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國產(chǎn)板式換熱器在紅河制糖公司的應(yīng)用

發(fā)布時間:2024-07-26 16:33:53 瀏覽次數(shù) :

前言

在傳統(tǒng)甘蔗糖廠的生產(chǎn)過程中,糖汁的加熱和蒸發(fā)濃縮是 2 個關(guān)鍵步驟,它們對糖產(chǎn)量和糖汁質(zhì)量具有重要影響。傳統(tǒng)上,糖汁加熱主要依賴于多程列管式加熱器,而蒸發(fā)濃縮則主要使用羅伯特式蒸發(fā)罐。列管式加熱器因其結(jié)構(gòu)簡單、操作維護便捷以及清洗除垢方便等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)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(yè)的不斷進步和創(chuàng)新,部分制糖企業(yè)開始探索和引進新的加熱技術(shù)。板式換熱器作為一種新型的熱交換設(shè)備,因其卓越的換熱性能和緊湊的設(shè)備結(jié)構(gòu),在制糖行業(yè)內(nèi)獲得了認可和青睞[1]。板式換熱器通過其獨特的板式結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了高效的熱交換,同時減小了設(shè)備的體積,有助于提高糖廠的產(chǎn)能和效率。本文通過介紹板式換熱器的結(jié)構(gòu)以及在糖廠的應(yīng)用效果,分析了其在制糖行業(yè)中的優(yōu)勢和潛力,探討了國產(chǎn)板式換熱器在實際生產(chǎn)中的性能表現(xiàn)及其對糖廠節(jié)能減排、提高生產(chǎn)效率的貢獻,以期為制糖企業(yè)提供技術(shù)選擇和設(shè)備更新的參考依據(jù),促進制糖行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1、 板式換熱器

1.1 板式換熱器結(jié)構(gòu)

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(shè)備。按不同的加工工藝,它歸結(jié)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(jié)構(gòu)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(tài)時,其傳熱效果較為理想。板上 4 個角孔,均已分別設(shè)置分配管、泄集管,依次流入 2 種換熱介質(zhì),以促進熱量交換,如圖 1 所示。

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1.2 板式換熱器的特點

1.2.1 板式換熱器的優(yōu)點[2]

在制糖行業(yè)中,板式換熱器作為一種高效的傳熱設(shè)備,其典型特點是采用可拆式板式設(shè)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(tǒng)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(dǎo)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(yōu)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(jié)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(chǎn)成本。同時,由于其設(shè)計特性,板式換熱器不易結(jié)垢,簡化了維護工作。最后,板式換熱器具有快速響應(yīng)的特點,熱輻射損失較低,這些優(yōu)勢使它在制糖行業(yè)的應(yīng)用中表現(xiàn)出色。

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1.2.2 板式換熱器的缺點

在板式換熱器的應(yīng)用中,可拆式板式換熱器通常采用膠條密封,導(dǎo)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(yè)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(nèi)空調(diào)等應(yīng)用,全焊接式板式換熱器往往更受青睞。隨著焊接技術(shù)的創(chuàng)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(jié)構(gòu)更為緊湊和合理。

1.3 板式換熱器在糖業(yè)中的應(yīng)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(nèi)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(jīng)測算,一家 9200 t/d 產(chǎn)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(yīng)用,則要經(jīng)過高溫冷卻后方可外排,導(dǎo)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(yōu)勢進行科學(xué)應(yīng)用。

1.3.2 用于清汁加熱

考慮到制糖廠在持續(xù)地擴建,其產(chǎn)能也大幅地提升。受場地位置、投資規(guī)模的影響,大多數(shù)制糖廠無法對清汁加熱系統(tǒng)作出良好的擴能,導(dǎo)致清汁加熱面積不足,清汁無法達到蒸發(fā)入罐,影響蒸發(fā)能效,嚴重時還會影響生產(chǎn)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(yōu)點。板式換熱器性能優(yōu)良,挨著I效蒸發(fā)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(jié)能效果。

1.3.3 用于蒸發(fā)系統(tǒng)

蒸發(fā)系統(tǒng)可謂是糖廠的二次鍋爐,系統(tǒng)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(yè)精細化管理的深入,以及對節(jié)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(chǎn)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(chǎn)擴能,使原有蒸發(fā)系統(tǒng)的蒸發(fā)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(fā)系統(tǒng)帶來新的挑戰(zhàn),使其陷入超負荷運行,影響節(jié)能提升。同時因配套的蒸發(fā)樓場地有限,不利于蒸發(fā)系統(tǒng)后續(xù)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(fā)系統(tǒng),可作為一個輔助蒸發(fā)罐,對蒸發(fā)面積進行彌補。在蒸發(fā)系統(tǒng)中,它相當于一個擴展型設(shè)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(xiàn)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(xiàn)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(fā)面積不足,各效蒸發(fā)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(fā)效能,用汽能耗高,節(jié)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(yīng)用,還需要用高溫冷卻塔進行冷卻后方可外排,導(dǎo)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(chǎn)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(fā)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(fā)入罐的要求,給蒸發(fā)效能和滿負荷生產(chǎn)帶來較大影響。

2.3 蒸發(fā)系統(tǒng)

紅河制糖有限公司原蒸發(fā)系統(tǒng)為五效真空壓力蒸發(fā),各蒸發(fā)罐面積為 3000、3000、3000、2000、2000、1600 m2,當榨量達到 9200 t/d 時,蒸發(fā)系統(tǒng)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(chǎn)中糖漿錘度也難以保證。當轉(zhuǎn)罐輪洗停一個 3000 m2 的蒸發(fā)罐時,蒸發(fā)系統(tǒng)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(yīng)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(fā)面積不足的問題,提高產(chǎn)能,做好節(jié)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(chǎn)時,榨量達 9700 t/h,榨季使用加熱的熱水溫度為 80~85℃,經(jīng)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(shù)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(jié)約蔗渣約為:4.2×103×(80-40)×140=23520×103 kJ/h設(shè)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(fā)糖漿錘度不變的情況下,當噸渣產(chǎn)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(chuàng)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(jié)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(fā)面積不足問題。

3.1.3 板式換熱蒸發(fā)系統(tǒng)

蒸發(fā)罐的運作是一個靠加熱汽源持續(xù)加熱蔗汁沸騰揮發(fā)水分的過程,板式換熱蒸發(fā)系統(tǒng)雖然加熱、沸騰設(shè)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(tài)。紅河制糖有限公司將該套系統(tǒng)安裝于Ⅱ效蒸發(fā)罐之后,大幅提高了Ⅱ效的蒸發(fā)能力。滿負荷生產(chǎn)至9700 t/d 時,進入第Ⅱ效(含板式換熱蒸發(fā)系統(tǒng))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(fā)系統(tǒng)時,列管式蒸發(fā)罐的換熱面積為 3000 m2,Ⅱ效蒸發(fā)水量約為 23%,則實際能蒸發(fā)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(fā)系統(tǒng)與Ⅱ效蒸發(fā)罐串聯(lián)使用時,則可增加的蒸發(fā)水量計算如下:

400×1.6÷3000×93≈19.84 t

其中,板式換熱蒸發(fā)系統(tǒng)的單位面積換熱效率取列管蒸發(fā)罐單位面積換熱效率的 1.6 倍。

另外,蒸發(fā)糖漿錘度可提高 2~3 °Bx。

3.2 效果分析

表 1 為滿負荷生產(chǎn)時,混合汁板式換熱器使用前后效果比對情況,結(jié)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(jié)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(chǎn)時,清汁板式換熱器使用前后效果比對情況,結(jié)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(fā)的效率。表 3 為滿負荷生產(chǎn)時,Ⅱ效板式蒸發(fā)器使用前后效果比對情況,結(jié)果表明,使用板式蒸發(fā)罐后,蒸發(fā)系統(tǒng)的蒸發(fā)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(fā)系統(tǒng)仍能夠滿足生產(chǎn)使用。作為板式換熱蒸發(fā)系統(tǒng)輔助蒸發(fā)罐使用時,能緩解蒸發(fā)面積不足問題,可提高蒸發(fā)處理能力和蒸發(fā)效能,確保糖漿錘度穩(wěn)定達標。

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3 套板式換熱設(shè)備的正常運行,使多余的熱水得到充分利用,達到更好的節(jié)能減排,同時使蒸發(fā)能力不足的瓶頸問題得到有效化解。滿負荷生產(chǎn)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(jié)能降耗和擴能增效的效果。經(jīng)榨季使用,設(shè)備均能正常運行,無滲漏、故障,達到預(yù)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(yīng)當將板式蒸發(fā)器事先安裝于混合汁第一級加熱,結(jié)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(tài)下,不易產(chǎn)生積垢,僅有少量蔗糠泥垢。正常生產(chǎn)使用的情況下,崗位工需經(jīng)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(jù)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(fā)現(xiàn)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(nèi)沉渣,并不能消除板片上的積垢,故春節(jié)長時間停機或榨季結(jié)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(shè)計時應(yīng)當考慮流量、粘附等問題。結(jié)合通道特點,優(yōu)先選擇防積垢粘附的材質(zhì)、通道。換熱器必須挨著蒸發(fā)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(fā)罐二者的閥門控制,防止蒸發(fā)罐關(guān)小入汁閥時,物料壓力上升引起水錘現(xiàn)象。進汁量減少時,應(yīng)當關(guān)小進汽(或熱水)閥,防止器內(nèi)溫度、壓力過高。

4.1.3 板式換熱蒸發(fā)系統(tǒng)

板式換熱蒸發(fā)系統(tǒng)的作用是對蒸發(fā)面積進行擴展,這種擴展不是在蒸發(fā)罐本體進行,而是在蒸發(fā)罐的外部進行擴展輔助,所以在設(shè)計時也要考慮板式換熱器蒸發(fā)系統(tǒng)功能的完整性,系統(tǒng)一般需要配備獨立的閃蒸罐(過熱物料沸騰蒸發(fā)水分的場所)、捕汁汽、入料泵、各類閥門管路、電儀設(shè)備等。系統(tǒng)與蒸發(fā)罐配合使用時根據(jù)不同的設(shè)備情況延伸出2 種安裝形式:串聯(lián)、并聯(lián)。當板式換熱器蒸發(fā)系統(tǒng)與蒸發(fā)罐串聯(lián)連接時,板式換熱器需要安裝在擴展蒸發(fā)罐之后(按物料流程),此時蒸發(fā)全部物料均會經(jīng)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(fā)系統(tǒng)與蒸發(fā)罐并聯(lián)連接時,物料會在蒸發(fā)罐和板式換熱器之間分流,此時可根據(jù)生產(chǎn)實際調(diào)整分流比,此方案的優(yōu)點是只有部分物料進入板式加熱系統(tǒng),板式加熱系統(tǒng)各設(shè)備的選項可以相對偏小一些,設(shè)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(fā)效果也會有所降低。

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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(shè)備的四角依次測量,做好相應(yīng)的記錄。

再安裝時,需要盡量地恢復(fù)該厚度。如增減板片數(shù)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(fù)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(yīng)先上緊四角螺栓,再上緊中部螺栓,逐小進行,反復(fù)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(shù)值。裝拆螺栓應(yīng)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(guī)定扳手長度為 550 mm。

換熱器拆開后,板片應(yīng)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(yīng)即掛回原位。不可用錘敲擊,不銹鋼薄板受錘擊會引起內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(fù)位。

4.3 板式換熱器的清洗

板式換熱器因其內(nèi)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(nèi)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(nèi)部的部分沉積物?,F(xiàn)代的化學(xué)工業(yè)和食品工業(yè)大力發(fā)展各種容器設(shè)備的化學(xué)清洗,簡化清洗工作,板式換熱器也如此。食品工業(yè)中近年普遍推廣“原位自動清潔技術(shù)”(Auto-cleaning InPlace,簡稱 CIP),容器設(shè)備不用拆卸打開,分別用化學(xué)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(xué)試劑的侵蝕,而且它的內(nèi)部容積較小,很便于用化學(xué)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(jié)語

國內(nèi)生產(chǎn)的板式換熱器展現(xiàn)出了一系列顯著的優(yōu)勢,包括抗結(jié)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(wù)響應(yīng)等。紅河制糖有限公司在 2022/23 年榨季中,采用了國產(chǎn)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(fā)系統(tǒng),這些設(shè)備的運行均表現(xiàn)出穩(wěn)定和安全的效果。通過這些技術(shù)的應(yīng)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(fā)過程進行了優(yōu)化,從而實現(xiàn)了顯著的節(jié)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(qū)、現(xiàn)有加熱和蒸發(fā)設(shè)備面積不足、存在多余熱水浪費、工廠空間有限或投資預(yù)算有限的制糖企業(yè)來說,國產(chǎn)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(yè)提高生產(chǎn)效率和能源利用率,而且還能在有限的資源條件下,實現(xiàn)成本效益的最大化。

參考文獻

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