板式换热器的换热性能和经济性分析

板式换热器的应用及换热特性分析

板式换热器作为一种高效、节能、紧凑、易清洗、易更换、易调整负荷变化、而零部件极少、故障率极低的热工产品，近几年来，广泛应用于化工（化肥、农药、硫酸、磷酸、烧碱、反应加热或冷却）、轻工（杀菌消毒）、石油（加热或冷却）、电力（变压器油冷却）、冶金（各种加热设备外表面的冷却和废热回收）、机械（润滑油冷却）、食品（啤酒、饮料、果汁）、温室养殖以及人们日常生活（生活热水、采暖、制冷）当中。

我国在60年代初期开始研制，而我公司是在板式换热器的设计技术比较成熟的90年代初期投资建成并投产，一次投产两台大吨位压力机，其中一台直到目前仍为国内最大吨位板式换热器专用压力机（行业内公认的）；十年来，我们对板式换热器的应用行业进行了大量的摸索、试验和总结，积累了相当的应用和选型经验，发现它的长处和不足。到目前为止，我们还在不断总结、改进和拓展它的应用领域范围，使得它的优异性能充分发挥。

此文意在简单介绍板式换热器的基本换热原理，消除人们的一些偏见认识（如板片的薄厚影响换热性能等），使得应用者对该设备的工作原理有正确的了解，能够用其长、避其短，发挥它的高效作用，确保安全工作，延长使用寿命，降低使用成本。

使用换热器的目的，是使两种流体在不互相混合的情况下进行热交换，将高温流体的热量（热能）迅速、高效（节能）的传递给低温

流体，达到人们所需要的降温或者加热或者其他热能应用目的。板式换热器可以使两流体的末端温差缩小达到1℃（而传统的列管换热器大约为5℃），而且两种换热流体的温度可以交叉（列管换热器不可以交叉）。另外，板式换热器的传热系数高，对数平均温差大，占地面积小，重量轻，污垢系数低，清洗方便，可以多种介质换热，容易改变换热面积等等。它的不足之处是工作压力和温度较低，要求换热介质干净无固体颗粒性和纤维性杂质。

从传热学的角度分析，板式换热器的两种流体介质之间换热，经过了五个环节的传热过程，①热流体与金属板壁表面的传热过程，②金属板热侧表面污垢的传热，③金属板自身的热传导过程，④金属板冷侧表面污垢的传热，⑤金属板壁冷侧表面与冷流体的传热过程。第③项金属板自身的热传导性能强弱，用导热系数表示(λ)，它是物质自身的固有性能，如下表：

第①、⑤项除了与两侧流体的自身性能――导热系数(λ)有关以外，主要决定于流动状态（流动速度、与金属接触表面光洁度、对流体的扰动情况等），我们统一用传热系数(α)表示，α的计算比较复杂，一般通过实验室测量确定。

板式换热器的换热过程如图所示：

从该图中可以看出，热流体中心温度t 1,金属板两侧表面温度t 01，

t 02，冷流体中心温度t 2，每一个温度段之间都有传（导）热系数（α

或λ）。那么对于板式换热器整体来说，我们只关心它总的换热效果

（换热性能），即从t 1 到t 2这个过程的总换热性能（用总换热系数K

来衡量），它是通过下式计算的：

)11(1

2211αλδα++++=s s R R K ；

式中R s1和R s2为板片两侧污垢对传热的影响系数（污垢系数），

一般由试验和经验总结所得，在此我们考虑到板式换热器的介质流动

速度较大，还有板片的波纹扰动，板片容易清洗等因素，我们不予考

虑污垢系数R s1和R s2对传热的影响。

δ为板片厚度，λ为板片的导热系数。

对于目前常规板式换热器的人字形波纹和波纹深度，用于水－水

换热时，α一般为8000－10000W/m 2·℃.

上式中α1和α2均取9000 W/m 2·℃是比较合理的，那么，对于

采用不同厚度的换热板片（材料相同）时，总的换热系数分别计算为：

C m W K ︒⋅=+-⨯+=/4352)9000

1533104.090001(1

4.0 C m W K ︒⋅=+-⨯+=/4247)90001533107.090001(1

7.0

可见，采用0.4mm 和0.7mm 的同样不锈钢材料板片时，换热性能

可以提高：

%47.2%1004247

424743521=⨯-=P 但是，材料成本可以减少的比例为：

%8.42%1007

.04.07.02=⨯-=P 板式换热器的板片，其目的是为了隔绝两种不能混合的换热介质

（尤其是在化工、医药和食品卫生方面，有时两种介质是绝对不能互

相渗漏的），采用一定厚度的板片材料，可以避免压制波纹时的局部

减薄、使用时介质的腐蚀减薄、具有一定承压强度余量，保证使用安

全和使用寿命。

从使用者的角度来看，我们认为，用牺牲换热器使用安全性和使

用寿命的42.8％来获得 2.47％的换热性能提高是不科学和不经济

的，是对客户的不负责任，可能会使换热器的维修率大幅度提高，使

用寿命有很大程度的缩短。可见，我国的板式换热器执行标准

GB16409-1996中明确规定，板片厚度不得小于0.5mm 是很有道理的，

我们多年的使用经验证明，该专业标准的规定是不能被轻视的。