板式换热器的研究现状与应用进展

邵拥军张文林

（1. 天津市普莱特科技发展有限公司，天津 300384；2. 河北工业大学化工学院，天津 300130）

板式换热器的研究现状与应用进展

邵拥军1张文林2

（1. 天津市普莱特科技发展有限公司，天津 300384；2. 河北工业大学化工学院，天津 300130）

对板式换热器的结构和使用等进行介绍。讨论了发展板式换热器的意义，介绍了国内外板式换热器的发展及现状，论述了一些目前研究采用的新技术和新方法。最后对板式换热进行了展望，指出板式换热器在广泛的领域将大有作为。

板式换热器；结构；应用；研究现状；进展

板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种高效换热器。换热器的各板片之间形成许多小流通断面的流道，通过板片进行热量交换，它与常规的壳管式换热器相比，在相同的流动阻力和泵功率消耗情况下，其传热系数要高出很多。

近年来，板式换热器技术日益成熟，其传热效率高、体积小、重量轻、污垢系数低、拆卸方便、板片品种多、适用范围广，在各个行业得到了广泛应用。

1 板式换热器的结构

板式换热器的结构比较简单，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。其零部件之少，通用性之高，是任何换热器所不能比拟的[1]。

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、板片和活动压紧板夹紧。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。在压紧之后，相临板片的触点相互接触，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，并相间的进入板片之间的流体通道，进行换热。

板式换热器由于框架构造不同而有多种形式，最普通的是框架夹板夹紧式，这种结构中，活动压紧板和前支柱之间保留了一段自由空间，拆卸清洗时，将活动压紧板推向前支柱，然后松开板束，就有了清洗空间，可以对拆片逐张进行清洗或检查。

2 板片型式及其性能[2]

2.1 常用型式

板片按波纹的几何形状区分，有水平平直波纹、人字型波纹、斜波纹等波纹板片，按流体在板间的流动形貌区分，有管状流动、带状流动、网状流动的波纹板片。

衡量波纹板性能的优劣，其主要参数有传热效率，流动阻力和承压能力。一般来说，人字型波纹板片的传热效率高、流体阻力大、承压能力好；水平平直波纹板片，相对于人字型波纹板片，则传热效率低一些，流体阻力小一些，承压能力也稍低。

人字型波纹板片之所以换热效率高，流体阻力降大，其原因是板间流道截面变化十分复杂，易诱发湍流，同时，流体在这种多变的流道中流动，流道反复地扩张收缩会更多地消耗能量；而水平平直波纹板片的流道变化则类似正弦曲线，所以，传热系数和流体阻力降都较低。

2.2 特种型式

为适应各种工况的需要，在传统的板式换热器的基础上相继发展了一些特殊的板式换热器（用于两相流的换热）。

（1）便于装卸垫片的板片：这种板片上的垫片不是用粘结剂粘贴在板片上的，而是用楔入法把垫片装在板片上。由于它装卸方便，清洗时可以很快地取出垫片，把垫片槽中的污物清洗干净，这对于卫生要求很高的场合，有一定的优越性。适用于牛奶高温灭菌，啤酒酿造等。

（2）用于冷凝器的板片：虽然普通的板片也可用作冷凝，但其开口太小，使汽侧阻力降大，所以，设计了专门的板片，该板片通汽体的角孔特别大，波纹节矩也较大，以便减小流体阻力，提高冷凝传热效果。可用于石油炼制中。

（3）用于蒸发器的板片：板片的构造和普通的波纹板片完全不同，每四片为一组，靠不同形状的垫片引导介质的流向，该种产品可用于明胶和乳品的蒸发浓缩过程中。

（4）板管式板片：板片组合在一起后，流道呈蜂窝状，其中一个通道较大，另一个通道较小，其比例至少是2：1。由这种板片组成的板式换热器可用于低压降的蒸发、冷凝、以及对含颗粒的流体进行换热。

（5）双层板片：这种板片是由两层板压合在一起，两板之间有一个向外的小口，当其中一层因腐蚀穿孔时，流体便进入两板间的缝隙，并从板边小口流出。这种板片用于两种换热介质绝对不能混合的场合。

（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压制而成的，用耐腐蚀材料制造的平垫片进行密封。石墨材料具有优良的抗腐蚀和良好的传热性能，并且热膨胀小，可用于强腐蚀介质的换热。

（7）宽窄通道的板片：宽窄通道板片也是一种“孪生”板片，两板片的波纹结构不同，组合在一起，形成相邻间通道一宽一窄，这种板式换热器，有一侧可适用于含纤维颗粒或高粘度介质的换热。

3 新型换热器及应用

近年来，随着强化传热理论的发展和机械加工技术的提高，国内外出现了许多新型高效的换热器，下面介绍几种新型板式换热器的结构及应用[3-4]。

3.1 Packinox换热器

Packinox换热器是一个所有部件都焊接且无密封圈的板式换热器。它是用爆炸法成波纹状传热面积堆积而成，各板侧面间隙用焊接焊成，从而形成管束状的带型，通常管束状的带型填充在耐压的容器内，各流体在板间交错流动或完全逆向流动，结构紧凑。紧凑、轻型的Packinox换热器能提供的表面积为1 000-10 000 m2，承受的压力差可达到4 MPa。

Packinox换热器具有重量轻、体积小、配管费用和建设减小的特性，因此得到广泛应用。

3.2 薄板型Lamella换热器

薄板型换热器的每一部件由两个薄金属片组成，金属片之间用等离子焊接一起，在边缘形成一长而窄的流动隧道或薄层，在沿金属片的长度方向有一排凹痕，这些金属片是用凹痕点焊成，利用凹痕可以增加湍流和加强薄片强度，以承受很高的操作压力。薄板型换热器无折流板，能提供正确的逆向流动，两边单一的纵向流动可以减小污浊和允许最大压力损失的利用。这无疑对于泥浆料和纤维状物料可以容易操作。

薄板型换热器结构轻型、紧凑，它不限于应用单相流动，还可以用于冷凝和蒸发。

3.3 块式换热器

块式换热器具有特殊耐热、高浓度、耐氯化和氧化的特点，其容许温度达1 300-1 400℃。并能处于冷却状况下进行操作。块式换热器是由热导率为120 W/m · K的陶瓷材料制成的，块式元件用0.8 mm厚的卡片材料逐层重叠，并由陶瓷烧结而成。在烧制陶瓷时，不但在大部分硅渗入碳化硅陶瓷上遗留细孔，而且完全紧密。这种特殊的均匀结构和均匀细孔，能提高耐腐蚀持久性能，最高进气温度可达200℃。

3.4 毛细板式换热器

毛细板式换热器是由Enka公司制造的，这种紧凑换热器具有从污染物和废气中获热的特殊功能。

4 板式换热器的研究进展

4.1 板式换热器实验研究

目前，板式换热器设计、运行主要依靠实验研究。早在132年前，德国发明了板式换热器[1]。1930年，研究出不锈钢波纹板型板式换热器，从此为现代板式换热器奠定了基础。

实验研究和应用表明，人字形板片的传热特性和流阻特性效果优良，所以被大量采用。最具代表性的当属W. W. Focke的实验，采用有限扩散电流技术（DLCT），通过类比得到人字形流通的传热速率[5-6]。此研究确切地找出了板式换热器波纹倾角对传热与阻力性能的定性关系，也为板式换热器的实验指出了途径。

在创新板型以及研究板型的几何参数对换热及流动的影响时。Muley等通过实验分析了多种板式换热器的数据，得到了一系列传热及流阻的综合关系式[7]。Mir-Akbar Hessami通过两种板片从层流到紊流区的实验，在不改变波纹高度和波纹距离的条件下，比较了60°和45°的波纹，指出对于60°波纹人字形板片的努谢尔数和摩擦系数是45°的2倍左右[8]。

对于板式换热器的阻力特性和压力分析问题，Reinhard Wurfel等进行了较细致的研究，影响板式换热器性能的主要原因之一是变负荷及波纹板几何参数[9]。Yasa Eslamoglu等对空气流过水平平直波纹板进行实验，测试不同流道高度对传热与阻力的影响，发现努谢尔数随着流道高度的增加而增大，但摩擦系数也会增加，实验表明小间距流道传热效果好[10]。Reinhared Wiirful等对波纹板式换热器蒸汽冷凝性能进行了实验研究，在完全凝结工况下研究了不同板片结构、不同负荷及波纹倾角对换热和流阻的影响[11]。

流体的不均匀分布是影响板式换热器性能的另一个主要因素。B. Prabhakara等对板式换热器中不均匀流动做了分析研究。实验中考虑了非均匀流动分布因素，建立了新的传热与流动阻力公式，其结果与实验吻合较好[12]。Saboya F. E. M等采用了荼升华技术对波纹槽道的流动二维速度场进行了可视化研究[13]。Vlasongiannis P等[14]通过高速摄影机测量了气水混合物传热系数比同样条件下的液体流动的传热系数高很多，尤其当冷却介质中水速较低时（<0.025 m/s），气体流动贯穿整个流道，而受气体剪切的液体水则在层流下做溪状流动，这时传热效果最佳。

国内在70年代开始对人字形波纹板片进行实验研究。赵镇南[15]系统地研究了波纹倾角对板式换热器的影响和人字形波纹通道中的基本流型。许淑惠[16]对板式换热器的压力分布和阻力特性进行了研究，通过实验揭示了两种板型进口段的流型分布以及压力损失的原因所在。周明连等[17]通过实验观测对板式换热器进行研究，发现板式换热器内存在的偏流等流量分配不均现象降低了板式换热器的传热性能，并增大了内部流动阻力。近些年采用局部组合通道内的可视化及传热机理研究方法预测板式换热器的传热及流阻特性，为开发新板片开辟了一种新的途径。

4.2 板式换热器CFD研究

板式换热器实物实验投资大，时间长，花费大量的人力；一些大型换热器及复杂工况条件下的换热器难以进行实验。计算流体力学（CFD）手段对板式换热器进行数值模拟逐渐成为一种高效、经济的研究手段。1974年，Patankar等[18]首先采用CFD手段对热交换器进行了数值模拟，计算了管壳式热交换器的流阻。

Carla S. Fernandes等运用CFD软件对板式换热器中搅拌酸奶的生产过程进行了模拟，建立了非牛顿流体模型，得到了速度场和温度场分布[19]。Flavio C. C等[20]对平板式板式换热器进行了模拟计算，结果证明平板式换热器中的流动多为层流，局部呈现湍流状态。并通过实验验证了计算的有效性及正确性。

Kone Grijspeerdt等对人字形板式换热器分别做了3维和2维的数值计算。在2维计算中得到波纹形状的影响，3维计算中确定了波纹角度的影响，最终得到优化波纹的模型[21]。Ciofalo. M.等利用有限元法和低雷诺数下的k-ε模型，对波纹板式换热器过渡区和弱紊流区进行了数值模拟和实验验证，为其它板式换热器的数值计算提供了参考[22]。

近几年，国内学者对板式换热器CFD方面的研究取得很大的进展。杨勇[23]采用曲线坐标下的低雷诺数模型对波纹板式换热器进行了数值模拟，得到了速度场及温度场。张广明等[24]采用CFD软件对人字形板式换热器进行了数值模拟，发现波纹倾角对流型变化影响很大，可能出现十字交叉流和曲折流。曲宁[25]截取流道的一半为计算区域，对人字型板片进行数值模拟，得到槽道内的3维压力场、速度场和温度场，详细分析了波纹倾角、波高和波距对流动与换热的影响。任承钦等[26]设计了一种隔板为六边形的板式换热器，并对此进行了数值模拟，结果表明该新型换热器具有准逆流换热的特点和强化换热作用。景步云等[27]对R22在板式蒸发器中沿流动方向各点分布参数进行数值模拟，采用稳态分布参数法建立仿真模型，并分析了板式换热器中介质流动时压力和板壁温度的变化情况。

蓝少健等[28]对波纹板式换热器波纹板内、外流体流动进行了数值模拟研究。流体在板内流动时存在流动死区，此处传热效果差，导致板壁面出现热点。板间凹凸波纹结构起到了强化烟气侧传热的作用，其中凸波纹的作用明显优于凹波纹，同时，凹波纹区域存在一定的烟气脱体现象。该数值模拟结果对提高波纹板式燃气热水器的换热效率有一定的指导意义。

5 结语

作为一种高效紧凑式换热器，在加热、冷却、冷凝、蒸发和热回收过程中，除了高温、高压和特殊介质条件外，板式换热器均已能替代管壳式换热器。试验证明在板式换热器适用范围内，绝大多数工况时，用不锈钢板式换热器比一般碳钢换热器投资低，可以预见板式换热器与管壳式换热器的竞争会更加激烈。

此外，我国板式换热器在实验和理论研究方面与国外先进水平相比仍存在较大差距，所以，仍需进一步加强深入研究。基于石油、化工、电力、冶金、船舶、机械、食品、制药等行业对换热器稳定的需求增长，我国换热器产业在未来一段时期内将保持稳定增长。展望板式换热器的未来，它会在更广泛的领域大有作为。

[1] 杨崇麟. 板式换热器工程设计手册[M]. 北京：机械工业出版社，1995，65-70.

[2] 蔡晓君，王利华，吕涛. 板式换热器的结构及应用[J]. 化工设备与管道，2001，38(4):14-16.

[3] 曹纬.国外换热器新介绍[J]. 化学工程，2000，28(6):50-53.

[4] 张平亮.新型高效换热器的技术进展及其应用[J]. 压力容器，1997，14(2):56-62.

[5] Focke W. W. et al The effect of the corrugation in..clination angel on the thermohydraulic performance of plate heat exchangers[J]. Int. J.Heat Mass Transfer, 1985, 28(8):1469-1475.

[6] Focke W. W. Turbulent Convective Hea t Transfer in Plate Heat Exchzngers[J]. Int. Comm. Heat Mass Transfer, 1983, 10(3):234-239.

[7] Muley, A. Manglik,P.M. Experimental Study of Turbulent Flow Transfer and Pressure Drop in a plate Heat Exchanger with Chevro Plates[J]. Journal of Heat Transfer, 1999, 121(1):110-117.

[8] Mir-Akbar Hessami. Thermohydraulic Performance of Crosscorrugated Plate Heat Exchangers[J]. Department of Mechanical Enginee ring. 1996, 6:116-123.

[9] Reinhard Wurfel, Nikolai Ostrowski Experimental investigation of heat transfer and pressure drop during the condensation process within plate heat exchangers of the herringbone type[J]. Int. J.Thermal Sciences, 2004, 43, 59-86.

[10] Yasar Islamoglu, Cem Parmaksizoglu. The effect of channel height on the enhanced heat transfer characteristics in a corrugated heat exchanger channel[J]. Applied Thermal Engineering. 2003,23(1):979-987.

[11] Reinhard Wrfel,Nikolai Ostrowski Experimental investigations of heat transfer and pressure drop during the condensation process within plate heat exchangers of the herringbone type[J]. International Journal of Thermal Sciences, 2004, 43(1):59-68.

[12] B. Prabhakara Rao, P. Krishna Kumar,Sarit K.Das. Effect of flow distribution to the channel on the thermal performance of a plate heat exchanger[J]. Chemical Engineering and Processing. 2002, 41,49-58.

[13] Saboya F EM, Sparrow E M. Local and average transfer coefficients for one-row plate fin and tube heat exchanger configurations[M].ASM E J. Heat Transfer, 1974.

[14] Vlasogiannis P,Karagiannis G, Argyropoulos P, er al. Air-water two-phase flow and heat transfer in a plate heat exchanger[J].International Journal of Multiphase Flow, 2002, 28(5):757-772.

[15] 赵镇南.板式换热器人字波纹倾角对传热及阻力性能影响[J]. 石油化工设备，2001，(5):2-3.

[16] 许淑惠，周明连.板式换热器进出口流道内的压力分析、流阻及流型显示的试验研究[J]. 节能，1996，(8):12-15.

[17] 周明连 板式换热器流动分布的理论分析及实验研究[J]. 北方交通大学学报，2001，25(1):67-71.

[18] Patankar. S. V, Spalding. D. B. A Calculation Procedure for the Transient and Steady-State Behavior of Shell and Tube Heat Exchangers. Heat Exchangers:Design and Theory Sourcebook[M],Edited by N. Afgan and E. U. Schlunder,Scripta Book Company,Washington, D. C, 1974:155-176.

[19] Carlas S. Femandes,Ricardo Dias, J. M. Nobrega, et al. Simulation of stirred yoghurt processing in plate exchangers[J]. Joumal of Food Engineering, 2005, 69:281-290.

[20] Flavio C. C. Galeazzo, Rsquel Y. Miura,Jorge A.W. Gut,et al. Experimental and numerical heat transfer in a plate heat exchanger[J]. Chemical Engineering Science, 2006, 61:7133-7138.

[21] Koen Grijspeerdt,Birinchi Hazarka,Dean Vucinic.Application of computational fluid dynamic to model the hydrodynamics of plate heat exchangers for milk processing[J]. Journal of Food Engineering,2003, 57:237-242.

[22] Ciofalo M.,Di Piazza I.,Stasiek J.A. Investigation of flow and heat transfer in corrugated undulated plate heat exchangers[J]. Heat and Mass Transfer. 2000, 36(5):449-462.

[23] 杨 勇 数值传热学在波纹式换热器上的应用[J]. 华北电力技术，1999(10):27-29.

[24] Zhang Guan-min,Tian Mao-cheng. Simulation and Analysis of Flow Pattern in Cross-corrugated Plate Heat Exchangers[J]. Journal of Hydrodynamics, 2006, 18(5):547-551.

[25] 曲宁.板式换热器传热与流动分析[D]. 济南：山东大学，2005.

[26] 任承钦，张国强.一种新型板式换热器的设计及传热特性的模拟研究[J]. 暖通空调，2003，33(5):106-110.

[27] 景步云，谷 波，黎远光. 板式蒸发器仿真计算模型[J]. 系统仿真学报，2003，15(10):1481-1483.

[28] 蓝少健，朱冬生，钟家淞.波纹板式换热器的数值模拟[J]. 化学工程，2010，38(8):18-21.

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

邵拥军（1969－），女，工程师，主要从事化工分离过程与化工设计工作。

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