板式换热器热力计算及分析整合

第一章概论
1.1综述
目前板式换热器已成为高效、紧凑的热交换设备，大量地应用于工业中。

它的发展已有一百多年的历史。

德国在1878年发明了板式换热器，并获得专利，到1886年，由法国M.Malvazin首次设计出沟道板板式换热器，并在葡萄酒生产中用于灭菌。

APV公司的R.Seligman在1923
年成功地设计了可以成批生产的板式换热器，开始时是运用很多铸造青铜板片组合在一起，很像板框式压滤机。

1930年以后，才有不锈钢或铜薄板压制的波纹板片板式换热器，板片四周用垫片密封，从此板式换热器的板片，由沟道板的形式跨入了现代用薄板压制的波纹板形式，为板式换热器的发展奠定了基础。

与此同时，流体力学与传热学的发展对板式换热器的发展做出了重要的贡献，也是板式换热器设计开发最重要的技术理论依据。

如：19世纪末到20世纪初，雷诺（Reynolds）用实验证实了层流和紊流的客观存在，提出了雷诺数——为流动阻力和损失奠定了基础。

此外，在流体、传热方面有杰出贡献的学者还有瑞利（Reyleigh）、普朗特（Prandtl）、库塔（Kutta）、儒可夫斯基（жуковскиǔ）、钱学森、周培源、吴仲华等。

通过广泛的应用与实践，人们加深了对板式换热器优越性的认识，随着应用领域的扩大和制造技术的进步，使板式换热器的发展加快，目前已成为很重要的换热设备。

近几十年来，板式换热器的技术发展，可以归纳为以下几个方面。

1：研究高效的波纹板片。

初期的板片是铣制的沟道板，至三四十年代，才用薄金属板压制成波纹板，相继出现水平平直波纹、阶梯形波纹、人字形波纹等形式繁多的波纹片。

同一种形式的波纹，又对其波纹的断面尺寸——波纹的高度、节距、圆角等进行大量的研究，同时也发展了一些特殊用途的板片。

2：研究适用于腐蚀介质的板片、垫片材料及涂（镀）层。

3：研究提高使用压力和使用温度。

4：发展大型板式换热器。

5：研究板式换热器的传热和流体阻力。

6：研究板式换热器提高换热综合效率的可能途径。

我国板式换热器的研究、设计、制造，开始于六十年代。

1965年，兰州石油化工机器厂根据一些资料设计、制造了单板换热器面积为0.52m2的水平平直波纹板片的板式换热器，这是我国首家生产的板式换热器，供造纸厂、维尼纶厂等使用。

八十年代初期，该厂又引进了W.Schmidt公司的板式换热器制造技术，增加了板式换热器的品种。

1967年，兰州石油机械研究所对板片的六种波纹型式作了对比试验，肯定了人字形波纹的优点，并于1971年制造了我国第一台人字形波纹板片（单板换热面积为0.3m2）的板式换热器，这对于我国板式换热器采用波纹型式的决策起了重要的作用。

1983年，兰州石油机械研究所组织了板式换热器技术交流会，对板片的制造材料、板片波纹型式、单片换
热面积、板式换热器的应用等方面进行了讨论，促进了我国板式换热器的发展。

国家石油钻采炼化设备质量监测中心还对板式换热器的性能进行了大量的测定。

清华大学于八十年代初期，对板式换热器的换热、流体阻力和优化等方面进行了理论研究，认为板式换热器的换热，以板间横向绕流作为换热物理模型，该校还对板式换热器的热工性能评价指标及板式换热器的计算机辅助设计进行了研究。

近几十年来，他们还作了大量的国产板片的性能测定。

河北工学院就板式换热器的流体阻力问题进行了研究，认为只有当板片两侧的压差相等或压差很小时，板片以自身的刚性使板间距保持在设计值上，否则板片会发生变形，致使板间距发生变化，出现受压通道和扩张通道。

其次，他们把板式换热器的流体阻力分解为板间流道阻力和角孔道阻力（包括进、出口管）进行整理，得到一种新的流体阻力计算公式。

天津大学对板式换热器的两相流换热及其流体主力计算进行了大量的研究，得出考虑因素比较全面的换热计算公式。

近年来，研制了非对称型的板式换热器，进行了国产板式换热器的性能测定及优化设计等工作。

华南理工大学、大连理工大学等高等院校和科研单位，也对板式换热器的换热、流体阻力理论或工程应用方面作了很多有益的工作。

进入二十一世纪以来，我过的板式换热器研究取得了长足的进步，在借鉴国外先进经验的同时，也逐渐形成了自己的一套设计开发模式，与世界领先技术的差距进一步缩小。

我国板式换热器的制造厂家有四五十家、年产各种板式换热器数千台计，但是我国的板式换热器的应用远不及国外，这与人们对板式换热器的了解程度、使用习惯以及国内产品的水平有关。

七十年代，板式换热器主要应用于食品、轻工、机械等部门；八十年代也仅仅
是应用到民用建筑的集中供热；八十年代中期开始，在化工工艺流程中较苛刻的场合也出现了板式换热器的身影。

由于人们对板式换热器工作原理、热力计算、校验等不熟悉的原因，使得板式换热器在开发到应用的时间跨度上，花费了较多的时间。

现在，世界上各工业发达国家都制造板式换热器，其产品销往世界各地。

最着名的厂家有英国APV公司、瑞典ALFA-LAVAL公司、德国GEA公司、美国OMEXEL公司、日本日阪制作所等。

（一）：英国APV公司。

APV公司的RichardSeligman博士于1923年就成功设计了第一台工业性的板式换热器。

其在国外有20个联合公司，遍及美、德、法、日、意、加等国。

Seligman设计的板式换热器板片为塞里格曼沟道板。

三十年代后期，英国人Goodman提出的阶梯形断面的平直波纹，性能并不十分优越。

目前APV公司生产的板式换热器称为Paraflow，其波纹多属人字形波纹，最大单板换热面积为2.2m2，单台换热器最大流量为2500m3/h。

换热器最高使用温度为260℃、最大使用压力为2.0MPa、最大的单台换热面积为1600m2。

APV公司换热器产品情况如表1-1:
表1-1APV公司主要的板式换热器
(表1-1续)
（二）：ALFA-LAVAL公司。

ALFA-LAVAL公司制造的板式换热器，其销售遍布99个国家，从该公司于1930年生产的第一台板式巴氏灭菌器开始，已有60多年的历史。

公司在1960年就采用了人字形波纹板片；1970年发展了钉焊板式换热器；1980年对叶片的边缘做了改造，以增强抗压能力。

该公司的标准产品性能：最高工作压力2.5MPa；最高工作温度250℃；
最大单台流量3600m3/h；总传热系数3500~7500W/(m2.K)；每台换热面积0.1~2200m2；最大接管尺寸450mm。

（三）：GEAAHLBORN公司。

该公司现有Free-Flow和Varitherm两个系列产品。

前者抗压能力差，后者为人字形波纹片。

Free-Flow为弧形波纹板片，其结构特殊，板片的断面是弧状，而且分割成几个独立的流道，相邻两板波纹之间无支点，靠分割流道的垫片作支撑，以抗压力差。

显而易见，这种板片的承压能力较低。

Varitherm为人字形波纹板片，一般情况下，同一外形尺寸和垫片中心线位置的板片，有纵向人字形和横向人字形两种形式。

GEAAHLBORN的板式换热器技术特性如表1-2：
表1-2GEAAHLBORN公司主要板式换热器技术特性
注：纵/横人字形，指有纵向人字形和横向人字形两种波纹板片。

（四）：W.Schmidt公司。

公司早期生产截球形波纹片（sigma-20），因性能欠佳已不再生产。

该公司的Sigma板片，除小面积的为水平平直波纹外，都为人字形波纹，而且同一单板面积和同一外形尺寸、垫片槽尺寸的板片有两种人字角的人字形波纹，增加了组合形式，以适应各种工况的需要。

W.Schmidt公司的板式换热器，一般工作压力为1.6MPa，最小的单板换热面积为0.035m2、最大的单板换热面积为1.55m2。

（五）：HISAKA(日阪制作所)公司。

在1954年，公司研究成功EX-2型板片；现在，该公司有水平平直波纹板和人字形波纹板两种。

其板式换热器技术特性见表1-3：
表1-3HISAKA公司板式换热器技术特性
注：H.L-为有两种不同人字角的板片。

（六）：OMEXELL(欧梅塞尔)公司。

OMEXELL公司提供的板式换热器包含拼装式、钎焊式、“宽间隙”自由流、双壁式、半焊式、多段式等系列，作为一家成功的板式换热器公司，所提供的交换热方案也是综合性的。

公司所生产的产品符合压力容器规范和质量保证体系:
美国ASME
日本JIS标准
美国3A卫生标准
中国GB16409-1996
ISO9001/14001/18000
OMEXELL公司产品提供的材料、材质特性
（表1-4、表1-5、表1-6、表1-7）：
表1-4板片材质
表1-5垫片材质
表1-6框架材质
表1-7接口材质
藉由各国公司的发展情况不难发现，板式换热器的整个发展，其最终目的都是围绕着如何提高热交换效率。

早期的发展由于技术限制，主要发展的就是结构、板型，通过优化、热力计算及分析，这些优化的方法都是可行的。

进入现代以后，板式换热器的发展着重于材料的选择以及结构上的细节优化。

1.2板式换热器基本构造
板式换热器的结构相对于板翅式换热器、壳管式换热器和列管式换热器比较简单，它是由板片、密封垫片、固定压紧板、活动压紧板、压紧螺柱和螺母、上下导杆、前支柱等零部件所组成，如图1-1所示：
图1-1板式换热器结构示意图
板片为传热元件，垫片为密封元件，垫片粘贴在板片的垫片槽内。

粘贴好垫片的板片，按一定的顺序（如图1-1所示，冷暖板片交叉放置）置于固定压紧板和活动压紧板之间，
用压紧螺柱将固定压紧板、板片、活动压紧板夹紧。

压紧板、导杆、压紧装置、前支柱统称为板式换热器的框架。

按一定规律排列的所有板片，称为板束。

在压紧后，相邻板片的触点互相接触，使板片间保持一定的间隙，形成流体的通道。

换热介质从固定压紧板、活动压紧板上的接管中出入，并相间地进入板片之间的流体通道，进行热交换。

图1-1所示板式换热器为可拆式板式换热器，其原理就是在上导杆处安装了活动滑轮、顶压装置，在增减板片的时候，可以通过该滑轮调节换热器内可安装板片数量，顶压装置加固整体结构牢固性；而对于一些小型的板式换热器，则没有该装置，而是直接地将固定压紧板和活动压紧板通过导杆固定连接起来，这种结构没有清洗空间，清洗、检查时，板片不能挂在导杆上，虽然这样的结构轻便简易，但对大型的、需经常清洗的板式换热器不太适用。

对于要进行两种以上介质换热的板式换热器，则需要设置中间隔板。

在乳品加工的巴氏灭菌器中，为了增加在灭菌温度下乳品的停留时间，通常需要在灭菌器的特定位置上安装延迟板。

为了节约占地面积，APV公司和ALFA-LAVAL公司开发应用了一种双框架结构，该结构有两种形式，第一种是公用一个检修空间，左右各设一个固定压紧板，中间设两个活动压紧板；第二种是共用中间的固定压紧板，左、右各设一个活动压紧板。

双框架的结构，可视为两台板式换热器装在一起。

为了使流体在板束之间按一定的要求流动，所有板片的四角均按要求冲孔，垫片按要求粘贴，然后有规律地排列起来，形成流体的通道，称为流程组合。

（图1-2[a]、[b]、[c]是典型的排列方式）流程组合的表示方式为：
M1N1+M2N2+⋯+M i N i m1n12n2i n i
式中：M
1，M
2
，…M
i
：从固定压紧板开始，甲流体侧流道数相等的流程数；
N 1，N
2
，…N
i
：M
1
，M
2
，…M
i
中的流道数；
m 1，m
2
，…m
i
：从固定压紧板开始，乙流体侧流道数相等的流程数；
n 1，n
2
，…n
i
:：m
1
，m
2
，…m
i
中的流道数。

图1-2典型的流程组合
板片是板式换热器的核心元件，冷、热流体的换热发生在板片上，所以它是传热元件，此外它又承受两侧的压力差。

从板式换热器出现以来，人们构思出各种形式的波纹板片，以求得换热效率高、流体阻力低、承压能力大的波纹板片。

（一）常用形式
板片按波纹的几何形状区分，有水平平直波纹、人字形波纹、斜波纹等波纹板片；按流体在板间的流动形式区分，有管状流动、带状流动、网状流动的波纹板片。

（二）特种形式
为了适应各种工程的需要，在传统板式换热器的基础上相继发展了一些特殊的板片及特殊的板式换热器。

1：便于装卸垫片的板片
2：用于冷凝器的板片
3：用于蒸发器的板片
4：板管式板片
5：双层板片
6：石墨材料板片
7：宽窄通道的板片
板式换热器的密封垫片是一个关键的零件。

板式换热器的工作温度实质上就是垫片能承受的温度；板式换热器的工作压力也相当程度上受垫片制约。

从板式换热器结构分析，密封周边的长度(m)将是换热面积(m2)的6~8倍，超过了任何其它类型的换热器。

（一）半焊式板式换热器
半焊式板式换热器的结构是每两张波纹板焊接在一起，然后将它们组合在一起，彼此之间用垫片进行密封。

焊接在一起的板间通道走压力较高的流体，用垫片密封的板间通道走压力较低的流体，所以这种板式换热器提高了其中一侧的工作压力。

（二）全焊接式板式换热器
为了使板式换热器适用于高温、高压下工作，将板片互相焊接在一起，在六十年代就有此类产品。

ALFA-LAVAL公司生产的Lamalla板式换热器就是属于全焊接式板式换热器。

但是这种结构制造困难，板片破损后也无法修复。

再生式冷却系统，就板式换热器本身而言，和普通的板式换热器没有差别，只是在管线上增加了换向阀，并进行自动控制，变换两流体的流向，使之反洗，以清除积存在板片上的杂质。

1.3板式换热器的优缺点及应用
人们通过科学研究和生产实践，对板式换热器的特点有了深刻的了解，并总结出一系列优缺点，通常是和管壳式换热器加以比较，共归纳为以下几点：
（一）优点
1：传热系数高
管壳式换热器的结构，从强度方面看是很好的，但从换热角度看并不理想，因为流体在壳程中流动时存在着折流板—壳体、折流板—换热管、管束—壳体之间的旁路。

通过这些旁路的流体，并没有充分地参与换热。

而板式换热器，不存在旁路，而板片的波纹能使流体在较小的流速下产生湍流。

所以板式换热器有较高的传热系数，一般情况下是管壳式换热器的3~5倍。

2：对数平均温差大
在管壳式换热器中，两种流体分别在壳程和管程内流动，总体上是错流的流动方式。

如果进一步分析，壳程为混合流动，管程是多股流动，所以对数平均温差都应采用修正系数。

修正系数通常较小。

流体在板式换热器内的流动，总体上是并流或逆流的流动方式，其温差修正系数一般大于0.8，通常为0.95。

3：占地面积小
板式换热器结构紧凑，单位体积内的换热面积为管壳式换热器的2~5倍，也不像管壳式换热器那样需要预留抽出管束的检修场地，因此实现同样的换热任务时，板式换热器的占地面积约为管壳式换热器的1/5~1/10。

4：重量轻
板式换热器的板片厚度仅为0.6~0.8mm，管壳式换热器的换热管厚度为2.0~2.5mm；管壳式换热器的壳体比板式换热器的框架重得多。

在完成同样的换热任务的情况下，板式换热器所需要的换热面积比管壳式换热器的小。

5：价格低
在使用材料相同的前提下，因为框架所需要的材料较少，所以生产成本必然要比管壳式换热器低。

6：末端温差小
管壳式换热器，在壳程中流动的流体和换热面交错并绕流，还存在旁流，而板式换热器的冷、热流体在板式换热器内的流动平行于换热面，且无旁流，这样使得板式换热器的末端温差很小，对于水—水换热可以低于1℃，而管壳式换热器大约为5℃，这对于回收低温位的热能是很有利的。

7：污垢系数低
板式换热器的污垢系数比管壳式换热器的污垢系数小得多，其原因是流体的剧烈湍流，杂质不宜沉积；板间通道的流通死区小；不锈钢制造的换热面光滑、且腐蚀附着物少，以及清洗容易。

8：多种介质换热
如果板式换热器安装有中间隔板，则一台设备可以进行三种或三种以上介质的换热。

9：清洗方便
板式换热器的压紧板卸掉后，即可松开板束，卸下板片，进行机械清洗。

10：容易改变换热面积或流程组合
只需要增加（或减少）板片，即可达到需要增加（或减少）的换热面积。

（二）缺点
1：工作压力在2.5MPa以下
板式换热器是靠垫片进行密封的，密封的周边很长，而且角孔的两道密封处的支撑情况较差，垫片得不到足够的压紧力，所以目前板式换热器的最高工作压力仅为2.5MPa；单板面积在1m2以上时，其工作压力往往低于2.5MPa。

2：工作温度在250℃以下
板式换热器的工作温度决定于密封垫片能承受的温度。

用橡胶类弹性垫片时，最高工作温度在200℃以下；用压缩石棉绒垫片(Caf)时，最高工作温度为250~260℃。

3：不宜于进行易堵塞通道的介质的换热
板式换热器的板间通道很窄，一般为3~5mm，当换热介质中含有较大的固体颗粒或纤维物质，就容易堵塞板间通道。

对这种换热场合，应考虑在入口安装过滤装置，或采用再生冷却系统。

板式换热器早期只应用于牛奶高温灭菌、果汁加工、啤酒酿造等轻工业部门。

随着制造技术的提高，出现了耐腐蚀的板片材料和耐温、耐腐蚀的垫片材料，板片也逐渐大型化。

现代的板式换热器广泛地应用于各种工业中，进行液—液、气—液、汽—液，换热和蒸发、冷凝等工艺过程。

诸如：化学工业、食品工业、冶金工业、石油工业、电站、核电站、海洋石油平台、机械工业、污水处理、民用建筑工业等。

1.4产品质量及产生的问题
板式换热器的零部件品种少，标准化、通用化程度高，所以制造工艺很容易实现规范化。

国外大型的板式换热器制造厂都有自己的质量标准，但均不公开对外。

目前尚无板式换热器制造的国际标准或通用的先进标准。

这就给产品的质量控制带来了问题。

我国根据自己的生产、使用实践，并分析了国外产品的质量，制定了专业标准，即：ZBJ74001-87《可拆卸板式换热器技术条件》、JB/TQ540-87《可拆卸板式换热器性能测试方法》、JB/TQ538-87《可拆卸板式换热器质量分等》。

适用于轻工、医药、食品、石油、化工、机械、冶金、矿山、电力及船舶等部门。

综上所述，对板式换热器的主要制造技术要求是：
一、制造材料
我国板式换热器主要零部件的制造材料参见表1-6、表1-7。

二、半片质量
1：表面不允许超过厚度公差的凹坑、划伤、压痕等缺陷，冲切毛刺必须清除干净。

2：食品工业用的板片，冲压后其工作表面的粗糙度应不低于原板材。

3：波纹深度偏差应不大于0.20mm，垫片槽深度偏差也不应大于0.20mm。

4：成型减薄量应不大于原实际板厚的30%。

5：任意方向的基面平行度不大于3/1000mm。

三、垫片质量
1：表面不允许有面积大于3mm2、深度大于1.5mm的气泡、凹坑及其它影响密封性能的缺陷。

2：物理性能和使用温度应符合表1-8的规定：
表1-8垫片性能要求和使用温度
四、换热性能
板片的性能，在水—水换热、逆流运行、热侧定性温差为40℃、两侧流速为0.5m/s条件下的总传热系数，对水平平直波板片，应大于2210W/(m2.K);对于人字形波纹板片，应大于2908W/(m2.K)。

在第二章及以后章节，将会对板式换热器的热力计算进行重点、综合的研究。

五、液压试验
以水为实验液体，两侧应分别进行单侧压力试验，试验压力为1.25倍设计压力。

试压后应排除积水，吹干或晾干，然后再夹紧。

第二章板式换热器热力及相关计算
2.1传热过程
板式换热器中冷、热流体之间的换热一般都是通过流体的对流换热（或相变换热）、垢层及板片的导热来完成的，由于参与传热的流体通常都是液体而不是气体，故不存在辐射换热。

（一）对流换热
对流和导热都是传热的基本方式。

对于工程上的传热过程，流体总是和固体壁面直接相接触的。

因此，热量的传递一方面是依靠流体质点的不断运动的混合，即所谓的对流作用；另一方面依靠由于流体和壁面以及流体各处存在温差面造成的导热作用。

这种对流和导热同时存在的过程，称为对流换热。

由于引起流体流动的原因不同而使对流换热的情况有很大的差异，所以将对流换热分为两大类。

一类是自然对流（或称自由流动）换热，即因流体各部分温度不同引起的密度差异所产生的流动换热，如：空气沿散热器表面的自然对流换热；另一类是强制对流（或称为强迫流动）换热，即流体在泵或风机等外力作用下流动时的换热，如：热水在泵的驱动下，在管内流动时的换热。

一般情况下，强制流动时，流体的流速高于自由流动时，所以强制流动的对流换热系数高。

如：空气的自由流动换热系数约为5~25W/（m2.℃），而它的强制流动传热系数为10~100W（m2.℃）。

影响对流换热的因素很多，如流体的物性（比热容、导热系数、密度、粘度等），换热器表面形状、大小，流体的流动方式，都会影响对流换热，而且情况很复杂。

在传热计算上为了方便，建立了以下的对流换热量的计算公式（牛顿冷却公式）：
Q=α（t
w -t
f
）A
或q=α（t
w -t
f
）
有该公式可见，影响对流换热的因素都被归结到对流换热系数中，对流换热系数数值上的大小反映了对流换热的强弱。

（二）相变换热
在对流换热中发生着蒸汽的凝结或液体的沸腾（或蒸发）的换热过程，统称为相变换热。

由于在这类换热过程中，同时发生着物态的变化，情况要比单相流体中的对流换热复杂得多，所以，相变换热问题成为一个独立的研究领域，而一般的对流换热问题也就仅指单相流体而言。

1：凝结换热
蒸汽和低于相应压力下饱和温度的壁面相接触，在壁面上就会发生凝结。

蒸汽释放出汽化潜热而凝结成液体，这种放热现象称为凝结换热。

按照蒸汽在壁面上的凝结形式不同，可分为两种凝结。

一种为膜状凝结，即凝结液能很好地润湿壁面，凝结液以颗粒状液珠的形式附着在壁面上，如水蒸汽在有油的壁面上凝结情况。

膜状凝结时所释放出来的潜热必须通过凝结膜才能供给较低温度的壁面，显然，这层液膜成为一项热阻。

而珠状凝结时，换热是在蒸汽与液珠表面和蒸汽与裸露的冷壁间进行的，所以膜状凝结传热系数要比珠状凝结传热系数低，如：水蒸汽在大气压下，膜状凝结传热系数约为6000~104/(m2.℃)，而珠状凝结时则为4*(104~106)W/(m2.℃)。

但是在工业过程中，一般都是膜状凝结，除非对壁面进行预处理或在蒸汽中加入促进剂。

对于单一介质，在层流膜状凝结情况下，不考虑液膜内流体的对流，则液膜层中的温度τ和速度ω分布如图2-1所示：。