闆式換熱器:高效換熱器-中文百科頻道

概述

闆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新型高效換熱器。各種闆片之間形成薄矩形通道，通過闆片進行熱量交換。它與常規的管殼式換熱器相比，在相同的流動阻力和泵功率消耗情況下，其傳熱系數要高出很多，在适用的範圍内有取代管殼式換熱器的趨勢。

闆式換熱器是液—液、液—汽進行熱交換的理想設備。它具有換熱效率高、熱損失小、結構緊湊輕巧、占地面積小、安裝清洗方便、應用廣泛、使用壽命長等特點。在相同壓力損失情況下，其傳熱系數比管式換熱器高3-5倍，占地面積為管式換熱器的三分之一，熱回收率可高達90%以上。闆式換熱器廣泛應用于冶金、石油、化工、食品、制藥、船舶、紡織、造紙等行業，是加熱、冷卻、熱回收、快速滅菌等用途的優良設備。

闆式換熱器的型式主要有框架式（可拆卸式）和釺焊式兩大類，闆片形式主要有人字形波紋闆、水平平直波紋闆和瘤形闆片三種。

結構原理

可拆卸闆式換熱器是由許多沖壓有波紋薄闆按一定間隔，四周通過墊片密封，并用框架和壓緊螺旋重疊壓緊而成，闆片和墊片的四個角孔形成了流體的分配管和彙集管，同時又合理地将冷熱流體分開，使其分别在每塊闆片兩側的流道中流動，通過闆片進行熱交換。

闆式換熱器的優化設計計算，就是在已知溫差比NTUE的條件下，合理地确定其型号、流程和傳熱面積，使NTUp等于NTUE。

特點

（闆式換熱器與管殼式換熱器的比較）

a.傳熱系數高

由于不同的波紋闆相互倒置，構成複雜的流道，使流體在波紋闆間流道内呈旋轉三維流動，能在較低的雷諾數（一般Re=50~200）下産生紊流，所以傳熱系數高，一般認為是管殼式的3~5倍。

b.對數平均溫差大，末端溫差小

在管殼式換熱器中，兩種流體分别在管程和殼程内流動，總體上是錯流流動，對數平均溫差修正系數小，而闆式換熱器多是并流或逆流流動方式，其修正系數也通常在0.95左右，此外，冷、熱流體在闆式換熱器内的流動平行于換熱面、無旁流，因此使得闆式換熱器的末端溫差小，對水換熱可低于1℃，而管殼式換熱器一般為5℃fff.

c.占地面積小

闆式換熱器結構緊湊，單位體積内的換熱面積為管殼式的2~5倍，也不像管殼式那樣要預留抽出管束的檢修場所，因此實現同樣的換熱量，闆式換熱器占地面積約為管殼式換熱器的1/5~1/8。

d.容易改變換熱面積或流程組合

隻要增加或減少幾張闆，即可達到增加或減少換熱面積的目的；改變闆片排列或更換幾張闆片，即可達到所要求的流程組合，适應新的換熱工況，而管殼式換熱器的傳熱面積幾乎不可能增加。

e.重量輕

闆式換熱器的闆片厚度僅為0.4~0.8mm，而管殼式換熱器的換熱管的厚度為2.0~2.5mm，管殼式的殼體比闆式換熱器的框架重得多，闆式換熱器一般隻有管殼式重量的1/5左右。

f. 價格低

采用相同材料，在相同換熱面積下，闆式換熱器價格比管殼式約低40%~60%。

g. 制作方便

闆式換熱器的傳熱闆是采用沖壓加工，标準化程度高，并可大批生産，管殼式換熱器一般采用手工制作。

h. 容易清洗

框架式闆式換熱器隻要松動壓緊螺栓，即可松開闆束，卸下闆片進行機械清洗，這對需要經常清洗設備的換熱過程十分方便。

i. 熱損失小

闆式換熱器隻有傳熱闆的外殼闆暴露在大氣中，因此散熱損失可以忽略不計，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

約為管殼式換熱器的10%~20%。

k. 單位長度的壓力損失大

由于傳熱面之間的間隙較小，傳熱面上有凹凸，因此比傳統的光滑管的壓力損失大。

l. 不易結垢

由于内部充分湍動，所以不易結垢，其結垢系數僅為管殼式換熱器的1/3~1/10.

m. 工作壓力不宜過大，可能發生洩露

闆式換熱器采用密封墊密封，工作壓力一般不宜超過2.5MPa，介質溫度應在低于250℃以下，否則有可能洩露。

n. 易堵塞

由于闆片間通道很窄，一般隻有2~5mm，當換熱介質含有較大顆粒或纖維物質時，容易堵塞闆間通道。

基本分類

一般情況下，我們主要根據結構來區分闆式換熱器，也就是根據外形來區分，可分為四大類：①可拆卸闆式換熱器（又叫帶密封墊片的闆式換熱器）、②焊接闆式換熱器、③螺旋闆式換熱器、④闆卷式換熱器（又叫蜂窩式換熱器）。

其中，焊接闆式換熱器又分為：半焊接闆式換熱器、全焊接闆式換熱器、闆殼式換熱器、釺焊闆式換熱器。

經常用到的分類還有以下：

根據單位空間内的換熱面積的多少，闆式換熱器屬于緊湊式換熱器，主要是與管殼式換熱器進行比較，傳統的管殼式換熱器占地較大。

根據工藝用途，又有不同的叫法：闆式加熱器、闆式冷卻器、闆式冷凝器、闆式預熱器；

根據流程組合，分為單程闆式換熱器和多程闆式換熱器；

根據兩種介質的流動方向，分為順流（并流）闆式換熱器、逆流闆式換熱器、交叉流（橫流）闆式換熱器，後兩者用的比較多；

按照流道的間隙大小，分為常規間隙闆式換熱器和寬間隙闆式換熱器；

按照波紋，闆式換熱器有更詳細的分别，不再累述，請參考：闆式換熱器闆片波紋形式。

按照是否是成套産品，可分為單機闆式換熱器、闆式換熱器機組。

選型計算

闆型選擇

闆片型式或波紋式應根據換熱場合的實際需要而定。對流量大允許壓降小的情況，應選用阻力小的闆型，反之選用阻力大的闆型。根據流體壓力和溫度的情況，确定選擇可拆卸式，還是釺焊式。确定闆型時不宜選擇單闆面積太小的闆片，以免闆片數量過多，闆間流速偏小，傳熱系數過低，對較大的換熱器更應注意這個問題。

流程和流道的選擇

流程指闆式換熱器内一種介質同一流動方向的一組并聯流道，而流道指闆式換熱器内，相鄰兩闆片組成的介質流動通道。一般情況下，将若幹個流道按并聯或串聯的方式連接起來，以形成冷、熱介質通道的不同組合。

流程組合形式應根據換熱和流體阻力計算，在滿足工藝條件要求下确定。盡量使冷、熱水流道内的對流換熱系數相等或接近，從而得到最佳的傳熱效果。因為在傳熱表面兩側對流換熱系數相等或接近時傳熱系數獲得較大值。雖然闆式換熱器各闆間流速不等，但在換熱和流體阻力計算時，仍以平均流速進行計算。由于“U”形單流程的接管都固定在壓緊闆上，拆裝方便。

壓降校核

在闆式換熱器的設計選型時，一般對壓降有一定的要求，所以應對其進行校核。如果校核壓降超過允許壓降，需重新進行設計選型計算，直到滿足工藝要求為止。

計算方法

關于傳熱系數和壓降的計算，由各個廠家産品的性能曲線計算得到。性能曲線（準則關聯式）一般來自于産品的性能測試。對于缺少性能測試的闆型，也可通過參考尺寸法，根據闆型的特性幾何尺寸獲得闆型的準則關聯式，國際上的一些通用軟件均采用這種方法。

選型軟件

關于闆式換熱器的選型軟件，一般各自廠家根據自己的闆型都有自己的選型軟件。國際上通用的軟件有HTRI，HTFS等。通用的計算軟件公開的很少，國内一些網站如換熱支持網站提供了提供了闆式換熱器的在線計算軟件，可供參考使用。

設計特點

1、高效節能：其換熱系數在3000～4500kcal/m2·°C·h，比管殼式換熱器的熱效率高3~5倍。

2、結構緊湊：闆式換熱器闆片緊密排列，與其他換熱器類型相比，闆式換熱器的占地面積和占用空間較少，面積相同換熱量的闆式換熱器僅為管殼式換熱器的1/5。

3、容易清洗拆裝方便：闆式換熱器靠夾緊螺栓将夾固闆闆片夾緊，因此拆裝方便，随時可以打開清洗，同時由于闆面光潔，湍流程度高，不易結垢。

4、使用壽命長：闆式換熱器采用不鏽鋼或钛合金闆片壓制，可耐各種腐蝕介質，膠墊可随意更換，并可方便在、拆裝檢修。

5/适應性強：闆式換熱器闆片為獨立元件，可按要求随意增減流程，形式多樣；可适用于各種不同的、工藝的要求。

6、不串液，闆式換熱器密封槽設置洩液液道，各種介質不會串通，即使出現洩露，介質總是向外排出。

應用範圍

闆式換熱器已廣泛應用于冶金、礦山、石油、化工、電力、醫藥、食品、化纖、造紙、輕紡、船舶、供熱等部門，可用于加熱、冷卻、蒸發、冷凝、殺菌消毒、餘熱回收等各種情況。

太陽能利用：參與太陽能集熱闆中傳熱介質乙二醇等防凍液熱量交換過程，以達到利用太陽能目的。

化學工業：制造氧化钛、酒精發酵、合成氨、樹脂合成、制造橡膠、冷卻磷酸、冷卻甲醛水、堿炭工業、電解制堿。

鋼鐵工業：冷卻淬火油，冷卻電鍍用液、冷卻減速器潤滑油、冷卻軋制機、拉絲機冷卻液。

冶金行業：鋁酸鹽母液的加熱和冷卻，冷卻鋁酸鈉，煉鋁軋機潤滑油冷卻。

機械制造業：各種淬火液冷卻，冷卻壓力機、工業母機潤滑油，加熱發動機用油。

食品工業：制鹽，乳品，醬油，醋的殺菌、冷卻，動植物油加熱、冷卻，啤酒生産中啤酒、麥芽汁的加熱冷卻，制糖，明膠濃縮，殺菌、冷卻，制造谷氨酸鈉。

紡織工業：各種廢液熱回收，沸騰磷化纖維的冷卻，冷卻粘膠液，醋酸和酸醋酐的冷卻，冷卻堿水溶液，粘膠絲的加熱和冷卻。

造紙工業：冷卻黑水，漂白用鹽、堿液的加熱、冷卻，玻璃紙廢液的熱回收，加熱蒸煮酸，冷卻氫氧化鈉水溶液，回收漂白張紙的廢液，排氣的凝縮，預熱濃縮紙漿似的廢液。

集中供暖：熱電廠廢熱區域供暖，加熱生活用水，鍋爐區域供暖。

油脂工業：加熱、冷卻合成洗滌劑，加熱鲸油，冷卻植物油，冷卻氫氧化鈉，冷卻甘油、乳化油。

電力工業：發電機軸泵冷卻，變壓器油冷卻。

船舶：柴油機，中央冷卻器，卸套水冷卻器，活塞冷卻器，潤滑油冷卻器，預熱器，海水淡化系統（包括多級及單級）。

海水養殖育苗：配套鍋爐給育苗海水升溫已節約煤炭的使用，從而節能環保提高效率。

其他：醫藥、石油、建陶、玻璃、水泥、地熱利用等。

常見故障

外漏

主要表現為滲漏(量不大，水滴不連續)和洩漏(量較大，水滴連續)。外漏出現的主要部位為闆片與闆片之間的密封處、闆片二道密封洩漏槽部位以及端部闆片與壓緊闆内側。

串液

主要特征為壓力較高一側的介質串入壓力較低一側的介質中，系統中會出現壓力和溫度的異常。如果介質具有腐蝕性，還可能導緻管路中其它設備的腐蝕。串液通常發生在導流區域或者二道密封區域處。

壓降大

介質進、出口壓降超過設計要求，甚至高出設計值許多倍，嚴重影響系統對流量和溫度的要求。在供暖系統中，若熱側壓降過大，則一次側流量将嚴重不足，即熱源不夠，導緻二次側出溫度不能滿足要求。

處理方法

外漏

産生原因

①夾緊尺寸不到位、各處尺寸不均勻（各處尺寸偏差不應大于3 mm）或夾緊螺栓松動。② 部分密封墊脫離密封槽，密封墊主密封面有髒物，密封墊損壞或闆式換熱器密封墊片老化。③ 闆片發生變形，組裝錯位引起跑墊。④在闆片密封槽部位或二道密封區域有裂紋。實例：北京、青海和新疆等地的多個熱力站均采用飽和蒸汽作為一次側熱源供暖，由于蒸汽溫度較高，在設備運行初期系統不穩定的情況下，橡膠密封墊在高溫下失效，引起蒸汽外漏。

處理方法

① 在無壓狀态，按制造廠提供的夾緊尺寸重新夾緊設備，尺寸應均勻一緻，壓緊尺寸的偏差應不大于±0．2N (mm)(N。為闆片總數），兩壓緊闆間的平行度應保持在2 mm 以内。② 在外漏部位上做好标記，然後換熱器解體逐一排查解決，重新裝配或更換墊片和闆片。③ 将開換熱器解體，對闆片變形部位進行修理或者更換闆片。在沒有闆片備件時可将變形部位闆片暫時拆除後重新組裝使用。④ 重新組裝拆開的闆片時，應清潔闆面，防止污物粘附着于墊片密封面。

串液

産生原因

① 由于闆材選擇不當導緻闆片腐蝕産生裂紋或穿孔。②操作條件不符合設計要求。③ 闆片冷沖壓成型後的殘餘應力和裝配中夾緊尺寸過小造成應力腐蝕。④闆片洩漏槽處有輕微滲漏，造成介質中有害物質（如C1）濃縮腐蝕闆片，形成串液。實例：某鋁業有限公司硫酸系統中1台闆片材料為254 SMo的BR03闆式換熱器，在運行5個月後出現冷卻水側碳鋼接管腐蝕洩漏，酸液洩漏到了冷卻水側。檢查發現闆片酸液進口處和導流區域有嚴重的腐蝕及開裂現象。現場分析發現，系統運行溫度、流量和濃度等工藝參數均超出設計條件，使用溫度遠超出材料的适用範圍。采用飽和蒸汽作為一次側熱源的闆式換熱器在運行過程中容易發生闆片腐蝕，導緻産品串液。這是由于蒸汽溫度較高，設備運行中很容易造成橡膠密封墊在高溫下失效，引起蒸汽外漏并在二道密封區域急速冷凝。随着外漏的不斷進行，冷凝殘液越聚越多，局部形成cl質量濃度較高區域，達到破壞闆片表面鈍化層的腐蝕條件。同時，由于此區域闆片冷沖壓形成的内部應力較大，在表面鈍化層被破壞的情況下，内部應力作用導緻應力腐蝕的發生。

處理方法

① 更換有裂紋或穿孔闆片，在現場用透光法查找闆片裂紋。②調整運行參數，使其達到設計條件。

③換熱器維修組裝時夾緊尺寸應符合要求，并不是越小越好。④闆式換熱器闆片材料合理匹配。

壓降過大

産生原因

①運行系統管路未進行正常吹洗，特别是新安裝系統管路中許多髒物（如焊渣等）進入闆式換熱器的内部，由于闆式換熱器流道截面積較窄，換熱器内的沉澱物和懸浮物聚集在角孔處和導流區内，導緻該處的流道面積大為減小，造成壓力主要損失在此部位。

② 闆式換熱器首次選型時面積偏小，造成闆間流速過高而壓降偏大。

③ 闆式換熱器運行一段時間後，因闆片表面結垢引起壓降過大。

實例：2000年我廠為提新疆用戶提供了BR10型闆式換熱器，用于水一水換熱的集中供熱系統，一次供水設計溫度為130℃。在換熱器設計選型時，傳熱導數偏高，接近5 500 w/(rn ·K），而實際應在3 500 w/(rn ·K）。同時，設計單位在水泵選型時流量餘量又偏大，造成換熱器二次側介質闆間流速超過1 m/s，實際運行壓降在0.2～0.3 MPa，使得二次網水力平衡嚴重失調。

處理方法

① 清除換熱器流道中的髒物或闆片結垢，對于新運行的系統，根據實際情況每周清洗一次。清洗闆片表面水垢（主要指CaCO3）時，選用含0.3 氨基磺酸溶液或含0.3 烏洛托品、0.2 苯胺、0.1硫氰酸鉀的0.8 硝酸溶液作為清洗液，清洗溫度4O～6O℃。不拆卸設備化學浸泡清洗時，要打開換熱器冷介質進、出口，或安裝設備時在介質進、出口接管上安裝DN25清洗口，将配好的清洗液注入設備中，浸泡後用清水清洗幹淨殘留酸液，使pH≥7。拆開清洗時，将闆片在清洗液中浸泡30 min，然後用軟刷輕刷結垢，最後用清水清洗幹淨。清洗過程中應避免損傷闆片與橡膠墊。若采用不拆卸機械反沖洗方法，應事先在介質進、出口管路上接一管口，将設備與機械清洗車連接，把清洗液按介質流動的反方向注入設備，循環清洗時間10～15 min，介質流速控制在0.05～0.15 m/s。最後再用清水循環幾遍，使清水中Cl質量濃度控制在25 mg/I 以下。

② 二次循環水最好采用經過軟化處理後的軟水，一般要求水中懸浮物質量濃度不大于5 mg/L、雜質直徑不大于3 mm、pH≥ 7。當水溫不大于95℃時，Ca 、Mg 濃度應不大于2 mmol/L；當水溫大于95℃ 時，Ca 、Mg 濃度應不大于0．3 mmol/L、溶解氧質量濃度應不大于0．1 mg/L。

③對于集中供熱系統，可以采用一次向二次補水的方法。