构造和工作原理简介

板式热交换器按构造分为可拆卸（密封垫式）、全焊式和半焊式三类，以密封垫式的应用为最广。它们的工作原理基本相同。可拆卸板式热交换器由三个主要部件——传热板片、密封垫片、压紧装置及其他一些部件，如轴、接管等组成（图3.6（a））。在固定压紧板上，交替地安放一张板片和一个垫圈，然后安放活动压紧板，旋紧压紧螺栓即构成一台板式热交换器。各传热板片按一定的顺序相叠即形成板片间的流道，冷、热流体在板片两侧各自的流道内流动，通过传热板片进行热交换（图3.7）。

图3.6 板式热交换器

图3.7 板式热交换器中的换热

1）传热板片

传热板片是板式热交换器的关键元件。它的设计主要考虑两方面因素：①使流体在低速下发生强烈湍流，以强化传热；②提高板片刚度，能耐较高的压力。

传热板片的波纹形式不同会对传热及流动阻力有较大影响，为满足不同传热场合的需要，人们已研发出多种多样的波纹板片[19]。不同波纹结构形式的板片所组成的流道使流体形成带状流、网状流和旋网流等不同方式的流动，图3.8所示为列入我国原板式热交换器国家标准GB16409—1996的板片波纹形式。就应用而论，以人字形波纹板和水平平直波纹板为最广。

图3.8 我国板式热交换器国家标准的板片波纹形式

图3.9 人字形板式热交换器

人字形波纹板——它的断面形状常为三角形（图3.9（a）），人字形之间夹角通常为120°。板式热交换器组装时，每相邻两板片是相互倒置的，从而形成网状触点，并使通道中流体形成网状旋网流（参阅图3.14）。据统计，装配后相邻两板片间能形成多达2300个支承触点（在1m2投影面积上）。流体从板片一端的一个角孔流入，可从另一端同一侧的角孔流出（称之为“单边流”），或另一端另一侧的角孔流出（称之为“对角流”）（图3.9（d））。根据各种板片的对比试验表明，此种板片不仅刚性好，传热性能也较好。经国内改进的人字形板式热交换器传热系数达到7000W/（m2·℃）以上（水-水，无垢阻），压力降也得到了改善。一般，人字形板的流阻较大，且不适宜于含颗粒或纤维的流体。

水平平直波纹板——图3.10所示为一种断面形状为等腰三角形的水平平直波纹板。它的传热和流体力学性能均较好，传热系数可达5800W/（m2·℃）（水-水，无垢阻）。其他断面形状的还有有褶的三角形波纹（英国APV公司）、阶梯形波纹（日本蒸馏工业所制造的NPH型板）均属此类。

不论何种板片，它们都具有以下共同部分：强化传热的凹凸形波纹；板片四周及角孔处的密封槽；流体进出孔（角孔，一般为圆形，大型冷凝器板片角孔常为三角形）；悬挂用缺口。板片组装后两板片间都有相互接触的地方，称为触点。如，水平平直波纹板上的小平面就是为了形成支承点（图3.10）。其作用是在板片两侧出现压差时，保持流道的正常间隙形状，同时使流动“网状”化，强化传热。经验表明，合理的触点设计是提高板片耐压程度的有效途径。

板片材料有碳钢、不锈钢、铝及其合金、黄铜、蒙乃尔合金、镍、钼、钛、钛钯合金及氟塑料-石墨等。目前应用最广的是不锈钢常用于净水、河川水、食物油、矿物油。由于钛的耐腐蚀性能好，特别是在含氯介质中，所以虽然钛很贵，钛板热交换器仍被用于化工等腐蚀性强的场合。板片的厚度很薄，为0.5～1.5mm，通常为1mm左右。制造板式热交换器的关键是板片的成型，目前几乎全是冲压型板。

图3.10 水平平直波纹板片

2）密封垫片

图3.11 密封垫片

为了防止流体的外漏和两流体之间内漏，必须要有密封垫片（图3.11）。密封垫一方面对流体起密封作用，另一方面又将冷热流体分配至相应的流道内。它安装于密封槽中，运行中承受压力和温度，而且受着工作流体的侵蚀，此外在多次拆装后还要求它具有良好的弹性。对橡胶质量的要求除了耐蚀、耐温外，还要求其他物理性能满足下列要求：根据使用压力不同，硬度一般应在65～90邵氏硬度，压缩永久变形量不大于10%，抗拉强度≥8MPa，延伸率≥200%。板式热交换器运行中出现的故障，很少是板片或其他机件的损坏，大部分是垫圈发生问题，如脱垫、伸长、老化、断裂等。所以，对于板式热交换器的密封垫片的材料有着特殊的要求。我国板式换热器产品中使用的密封垫片材料有：丁腈橡胶、高温橡胶、三元乙丙橡胶、氟橡胶、氯丁橡胶、硅橡胶及石棉纤维板。以三元乙丙橡胶用得最多（适用温度为-50～150℃），石棉纤维板适用温度为最高（20～250℃）。随着工艺对操作压力和温度提出更高的要求，板式热交换器的密封结构改进也成为人们的注意力集中点。密封问题之所以显得这样突出，是因为它的密封周边很长。如，一台装有200块板片，每片面积为0.5m2的板式热交换器，其垫圈总长达到约900m。再考虑到它的频繁拆卸和清洗，仍要保持不泄漏就并非易事。为了能更好地防止内漏，在密封垫上采用了双道密封。同时为了能及时发现内漏，许多厂家在密封垫圈上开有凹槽（通常称之为“信号孔”），一旦出现泄漏，流体将首先由此泄出。

垫片与板片的连接方式有两种：①胶粘式，它适用于垫片易受介质腐蚀而产生溶胀、经常需拆开以及工作压力高的场合。②免粘式，它是以燕尾槽式、按扣式和卡入式的方式使垫片与板片相连接。对于大型垫片，还有将这两种方式结合使用的情况。

3）压紧装置

它包括固定与活动的压紧板、压紧螺栓。它用于将垫片压紧，产生足够密封力，使得热交换器在工作时不发生泄漏，通过旋紧螺栓来产生压紧力。对于大型板式热交换器，其密封压紧力甚至超过98×104N，所以要有坚固的框架。板式热交换器的框架形式有多种，图3.6就是一种双支撑框架式的结构。在制造成本中，压紧装置占了一个相当大的比例。因此，应当注意板片尺寸和负荷的关系，如果条件许可，宜采用数量较多的小尺寸的板片，而使压紧装置费用相对降低。在压紧装置的结构上，近年出现了带有电动和液压的压紧装置，使板片的拆卸和压缩可自动进行。

4）其他类型板式热交换器的结构

常见的用于液-液换热的板式热交换器也可用于相变换热（蒸发或冷凝），但效果较差。为了适用于相变换热，有专用的板式蒸发器和板式冷凝器。

图3.12所示为英国APV公司的板式蒸发器。其中，每4块加热蒸汽冷凝及溶液蒸发的板组成一个单元体（图中为板1～4）。溶液从升膜板（图中板2）下部两个角孔进入，形成的蒸汽及浓缩液通过顶部转换孔流经降膜板（板4），由底部的大矩形角孔排出。加热蒸汽则由靠近板侧面的大矩形角孔进入，从底部凝液孔排出。这种板式蒸发器的特点是，角孔（指加热蒸汽及蒸发形成的蒸汽所流经的孔）相当大，板面为平板面，并且板间距较大，以减少蒸汽通道及凝结与蒸发两流道中的流阻。图3.13所示为板式冷凝器的传热板片，其通气体的角孔很大，波纹节距也较大，使流体阻力显著减小，冷凝传热效果提高。

图3.12 板式蒸发器

由于板式热交换器是由若干传热板片叠装而成，板片很薄且具有波纹形表面，因而带来一系列优点。由于波纹板片的交叉相叠使通道内流体形成复杂的二维或三维流动（图3.14）和窄的板间距，大大加强了流体的扰动，因而能在很小的Re数时形成湍流和高的传热系数。临界雷诺数在10～400范围内，具体数值取决于几何结构[3]。附录A中列有一般情况下板式热交换器的传热系数值。据资料介绍，在同一压力损失下，板式热交换器每平方米传热面积所传递的热量为管壳式的6～7倍。加之板片很薄，其紧凑性约为管壳式的3倍，可达到300m2/m3以上，在同一热负荷下其体积为管壳式的1/5～1/10。对于可拆式板式热交换器，不仅清洗、检修方便，而且可按需要，方便地通过增减板片数和流程的多种组合，达到不同的换热要求和适应不同的处理量。此外，在板式热交换器中还可以通过采用加装隔板的办法在一台热交换器中实现三种以上流体之间的热交换。如图3.15所示为同时与三种流体换热，进行牛奶的巴氏杀菌（从约73℃的预热牛奶加热到85℃）、热回收（从85℃冷却到17℃）和冷却（从17℃冷却到5℃）。

图3.13 板式冷凝器板片

图3.14 流体在板间通道中的三维流动(www.xing528.com)

图3.15 板式热交换器中的三种流体换热

板式热交换器所存在的主要问题是它的操作压力和温度的提高受到结构的限制。国内一般的板式热交换器只能用于0.6MPa以下的压力和120～150℃的温度。经过板片型式和框架结构的改进，采用新型的密封垫片和板片材料，耐压和耐温均已有相当大的提高。现在国内生产的板式热交换器的最大单片面积达到2.0m2以上，最高工作压力1.6MPa，最高工作温度200℃。对于许多工业的热工过程，尤其是流体有腐蚀性而必须使用贵重金属材料制造的，在压力1.5MPa和温度150℃以下的条件下，存在板式热交换器逐渐取代管壳式的趋势。至于板式热交换器由于流道狭窄和角孔的限制而难以实现大流量运行的问题，由于大型板式热交换器的出现和采用多段并联操作的方法使得它已不能成为主要的问题。

目前世界上板式热交换器所达到的主要技术指标如下（可拆式）：

最大板片面积 4.67～0.475m2，

最大角孔尺寸450mm以上，

最大处理量5000m3/h，

最高工作压力2.8MPa，

最高工作温度橡胶垫片 150℃，

压缩石棉垫片 260℃，

压缩石棉橡胶垫片 360℃，

最佳传热系数7000W/（m2·℃）（水-水，无垢阻），

紧凑性250～1000m2/m3，

金属消耗量16kg/m2。

全焊式、半焊式的板式热交换器的产生解决了板式热交换器（可拆式）的耐温耐压偏低问题，使应用范围大大扩展。全焊式板式热交换器可分为整体钎焊而成的钎焊板式换热器及由氩弧焊、激光焊和电阻焊等焊接而成的普通焊接板式换热器。目前最大焊接式单板传热面积为18m2，最小焊接式单板传热面积为0.006m2。半焊式则为每两张板片焊在一起成为焊接单元，单元之间用垫片密封，然后组装成一体。这样，焊接单元中的流道可承受较高的温度和压力，但不能拆卸。焊接单元之间的流道能承受的压力和温度和可拆式板式换热器相同。这样的组合可适应两种温度和压力相差较大的流体换热的需要。

在目前使用的板式热交换器中，板片两侧的流道截面形状和大小都是相同的，即所谓“对称型”。为了适应换热流体流量比相差很大的情况或适用于相变换热场合，一种新型的非对称型的板式热交换器已研制成功[2][3]，并应用于工业生产过程。此外，为满足不同工况的需要，还有双层板片、大间隙板片、石墨板片及电加热板等种类的板式热交换器[19]。

5）板式热交换器的型号表示法

按原国标GB16409—1996，板式热交换器的型号按如下格式表示：

* 单板公称换热面积是指经圆整后的单板换热面积

其中，B——板式热交换器；BL——板式冷凝器；BZ——板式蒸发器

例如，BR0.3-1.6-15-N-I则为人字形波纹、单板公称换热面积0.3m2、设计压力1.6MPa、换热面积15m2、丁腈垫片密封的双支撑框架结构的板式热交换器。

经修订后的国标为NB/T47004—2009（JB/T4752），板式热交换器的型号表示法为：

示例1：板型为M，板片角孔直径为20cm，设计压力为1.6MPa，设计温度为100℃的板式热交换器，表示为：

M20-1.6/100

示例2：板型为V，板片单板公称换热面积为1.3m2，设计压力为1.0 MPa，设计温度为120℃的板式热交换器，表示为：

V13-1.0/120

示例一：换热量5000KW，用于液-液热交换系统，一次侧设计压力1.0MPa，公称管径为DN200，二次侧设计压力0.6MPa，公称管径为DN300的板式热交换器机组表示为：

BJ200/300-5000-Y-1.0/0.6

示例二：换热量4000KW，用于汽-液热交换系统，一次侧设计压力1.6MPa，公称管径为DN150，二次侧设计压力1.0MPa，公称管径为DN250的板式热交换器机组表示为：

BJ150/250-4000-Q-1.6/1.0

为满足用户需要，换热器制造厂也可以板式热交换器机组的产品型式提供给用户，板式热交换器机组产品的型号表示方法如下（国标GB/T29466—2012）。