 板式換熱蒸發系統

板式換熱蒸發系統的作用是對蒸發面積進行擴展，這種擴展不是在蒸發罐本體進行，而是在蒸發罐的外部進行擴展輔助，所以在設計時也要考慮板式換熱器蒸發系統功能的完整性，系統一般需要配備獨立的閃蒸罐(過熱物料沸騰蒸發水分的場所)、捕汁汽、入料泵、各類閥門管路、電儀設備等。系統與蒸發罐配合使用時根據不同的設備情況延伸出2 種安裝形式：串聯、并聯。當板式換熱器蒸發系統與蒸發罐串聯連接時，板式換熱器需要安裝在擴展蒸發罐之后(按物料流程)，此時蒸發全部物料均會經過板式換熱器，需安裝的板式換熱器相對偏大，成本也會隨之擴增。當板式換熱器蒸發系統與蒸發罐并聯連接時，物料會在蒸發罐和板式換熱器之間分流，此時可根據生產實際調整分流比，此方案的優點是只有部分物料進入板式加熱系統，板式加熱系統各設備的選項可以相對偏小一些，設備的資金投入相對少一些，缺點是物料分流的量較難控制，輔助蒸發效果也會有所降低。

4.2 板式換熱器的裝拆

對換熱器進行拆卸前，需以鋼尺來測量板片組的厚度，于設備的四角依次測量，做好相應的記錄。

再安裝時，需要盡量地恢復該厚度。如增減板片數量，先計算總厚度。以 am-20 板片 80 件為例，其公稱厚度為：80×(5.4+0.8)=496 mm。安裝壓緊后，其厚度和公稱值之差需小于 1%，上例厚度為 491～501 mm。板式換熱器，一般會選擇 6～12 個螺栓進行壓緊，使其成為一個整體。裝拆時，這些螺栓需要平衡地上緊或是放松，禁止松緊不勻。對螺栓進行拆放時，第一步是放松中部螺栓，接下來是四角。初時每次 1～2 圈，以后多些，重復多次至完全松開。要求在放松過程中，在四角測量板片總厚度，左右偏差不超過 10 mm，上下偏差不超過 25 mm。上緊螺栓時，應先上緊四角螺栓，再上緊中部螺栓，逐小進行，反復多次。要求上緊過程中板片組總厚度的不對稱偏差亦不超過上述數值。裝拆螺栓應當用一定長度的扳手，使施加的力矩適當。如 am-20 型的緊固螺栓為 m39，規定扳手長度為 550 mm。

換熱器拆開后，板片應懸掛在機體支架上，如需卸下來清理，要放在平滑的平臺上，不可放在不平的地面上，更不可將多件板片疊起成堆，以免板片彎曲變形。每件板片在清理后應即掛回原位。不可用錘敲擊，不銹鋼薄板受錘擊會引起內部結構變化，降低其防銹性能。在檢查全部板片和墊片正常后，即將螺栓上緊復位。

4.3 板式換熱器的清洗

板式換熱器因其內部物料湍流強烈且板片表面很光滑，生成積垢較少，故亦稱為“自潔式換熱器”。

如果在運行期間定期加大物料流量或使物料反向流動，可以將它內部的一些沉積物沖去，延長換熱器的工作周期。在需要把換熱器打開清洗前，先大量泵水沖洗也可除去其內部的部分沉積物。現代的化學工業和食品工業大力發展各種容器設備的化學清洗，簡化清洗工作，板式換熱器也如此。食品工業中近年普遍推廣“原位自動清潔技術”(Auto-cleaning InPlace，簡稱 CIP)，容器設備不用拆卸打開，分別用化學藥劑和水進行清潔，由電腦按程序自動控制操作，大大提高了清洗工作的效率。

板式換熱器的材料能夠抵御多種化學試劑的侵蝕，而且它的內部容積較小，很便于用化學清洗，對清凈劑的配方和使用方法也不斷研究改進，清洗效率得到了較好的保證。

5、 結語

國內生產的板式換熱器展現出了一系列顯著的優勢，包括抗結垢性能強、體積緊湊、熱損失低、高效的傳熱性能、占地面積小、投資成本低以及快速的服務響應等。紅河制糖有限公司在 2022/23 年榨季中，采用了國產混合汁寬道板式換熱器、清汁窄道板式換熱器以及 2 套板式換熱蒸發系統，這些設備的運行均表現出穩定和安全的效果。通過這些技術的應用，公司有效回收和利用了多余的熱水，并對清汁加熱和Ⅱ效蒸發過程進行了優化，從而實現了顯著的節能效果。在 2022/23 年榨季中，紅河制糖公司的日榨甘蔗能力最大提升了 500 多 t，蒸汽與蔗比降低了 2.5%以上，蔗渣打包率提高了 1.2%以上。

因此，對于那些面臨擴建廠區、現有加熱和蒸發設備面積不足、存在多余熱水浪費、工廠空間有限或投資預算有限的制糖企業來說，國產板式換熱器是一個具有吸引力的選擇。這不僅能夠幫助企業提高生產效率和能源利用率，而且還能在有限的資源條件下，實現成本效益的最大化。

參考文獻

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