板式換熱器的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用進(jìn)展

邵擁軍張文林

（1. 天津市普萊特科技發(fā)展有限公司，天津 300384；2. 河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，天津 300130）

板式換熱器的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用進(jìn)展

邵擁軍1張文林2

（1. 天津市普萊特科技發(fā)展有限公司，天津 300384；2. 河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，天津 300130）

對(duì)板式換熱器的結(jié)構(gòu)和使用等進(jìn)行介紹。討論了發(fā)展板式換熱器的意義，介紹了國(guó)內(nèi)外板式換熱器的發(fā)展及現(xiàn)狀，論述了一些目前研究采用的新技術(shù)和新方法。最后對(duì)板式換熱進(jìn)行了展望，指出板式換熱器在廣泛的領(lǐng)域?qū)⒋笥凶鳛椤?/p>

板式換熱器；結(jié)構(gòu)；應(yīng)用；研究現(xiàn)狀；進(jìn)展

板式換熱器是由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成的一種高效換熱器。換熱器的各板片之間形成許多小流通斷面的流道，通過(guò)板片進(jìn)行熱量交換，它與常規(guī)的殼管式換熱器相比，在相同的流動(dòng)阻力和泵功率消耗情況下，其傳熱系數(shù)要高出很多。

近年來(lái)，板式換熱器技術(shù)日益成熟，其傳熱效率高、體積小、重量輕、污垢系數(shù)低、拆卸方便、板片品種多、適用范圍廣，在各個(gè)行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。

1 板式換熱器的結(jié)構(gòu)

板式換熱器的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，它是由板片、密封墊片、固定壓緊板、活動(dòng)壓緊板、壓緊螺柱和螺母、上下導(dǎo)桿、前支柱等零部件所組成。其零部件之少，通用性之高，是任何換熱器所不能比擬的[1]。

板片為傳熱元件，墊片為密封元件，墊片粘貼在板片的墊片槽內(nèi)。粘貼好墊片的板片，按一定的順序置于固定壓緊板和活動(dòng)壓緊板之間，用壓緊螺柱將固定壓緊板、板片和活動(dòng)壓緊板夾緊。壓緊板、導(dǎo)桿、壓緊裝置、前支柱統(tǒng)稱為板式換熱器的框架。按一定規(guī)律排列的所有板片，稱為板束。在壓緊之后，相臨板片的觸點(diǎn)相互接觸，使板片間保持一定的間隙，形成流體的通道。換熱介質(zhì)從固定壓緊板，活動(dòng)壓緊板上的接管中出入，并相間的進(jìn)入板片之間的流體通道，進(jìn)行換熱。

板式換熱器由于框架構(gòu)造不同而有多種形式，最普通的是框架夾板夾緊式，這種結(jié)構(gòu)中，活動(dòng)壓緊板和前支柱之間保留了一段自由空間，拆卸清洗時(shí)，將活動(dòng)壓緊板推向前支柱，然后松開(kāi)板束，就有了清洗空間，可以對(duì)拆片逐張進(jìn)行清洗或檢查。

2 板片型式及其性能[2]

2.1 常用型式

板片按波紋的幾何形狀區(qū)分，有水平平直波紋、人字型波紋、斜波紋等波紋板片，按流體在板間的流動(dòng)形貌區(qū)分，有管狀流動(dòng)、帶狀流動(dòng)、網(wǎng)狀流動(dòng)的波紋板片。

衡量波紋板性能的優(yōu)劣，其主要參數(shù)有傳熱效率，流動(dòng)阻力和承壓能力。一般來(lái)說(shuō)，人字型波紋板片的傳熱效率高、流體阻力大、承壓能力好；水平平直波紋板片，相對(duì)于人字型波紋板片，則傳熱效率低一些，流體阻力小一些，承壓能力也稍低。

人字型波紋板片之所以換熱效率高，流體阻力降大，其原因是板間流道截面變化十分復(fù)雜，易誘發(fā)湍流，同時(shí)，流體在這種多變的流道中流動(dòng)，流道反復(fù)地?cái)U(kuò)張收縮會(huì)更多地消耗能量；而水平平直波紋板片的流道變化則類似正弦曲線，所以，傳熱系數(shù)和流體阻力降都較低。

2.2 特種型式

為適應(yīng)各種工況的需要，在傳統(tǒng)的板式換熱器的基礎(chǔ)上相繼發(fā)展了一些特殊的板式換熱器（用于兩相流的換熱）。

（1）便于裝卸墊片的板片：這種板片上的墊片不是用粘結(jié)劑粘貼在板片上的，而是用楔入法把墊片裝在板片上。由于它裝卸方便，清洗時(shí)可以很快地取出墊片，把墊片槽中的污物清洗干凈，這對(duì)于衛(wèi)生要求很高的場(chǎng)合，有一定的優(yōu)越性。適用于牛奶高溫滅菌，啤酒釀造等。

（2）用于冷凝器的板片：雖然普通的板片也可用作冷凝，但其開(kāi)口太小，使汽側(cè)阻力降大，所以，設(shè)計(jì)了專門的板片，該板片通汽體的角孔特別大，波紋節(jié)矩也較大，以便減小流體阻力，提高冷凝傳熱效果?？捎糜谑蜔捴浦小?/p>

（3）用于蒸發(fā)器的板片：板片的構(gòu)造和普通的波紋板片完全不同，每四片為一組，靠不同形狀的墊片引導(dǎo)介質(zhì)的流向，該種產(chǎn)品可用于明膠和乳品的蒸發(fā)濃縮過(guò)程中。

（4）板管式板片：板片組合在一起后，流道呈蜂窩狀，其中一個(gè)通道較大，另一個(gè)通道較小，其比例至少是2：1。由這種板片組成的板式換熱器可用于低壓降的蒸發(fā)、冷凝、以及對(duì)含顆粒的流體進(jìn)行換熱。

（5）雙層板片：這種板片是由兩層板壓合在一起，兩板之間有一個(gè)向外的小口，當(dāng)其中一層因腐蝕穿孔時(shí)，流體便進(jìn)入兩板間的縫隙，并從板邊小口流出。這種板片用于兩種換熱介質(zhì)絕對(duì)不能混合的場(chǎng)合。

（6）石墨材料板片：石墨材料板片是用石墨和氟塑料合成的材料壓制而成的，用耐腐蝕材料制造的平墊片進(jìn)行密封。石墨材料具有優(yōu)良的抗腐蝕和良好的傳熱性能，并且熱膨脹小，可用于強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的換熱。

（7）寬窄通道的板片：寬窄通道板片也是一種“孿生”板片，兩板片的波紋結(jié)構(gòu)不同，組合在一起，形成相鄰間通道一寬一窄，這種板式換熱器，有一側(cè)可適用于含纖維顆?；蚋哒扯冉橘|(zhì)的換熱。

3 新型換熱器及應(yīng)用

近年來(lái)，隨著強(qiáng)化傳熱理論的發(fā)展和機(jī)械加工技術(shù)的提高，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了許多新型高效的換熱器，下面介紹幾種新型板式換熱器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用[3-4]。

3.1 Packinox換熱器

Packinox換熱器是一個(gè)所有部件都焊接且無(wú)密封圈的板式換熱器。它是用爆炸法成波紋狀傳熱面積堆積而成，各板側(cè)面間隙用焊接焊成，從而形成管束狀的帶型，通常管束狀的帶型填充在耐壓的容器內(nèi)，各流體在板間交錯(cuò)流動(dòng)或完全逆向流動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊。緊湊、輕型的Packinox換熱器能提供的表面積為1 000-10 000 m2，承受的壓力差可達(dá)到4 MPa。

Packinox換熱器具有重量輕、體積小、配管費(fèi)用和建設(shè)減小的特性，因此得到廣泛應(yīng)用。

3.2 薄板型Lamella換熱器

薄板型換熱器的每一部件由兩個(gè)薄金屬片組成，金屬片之間用等離子焊接一起，在邊緣形成一長(zhǎng)而窄的流動(dòng)隧道或薄層，在沿金屬片的長(zhǎng)度方向有一排凹痕，這些金屬片是用凹痕點(diǎn)焊成，利用凹痕可以增加湍流和加強(qiáng)薄片強(qiáng)度，以承受很高的操作壓力。薄板型換熱器無(wú)折流板，能提供正確的逆向流動(dòng)，兩邊單一的縱向流動(dòng)可以減小污濁和允許最大壓力損失的利用。這無(wú)疑對(duì)于泥漿料和纖維狀物料可以容易操作。

薄板型換熱器結(jié)構(gòu)輕型、緊湊，它不限于應(yīng)用單相流動(dòng)，還可以用于冷凝和蒸發(fā)。

3.3 塊式換熱器

塊式換熱器具有特殊耐熱、高濃度、耐氯化和氧化的特點(diǎn)，其容許溫度達(dá)1 300-1 400℃。并能處于冷卻狀況下進(jìn)行操作。塊式換熱器是由熱導(dǎo)率為120 W/m · K的陶瓷材料制成的，塊式元件用0.8 mm厚的卡片材料逐層重疊，并由陶瓷燒結(jié)而成。在燒制陶瓷時(shí)，不但在大部分硅滲入碳化硅陶瓷上遺留細(xì)孔，而且完全緊密。這種特殊的均勻結(jié)構(gòu)和均勻細(xì)孔，能提高耐腐蝕持久性能，最高進(jìn)氣溫度可達(dá)200℃。

3.4 毛細(xì)板式換熱器

毛細(xì)板式換熱器是由Enka公司制造的，這種緊湊換熱器具有從污染物和廢氣中獲熱的特殊功能。

4 板式換熱器的研究進(jìn)展

4.1 板式換熱器實(shí)驗(yàn)研究

目前，板式換熱器設(shè)計(jì)、運(yùn)行主要依靠實(shí)驗(yàn)研究。早在132年前，德國(guó)發(fā)明了板式換熱器[1]。1930年，研究出不銹鋼波紋板型板式換熱器，從此為現(xiàn)代板式換熱器奠定了基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)研究和應(yīng)用表明，人字形板片的傳熱特性和流阻特性效果優(yōu)良，所以被大量采用。最具代表性的當(dāng)屬W. W. Focke的實(shí)驗(yàn)，采用有限擴(kuò)散電流技術(shù)（DLCT），通過(guò)類比得到人字形流通的傳熱速率[5-6]。此研究確切地找出了板式換熱器波紋傾角對(duì)傳熱與阻力性能的定性關(guān)系，也為板式換熱器的實(shí)驗(yàn)指出了途徑。

在創(chuàng)新板型以及研究板型的幾何參數(shù)對(duì)換熱及流動(dòng)的影響時(shí)。Muley等通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了多種板式換熱器的數(shù)據(jù)，得到了一系列傳熱及流阻的綜合關(guān)系式[7]。Mir-Akbar Hessami通過(guò)兩種板片從層流到紊流區(qū)的實(shí)驗(yàn)，在不改變波紋高度和波紋距離的條件下，比較了60°和45°的波紋，指出對(duì)于60°波紋人字形板片的努謝爾數(shù)和摩擦系數(shù)是45°的2倍左右[8]。

對(duì)于板式換熱器的阻力特性和壓力分析問(wèn)題，Reinhard Wurfel等進(jìn)行了較細(xì)致的研究，影響板式換熱器性能的主要原因之一是變負(fù)荷及波紋板幾何參數(shù)[9]。Yasa Eslamoglu等對(duì)空氣流過(guò)水平平直波紋板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)試不同流道高度對(duì)傳熱與阻力的影響，發(fā)現(xiàn)努謝爾數(shù)隨著流道高度的增加而增大，但摩擦系數(shù)也會(huì)增加，實(shí)驗(yàn)表明小間距流道傳熱效果好[10]。Reinhared Wiirful等對(duì)波紋板式換熱器蒸汽冷凝性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，在完全凝結(jié)工況下研究了不同板片結(jié)構(gòu)、不同負(fù)荷及波紋傾角對(duì)換熱和流阻的影響[11]。

流體的不均勻分布是影響板式換熱器性能的另一個(gè)主要因素。B. Prabhakara等對(duì)板式換熱器中不均勻流動(dòng)做了分析研究。實(shí)驗(yàn)中考慮了非均勻流動(dòng)分布因素，建立了新的傳熱與流動(dòng)阻力公式，其結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合較好[12]。Saboya F. E. M等采用了荼升華技術(shù)對(duì)波紋槽道的流動(dòng)二維速度場(chǎng)進(jìn)行了可視化研究[13]。Vlasongiannis P等[14]通過(guò)高速攝影機(jī)測(cè)量了氣水混合物傳熱系數(shù)比同樣條件下的液體流動(dòng)的傳熱系數(shù)高很多，尤其當(dāng)冷卻介質(zhì)中水速較低時(shí)（<0.025 m/s），氣體流動(dòng)貫穿整個(gè)流道，而受氣體剪切的液體水則在層流下做溪狀流動(dòng)，這時(shí)傳熱效果最佳。

國(guó)內(nèi)在70年代開(kāi)始對(duì)人字形波紋板片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。趙鎮(zhèn)南[15]系統(tǒng)地研究了波紋傾角對(duì)板式換熱器的影響和人字形波紋通道中的基本流型。許淑惠[16]對(duì)板式換熱器的壓力分布和阻力特性進(jìn)行了研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)揭示了兩種板型進(jìn)口段的流型分布以及壓力損失的原因所在。周明連等[17]通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)對(duì)板式換熱器進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)板式換熱器內(nèi)存在的偏流等流量分配不均現(xiàn)象降低了板式換熱器的傳熱性能，并增大了內(nèi)部流動(dòng)阻力。近些年采用局部組合通道內(nèi)的可視化及傳熱機(jī)理研究方法預(yù)測(cè)板式換熱器的傳熱及流阻特性，為開(kāi)發(fā)新板片開(kāi)辟了一種新的途徑。

4.2 板式換熱器CFD研究

板式換熱器實(shí)物實(shí)驗(yàn)投資大，時(shí)間長(zhǎng)，花費(fèi)大量的人力；一些大型換熱器及復(fù)雜工況條件下的換熱器難以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。計(jì)算流體力學(xué)（CFD）手段對(duì)板式換熱器進(jìn)行數(shù)值模擬逐漸成為一種高效、經(jīng)濟(jì)的研究手段。1974年，Patankar等[18]首先采用CFD手段對(duì)熱交換器進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算了管殼式熱交換器的流阻。

Carla S. Fernandes等運(yùn)用CFD軟件對(duì)板式換熱器中攪拌酸奶的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行了模擬，建立了非牛頓流體模型，得到了速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布[19]。Flavio C. C等[20]對(duì)平板式板式換熱器進(jìn)行了模擬計(jì)算，結(jié)果證明平板式換熱器中的流動(dòng)多為層流，局部呈現(xiàn)湍流狀態(tài)。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了計(jì)算的有效性及正確性。

Kone Grijspeerdt等對(duì)人字形板式換熱器分別做了3維和2維的數(shù)值計(jì)算。在2維計(jì)算中得到波紋形狀的影響，3維計(jì)算中確定了波紋角度的影響，最終得到優(yōu)化波紋的模型[21]。Ciofalo. M.等利用有限元法和低雷諾數(shù)下的k-ε模型，對(duì)波紋板式換熱器過(guò)渡區(qū)和弱紊流區(qū)進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為其它板式換熱器的數(shù)值計(jì)算提供了參考[22]。

近幾年，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)板式換熱器CFD方面的研究取得很大的進(jìn)展。楊勇[23]采用曲線坐標(biāo)下的低雷諾數(shù)模型對(duì)波紋板式換熱器進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了速度場(chǎng)及溫度場(chǎng)。張廣明等[24]采用CFD軟件對(duì)人字形板式換熱器進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)波紋傾角對(duì)流型變化影響很大，可能出現(xiàn)十字交叉流和曲折流。曲寧[25]截取流道的一半為計(jì)算區(qū)域，對(duì)人字型板片進(jìn)行數(shù)值模擬，得到槽道內(nèi)的3維壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)，詳細(xì)分析了波紋傾角、波高和波距對(duì)流動(dòng)與換熱的影響。任承欽等[26]設(shè)計(jì)了一種隔板為六邊形的板式換熱器，并對(duì)此進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明該新型換熱器具有準(zhǔn)逆流換熱的特點(diǎn)和強(qiáng)化換熱作用。景步云等[27]對(duì)R22在板式蒸發(fā)器中沿流動(dòng)方向各點(diǎn)分布參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，采用穩(wěn)態(tài)分布參數(shù)法建立仿真模型，并分析了板式換熱器中介質(zhì)流動(dòng)時(shí)壓力和板壁溫度的變化情況。

藍(lán)少健等[28]對(duì)波紋板式換熱器波紋板內(nèi)、外流體流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。流體在板內(nèi)流動(dòng)時(shí)存在流動(dòng)死區(qū)，此處傳熱效果差，導(dǎo)致板壁面出現(xiàn)熱點(diǎn)。板間凹凸波紋結(jié)構(gòu)起到了強(qiáng)化煙氣側(cè)傳熱的作用，其中凸波紋的作用明顯優(yōu)于凹波紋，同時(shí)，凹波紋區(qū)域存在一定的煙氣脫體現(xiàn)象。該數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)提高波紋板式燃?xì)鉄崴鞯膿Q熱效率有一定的指導(dǎo)意義。

5 結(jié)語(yǔ)

作為一種高效緊湊式換熱器，在加熱、冷卻、冷凝、蒸發(fā)和熱回收過(guò)程中，除了高溫、高壓和特殊介質(zhì)條件外，板式換熱器均已能替代管殼式換熱器。試驗(yàn)證明在板式換熱器適用范圍內(nèi)，絕大多數(shù)工況時(shí)，用不銹鋼板式換熱器比一般碳鋼換熱器投資低，可以預(yù)見(jiàn)板式換熱器與管殼式換熱器的競(jìng)爭(zhēng)會(huì)更加激烈。

此外，我國(guó)板式換熱器在實(shí)驗(yàn)和理論研究方面與國(guó)外先進(jìn)水平相比仍存在較大差距，所以，仍需進(jìn)一步加強(qiáng)深入研究?；谑?、化工、電力、冶金、船舶、機(jī)械、食品、制藥等行業(yè)對(duì)換熱器穩(wěn)定的需求增長(zhǎng)，我國(guó)換熱器產(chǎn)業(yè)在未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)將保持穩(wěn)定增長(zhǎng)。展望板式換熱器的未來(lái)，它會(huì)在更廣泛的領(lǐng)域大有作為。

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Current Situation of Research of Plate Heat Exchanger and Development of Application

Shao Yongjun1Zhang Wenlin2
（1. Tianjin Plate Technology & Development Co., Ltd Tianjin, 300384;2. School of Chemical Engineering, Hebei University of Technology Tianjin, 300130）

In this article, first, the structure and application of plate heat exchanger were introduced and the significance of plate heat exchanger development was discussed. Then, the current situation of plate heat exchanger development at home and abroad was introduced, and some new techniques and methods used in research were stated. Finally, the further development and application plate heat exchanger were prospected.

plate heat exchanger; structure; application; current situation of research; prospect

TQ051.5

A

1008-455X(2012) 03-0058-04

2012-02-09

邵擁軍（1969－），女，工程師，主要從事化工分離過(guò)程與化工設(shè)計(jì)工作。

Tel：020-60202246 E-mail：ctstzwl@163.com