板式熱交換器-整理

1、 板式熱交換1. 介紹和原理 板式熱交換器是大型空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)能量回收、高溫?zé)煔庥酂峄厥蘸陀?jì)算機(jī)CPU散熱的重要裝置。結(jié)構(gòu)具有真空充液封頭和芯體，真空充液封頭設(shè)在真空充液通道兩側(cè)，其中一側(cè)真空充液封頭設(shè)有接管，芯體由真空充液通道和若干個(gè)板翅通道間隔疊置而構(gòu)成。真空充液通道上下設(shè)有隔板，兩側(cè)設(shè)有封條，通道內(nèi)可設(shè)置翅片。板翅通道上下設(shè)有隔板，兩側(cè)設(shè)有封條，通道內(nèi)設(shè)有翅片。每個(gè)板翅通道由一封條分隔成并列的兩個(gè)熱介質(zhì)通道和冷介質(zhì)通道。組裝后整體呈水平傾斜布置或垂直布置。它是由沖壓成形的凹凸不銹鋼板組成。兩相臨板片之間的凹凸紋路成180度相對(duì)組合，因此板式熱交換器兩板片之間的凹凸脊線形成了交錯(cuò)的接觸點(diǎn)，將

2、接觸點(diǎn)以真空焊接方式結(jié)合后，就形成了板式熱交換器的耐高壓交錯(cuò)流通結(jié)構(gòu)，這些交錯(cuò)的流通結(jié)構(gòu)使得板式熱交換器內(nèi)的冷熱流體產(chǎn)生強(qiáng)烈紊流而達(dá)到高換熱效果。板式熱交換器是由一組波紋金屬板組成，板上有四個(gè)角孔，供傳熱的兩種液體通過(guò)。金屬板片安裝在一個(gè)側(cè)面有固定板和活動(dòng)壓緊板的框架內(nèi)，并用夾緊螺栓夾緊。板片上裝有密封墊片，將流體通道密封，并且引導(dǎo)流體交替地流至各自的流道內(nèi)，形成熱交換。流體的流量，物理性質(zhì)，壓力降和溫度差決定了板片的數(shù)量和尺寸。波紋板不僅提高了湍流程度，并且形成許多支承點(diǎn)，足以承受介質(zhì)間的壓力差。2.板式換熱器的特點(diǎn)（主要是板式換熱器與管殼式換熱器的比較）優(yōu)點(diǎn)：a.傳熱系數(shù)高由于不同的波紋板

3、相互倒置，構(gòu)成復(fù)雜的流道，使流體在波紋板間流道內(nèi)呈旋轉(zhuǎn)三維流動(dòng)，能在較低的雷諾數(shù)（一般Re=50200）下產(chǎn)生紊流，所以傳熱系數(shù)高，一般認(rèn)為是管殼式的35倍。b.對(duì)數(shù)平均溫差大，末端溫差小在管殼式換熱器中，兩種流體分別在管程和殼程內(nèi)流動(dòng)，總體上是錯(cuò)流流動(dòng)，對(duì)數(shù)平均溫差修正系數(shù)小，而板式換熱器多是并流或逆流流動(dòng)方式，其修正系數(shù)也通常在0.95左右，此外，冷、熱流體在板式換熱器內(nèi)的流動(dòng)平行于換熱面、無(wú)旁流，因此使得板式換熱器的末端溫差小，對(duì)水換熱可低于1，而管殼式換熱器一般為5.c.占地面積小板式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積內(nèi)的換熱面積為管殼式的25倍，也不像管殼式那樣要預(yù)留抽出管束的檢修場(chǎng)所，因此實(shí)

4、現(xiàn)同樣的換熱量，板式換熱器占地面積約為管殼式換熱器的1/51/10。d.容易改變換熱面積或流程組合，只要增加或減少幾張板，即可達(dá)到增加或減少換熱面積的目的；改變板片排列或更換幾張板片，即可達(dá)到所要求的流程組合，適應(yīng)新的換熱工況，而管殼式換熱器的傳熱面積幾乎不可能增加。e.重量輕板式換熱器的板片厚度僅為0.40.8mm，而管殼式換熱器的換熱管的厚度為2.02.5mm，管殼式的殼體比板式換熱器的框架重得多，板式換熱器一般只有管殼式重量的1/5左右。f.價(jià)格低采用相同材料，在相同換熱面積下，板式換熱器價(jià)格比管殼式約低40%60%。g.制作方便板式換熱器的傳熱板是采用沖壓加工，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，并可大批生

5、產(chǎn)，管殼式換熱器一般采用手工制作。h.容易清洗框架式板式換熱器只要松動(dòng)壓緊螺栓，即可松開(kāi)板束，卸下板片進(jìn)行機(jī)械清洗，這對(duì)需要經(jīng)常清洗設(shè)備的換熱過(guò)程十分方便。i.熱損失小板式換熱器只有傳熱板的外殼板暴露在大氣中，因此散熱損失可以忽略不計(jì)，也不需要保溫措施。而管殼式換熱器熱損失大，需要隔熱層。j.容量較小是管殼式換熱器的10%20%。k.單位長(zhǎng)度的壓力損失大由于傳熱面之間的間隙較小，傳熱面上有凹凸，因此比傳統(tǒng)的光滑管的壓力損失大。l.不易結(jié)垢由于內(nèi)部充分湍動(dòng)，所以不易結(jié)垢，其結(jié)垢系數(shù)僅為管殼式換熱器的1/31/10.缺點(diǎn)：a. 易堵塞由于板片間通道很窄，一般只有25mm，當(dāng)換熱介質(zhì)含有較大顆?；蚶w

6、維物質(zhì)時(shí)，容易堵塞板間通道。b. 密封性較差，易漏泄。需常更換墊圈，較麻煩。c. 使用壓力受一定限制，一般不超過(guò)1MPad. 使用溫度受墊圈材料耐溫性能的限制。e. 流道小，不適宜于氣一氣換熱或蒸汽冷凝。f. 易堵塞，不適用于含懸浮物的流體。g. 流阻較管殼式為大。3.板式應(yīng)用場(chǎng)合a.制冷：用作冷凝器和蒸發(fā)器。b.暖通空調(diào)：配合鍋爐使用的中間換熱器、高層建筑中間換熱器等。c.化學(xué)工業(yè)：純堿工業(yè)，合成氨，酒精發(fā)酵，樹(shù)脂合成冷卻等。d.冶金工業(yè)：鋁酸鹽母液加熱或冷卻，煉鋼工藝?yán)鋮s等。e.機(jī)械工業(yè)：各種淬火液冷卻，減速器潤(rùn)滑油冷卻等。f.電力工業(yè)：高壓變壓器油冷卻，發(fā)電機(jī)軸承油冷卻等。g.造紙工業(yè)：

7、漂白工藝熱回收，加熱洗漿液等。h.紡織工業(yè)：粘膠絲堿水溶液冷卻，沸騰硝化纖維冷卻等。i.食品工業(yè)：果汁滅菌冷卻，動(dòng)植物油加熱冷卻等。j.油脂工藝：皂基常壓干燥，加熱或冷卻各種工藝用液。k.集中供熱：熱電廠廢熱區(qū)域供暖，加熱洗澡用水。l.其他：石油、醫(yī)藥、船舶、海水淡化、地?zé)崂谩?. 板式換熱器的整體結(jié)構(gòu) 板式換熱器是由沖壓成形的凹凸不銹鋼板組成，通常用模具將不銹鋼，工業(yè)純鈦等材料的薄板進(jìn)行壓制成槽型或波紋型，由此增加冷熱流體的接觸面積，同時(shí)增大板片的剛度, 防止板片受壓變形。每個(gè)板片的四角各開(kāi)有一孔，作為介質(zhì)的通道口，板片四周以及孔的周?chē)鷫河忻芊鈮|片槽, 并根據(jù)需要在孔的周槽中放置有墊片,

8、起到允許流體或阻止流體進(jìn)入板面之間通道的作用。基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是將數(shù)個(gè)板片按照換熱要求依次排列在支架上, 并用固定壓緊板和活動(dòng)壓緊板由壓緊螺桿壓緊, 在相鄰的板片間就形成了流體通道, 借助板片四角的孔口與墊片兩側(cè)的通道進(jìn)行傳熱。板片的數(shù)目可根據(jù)需要增減。換熱板片的結(jié)構(gòu)及其功效 板式換熱器板片是專(zhuān)門(mén)用于板式換熱器中用來(lái)隔離介質(zhì)和進(jìn)行熱交換的板片，是板式換熱器的重要組成部分。它的主要材質(zhì)有不銹鋼，鈦及鈦鈀，合金等。換熱板片的波紋形式有:人字形波紋水平波紋，豎直波紋，斜波紋等。我國(guó)生產(chǎn)的板式換熱器的板片結(jié)構(gòu)形式, 絕大多數(shù)是以人字形波紋為主, 人字形波紋屬于典型的網(wǎng)狀流動(dòng)板型結(jié)構(gòu), 包括橫向人字形波紋和縱向

9、人字形波紋。其特點(diǎn)是在板間構(gòu)成的流體通道中, 錯(cuò)列地布滿了觸點(diǎn), 流體在這些觸點(diǎn)間環(huán)繞流動(dòng)形成螺旋形的前進(jìn)軌道, 從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動(dòng)，增強(qiáng)了流體的湍流程度。橫向人字形波紋板片具有流體順暢, 流動(dòng)阻力很小, 壓力降低等特點(diǎn)。 但其換熱系數(shù)也要比縱向人字形波紋的板片稍低一些, 因此比較適用于低流速、高粘度、流量比較大的場(chǎng)合。食品工業(yè)中用于制鹽，乳品，醬油，醋的殺菌、冷卻，動(dòng)植物油加熱、冷卻，啤酒生產(chǎn)中啤酒、麥芽汁的加熱冷卻，制糖，明膠濃縮，殺菌、冷卻，制造谷氨酸鈉等的換熱版類(lèi)型多此類(lèi)型。板式換熱器的密封結(jié)構(gòu) 在板式換熱器設(shè)計(jì)中，板片的整體結(jié)構(gòu)與密封強(qiáng)度有十分密切的關(guān)系，合理的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅能夠提

10、高板片的剛度，提高板式換熱器的耐壓性能，也能保證良好的密封性。密封結(jié)構(gòu)是由板片的密封槽和密封墊片構(gòu)成的。密封槽的形狀確定了密封墊片在密封槽內(nèi)的位置，影響到密封墊片在運(yùn)行中的穩(wěn)定性, 也直接關(guān)系到密封效果。合理的密封槽設(shè)計(jì)應(yīng)考慮因數(shù)主要有兩點(diǎn)：（1）安裝后形成支撐點(diǎn)；（2）預(yù)留密封墊插扣位置。支撐點(diǎn)的主要作用是在板片組裝后相鄰的板片間形成緊密的，交替相間的觸點(diǎn)，用以提高板片的剛性以及產(chǎn)品的承壓能力。使密封墊片在受力，受熱的條件下，在設(shè)計(jì)的位置上不發(fā)生位移，并且基本保持原有的壓縮比。密封墊片也是板式換熱器的重要組成部分，在裝配時(shí)先用粘接劑將墊片貼牢在板片的密封槽中，而在孔的周槽中根據(jù)流體流動(dòng)的需要

11、來(lái)放置墊片，從而起到允許或阻止流體進(jìn)入板片之間通道的作用，達(dá)到熱交換的目的。密封墊片的材料一般有合成橡膠和石棉橡膠兩大類(lèi)，結(jié)構(gòu)形式有矩形，梯形，五邊形和六邊形等。這些都直接影響到板式換熱器的密封效果。5. 板式殺菌設(shè)備的工作流程 現(xiàn)以超高溫瞬時(shí)（UHT）板式殺菌裝置為例，介紹板式殺菌裝置的工作流程。英國(guó)的APV公司制造的超高溫瞬時(shí)板式殺菌裝置，采用板式換熱器進(jìn)行加熱殺菌，殺菌溫度為130150，加熱時(shí)間0.44s，可以殺滅耐熱性芽孢、細(xì)菌。其工作流程為：（1） 由就地清洗系統(tǒng)（CIP）自動(dòng)清洗全機(jī)。（2） 原料牛乳自貯乳罐流入平衡槽。（3） 通過(guò)泵將原料乳送至熱回收段，與殺菌后的產(chǎn)品進(jìn)行熱交換

12、，使其溫度加熱到85，進(jìn)入溫度保持槽內(nèi)，穩(wěn)定約5min，使牛乳對(duì)熱產(chǎn)生穩(wěn)定作用以及除臭。（4） 由泵將牛乳送入均質(zhì)機(jī)進(jìn)行均質(zhì)。其后進(jìn)入第一加熱段、第二加熱段進(jìn)行殺菌。殺菌加熱第一段蒸汽壓為2030kpa，加熱到85；第二段蒸汽壓為250450kpa，牛奶瞬時(shí)可達(dá)135150，保持2s后，被送至分流閥。（5） 由儀表自動(dòng)控制的分流閥，將已達(dá)到殺菌溫度的產(chǎn)品送到第一冷卻段；將未達(dá)到殺菌溫度的牛乳送至水冷卻器，將其降溫后回流到平衡槽中。（6） 產(chǎn)品乳在第一冷卻段再流入熱回收段，在冷水或冰水冷卻段中冷卻，使溫度降至4流出裝罐。6.板式換熱器選型時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題板型選擇 板片型式或波紋式應(yīng)根據(jù)換熱場(chǎng)合的實(shí)

13、際需要而定。對(duì)流量大允許壓降小的情況，應(yīng)選用阻力小的板型，反之選用阻力大的板型。根據(jù)流體壓力和溫度的情況，確定選擇可拆卸式，還是釬焊式。確定板型時(shí)不宜選擇單板面積太小的板片，以免板片數(shù)量過(guò)多，板間流速偏小，傳熱系數(shù)過(guò)低，對(duì)較大的換熱器更應(yīng)注意這個(gè)問(wèn)題。7.應(yīng)用和研究中存在的問(wèn)題 迄今為止，板式熱交換器的應(yīng)用和研究中還存在以下問(wèn)題：（1）要充分發(fā)揮板式熱交換器換熱效果好的優(yōu)勢(shì)必須要實(shí)現(xiàn)換熱、介質(zhì)流量和阻力三者之間的良好配合，但現(xiàn)有產(chǎn)品通常在增大傳熱系數(shù)K的同時(shí)，流動(dòng)阻力的增加更為顯著，這將使運(yùn)行費(fèi)用增加。傳熱系數(shù)與壓降之間的優(yōu)化問(wèn)題尚待解決。（2）已有板片型式幾乎全部針對(duì)單項(xiàng)介質(zhì)的換熱開(kāi)發(fā)，對(duì)于

14、一側(cè)介質(zhì)冷凝或蒸發(fā)相變換熱的情況，汽相介質(zhì)側(cè)通常阻力太大因而難以應(yīng)用。（3）有關(guān)板式熱交換器換熱和流動(dòng)計(jì)算方面，尤其是兩相流動(dòng)和換熱方面可靠的有價(jià)值的資料仍相對(duì)較少，現(xiàn)有計(jì)算準(zhǔn)則式缺乏通用性且很不完善。這主要是因?yàn)椋篴.板式熱交換器與其他熱交換器不同，即使同樣的波型，幾何尺寸相似時(shí)，準(zhǔn)則式中各常數(shù)也會(huì)不同，故只能對(duì)每一種板片進(jìn)行測(cè)試與關(guān)聯(lián)，這使得實(shí)驗(yàn)工作量巨大。b.現(xiàn)有板片專(zhuān)利大都屬于國(guó)際上幾個(gè)著名板換制造商，它們一般不對(duì)外公布自己掌握的研究材料，因此由于缺乏數(shù)據(jù)，很難對(duì)板換的換熱和流動(dòng)規(guī)律做有通用價(jià)值的歸納。（4）國(guó)內(nèi)對(duì)新型板片的開(kāi)發(fā)能力總體較弱，國(guó)產(chǎn)的板式熱交換器大都是專(zhuān)利權(quán)已經(jīng)失效的人字

15、形波紋等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式，我國(guó)擁有板式熱交換器的知識(shí)產(chǎn)權(quán)非常有限，產(chǎn)品型式單一，往往不加區(qū)分地應(yīng)用到各種場(chǎng)合，造成不必要的浪費(fèi)。（5）板式熱交換器的優(yōu)化設(shè)計(jì)程序有待開(kāi)發(fā)，以幫助針對(duì)新的應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)板式熱交換器。（6）適于惡劣環(huán)境的新型板式熱交換器有待開(kāi)發(fā)。（7）承壓承溫能力仍然限制其應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，耐溫、耐壓并可長(zhǎng)期使用的密封墊片尚需進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。（8）如何評(píng)價(jià)熱交換器的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性仍是世界上未能較好解決的問(wèn)題，其中經(jīng)濟(jì)性是指付出一定代價(jià)所獲得的收益。熱交換器的收益是傳熱量（有時(shí)用傳遞的可用能量為系數(shù)）。付出的代價(jià)一部分靠泵功率消耗，另一部分是當(dāng)有溫差傳熱時(shí)的可用能的損失。但是，這兩部分損

16、失并不等價(jià)。8. 發(fā)展 換熱器按照傳熱表面的形狀和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為管式換熱器，板式換熱器和其他形式換熱器三大類(lèi)。近年來(lái)，伴隨著制造技術(shù)的快速發(fā)展和換熱器結(jié)構(gòu)形式的不斷優(yōu)化，按照板式換熱器板片與板片之間密封方式可分為有墊片密封和焊接密封兩種方式。 墊片密封板式換熱器即常見(jiàn)的可拆板式換熱器，它具有換熱效率高和易拆洗維護(hù)，容易擴(kuò)容等優(yōu)點(diǎn)，但工作壓力在2.5MPa以下，工作溫度也不能超過(guò)250C。而焊接密封板式換熱器整個(gè)板片周?chē)捎煤附臃绞絹?lái)形成密封，可用于與板材兼容的腐蝕性流體，工作壓力范圍真空至20MPa，溫度范圍達(dá)到200C900C。大大擴(kuò)寬了板式加熱器的使用領(lǐng)域，已廣泛應(yīng)用于機(jī)械，電力，冶金，化工，輕紡，飲料，城鎮(zhèn)供熱等行業(yè)和領(lǐng)域，表現(xiàn)出很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。參考文獻(xiàn)【1】馬海樂(lè)食品機(jī)械與設(shè)備M第二版中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2011，281【2】趙曉文，蘇俊林. 板式換熱器的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展J.冶金能源，2011，30(1).【3】黃慶軍，任俊超，蘇是，黃蕾. 中國(guó)換熱器產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)J.石油和化工設(shè)備，2010，13(1)：5-8.【4】板式熱交換器與管式熱交換器的比較分析 雒亞洲，楊軍飛，周春田【5】邵擁軍,逯凱霄,張文林.