提升板式换热器效果的设计探讨

O 张 威

（中国石油天然气有限公司大庆炼化分公司 黑龙江 163000）

提升板式换热器效果的设计探讨

O 张 威

（中国石油天然气有限公司大庆炼化分公司 黑龙江 163000）

板式换热器在化工行业的应用提升了换热效率，降低了维修成本，对其进行优化设计能获得更好的经济效益。本文主要是从板式换热器的结构出发，分析了其优点和缺点，针对相关问题提出优化设计。探讨的方向包括板式换热器的常规设计方法、优化设计以及计算流体力学设计，寻求高效的设计方式来提升板式散热器的换热效率。

板式换热器；结构；传热系数

板式换热器是化工行业中的一类重要换热设备，具有维修方便、高传热效率等特点，其应用的范围也在不断加大。从其发展趋势上看，主要包括两个方面：加大单片面积和加大单元面积，特别是在应用垫片无胶连接技术后能大大提升了相关维护时间。尽管相对于发达国家，国内板式换热器的发展现状还存在较大差距，但随着使用的提升、相关配套材料和技术发展，会不断的缩短差距，实现超越。

一、板式换热器的结构分析

板式换热器的换热原件主要是采用厚度介于0.5mm到1.0mm之间的金属板片压制，材料包括纯钛、不锈钢等。在板片的压制上通常需要追求更大的板片刚度、更强的抗变形能力、更大的换热面积以及更好的流体湍流程度，通常会采取波纹型模具和槽型模具进行压制。为实现对板间流体的流通进行控制的目的，会在板四角打孔，通过在密封垫片槽中添加垫片的方式来进行流体的进出控制。可在支架上通过压紧螺栓来对多个板片进行固定，主要是通过孔形成的通道来进行流体传输，实现换热目的。由于湍流是高传热效率的重要途径，通过调节板片组合使其内部形成均匀网状流而获得。在其结构设计中，主要是追求高传热效率、压降低、传热面积更大等目标，同时还需要考虑相关支点的使用，保证结构的强度和布置的合理。

从功能方面看，板片包括五个部分，分别是固定部件、支撑部件、密封部件、换热部件以及导流部件，而其中最重要的就是换热部件，对其设计、选用主要需要考虑的是热介质的种类，从流体力学和热传学方面进行确认。在板片的设计形式方面存在很多种结构，目前国内采用较多的形式为人字形波纹，具体分为横向人字形波纹（如图1中的a）和纵向人字形波纹（如图1中的B），这种结构为网状流动板型结构，介质在通过板片形成的通道时会因铺满的接触点儿形成螺旋状流动，而形成较大扰动，提升介质流动速度的情况下可降低层流底层的厚度，以此来加大了对流换热效果。相关实验资料显示，选取水为介质，在雷诺数介于20和200之间时，速度在0.2m/s到0.5m/s之间的情况下就能获得湍流状态而提升传热系数。

图1 人字形波纹

二、板式换热器的优、缺点

1.板式换热器的优点

通过以上的结构分析可以发现，板式换热器相对于管壳式换热器能获得更好的换热效果，主要表现在更高的传热系数、更小的温差、更小的热损失、更紧凑的结构、更强的适应性、更广泛的用途以及更灵活的操作。

从板式换热器的组装模式以及结构方式看，两板片之间通过的流体介质会出现流速和流向的不断改变，行程的湍流能实现更好的换热。传统管壳式换热器的总换热系数K值通常在1400W/（m3.K）和2790 W/（m3.K）之间，而采取板式换热器的K值通常能达到2330 W/（m3.K）到5810 W/（m3.K）之间，更有甚至能实现6980 W/（m3.K）到8150 W/（m3.K）区间，实现了两到三倍的提升，对于相同的压力损失，管壳式换热器传递的热量指能达到板式换热器的六分之一。在强湍流效果和高传热系数带动下，两次流体之间的温差较小，通常不超过3度。在热损失方面，板式换热器的密封垫和边缘接触的是空气，热损失通常在百分之一左右，而同样使用情况下的壳管式换热器的热损失为其五倍，且重量为其两倍。

板片使用较多的是0.8mm厚度的不锈钢板和4mm的板间距，波纹结构很大程度的提升了换热面积，单位立方米体内获得的传热面积最多可达到250m2，而其占地面积不到壳管式散热器的五分之一，更小的体积也节省了安装空间。鉴于板片之间更适应调整数量和排列方式，可针对不同的工艺和产量来对流程组合进行对应调整。在板式换热器的结构中，在机器横梁上悬挂着活动压紧板和传热板片，通过对滚动装置进行调节能开启设备，清洗过程更为简单，且可对单片的板片进行更换或检查。鉴于其以上优点，在各行业有着更为广泛的应用。

2.板式换热器的缺点

当板式换热器适用于2.5Mpa以下的工作压力时，其密封方式通常采用垫片，垫片有着较长的周边，由于角孔处不能提供良好的支撑，使其压紧力不够而存在隐患。当其工作温度低于250℃时，密封垫片的耐热温度直接决定了最高工作温度。采用橡胶弹性垫片是保证最高工作温度达到200℃，而采用压缩心棉绒垫片则最高能到260℃，但是其较差的弹性使得其承受的压力更低。另外一个缺点是容易造成堵塞，当流通介质中的纤维物质和大颗粒固体经过狭窄的通道时会导致堵塞，针对此类情况，可在入口处增加再生冷却系统和过滤器的方式来进行净化。

三、板式换热器的优化设计

1.板式换热器的常规设计方法

在板式换热器的设计中，核心问题就是设计计算，分为压力降计算和传热计算两个方面。相对于壳管式传热器，在低于最高使用压力的情况下，其设计无需考虑强度问题，只是在压降和传热系数的基础上对板片数和总换热面积进行计算，但这两个因素又存在一定的交替性和交叉性。通常能得到两个进口和两个出口温度之间的三个以及两侧的流体流量，设计过程中需要确定的参数包括传热面积、通道数和流程的组合、板片尺寸以及板型。

在设计过程中需要考虑到的因素主要包括以下几个方面：板片形成的通道长度、横截面积，板的间距、直径及其有效换热面积；流通介质的压力和温度范围；压降和传热的关联式；流通介质在平均工作温度下的粘度、导热系数、比热容以及密度等。设计的过程中，首先对板片尺寸和板型进行选择，对通道数和流程数进行假定，计算物性参数、雷诺数、平均温度从而获得换热系数，以此来确定对应的换热面积后进行校核，在校核压力降。当压力降值超出值过大，就需要对之前参数进行重新假设后重新计算。

2.板式换热器的优化设计

板式换热器的优化设计是在相同条件设定下，能实现最好的制定指标。这项技术是在计算机技术和最优化数学理论的基础上进行的方案优化设计，其核心技术就是计算机辅助。在对换热器进行优化设计后能降低10%到20%的投入，是降低成本方面的重要手段。优化设计的过程是通过设定多变量函数和约束条件，通过调整变量来使目标函数实现极值，主要包括目标确定、决策变量和约束条件的设定、建立关系式、简化关系式以及求解几个过程。

根据实际问题来对目标进行确定，在优化设计的目标中通常为其经济性。决策变量的选择是使得目标函数获得极值，确定的约束条件分为不等式约束两件和等式约束条件两类，在一定情况下，可能存在没有约束的最优化问题。关系式的建立是对内部过程的描述，符合相关的输入和输出要求，在不同的目标下可能获得不同的量，但总的来说主要是分为未给定和给定两类。对于未给定的量，通过优选可保证实现目标函数的最优化。对以上获得的关系式进行优化，使其系统从多变量到少变量转变，在热交换器的设计中，面对的问题通常为约束最优化问题，求解个过程包括符合形法、惩罚函数法、拉格朗日乘子法以及消元法等，最后在通过计算机技术对最优化数学式进行求解。

在进行优化设计的过程中，目标函数会随着设计目的的不同而变化，一般情况下目标可包括以下几个方面：在达到相同目的的换热器进行维修、操作、折旧和投资情况下进行材料、结构以及型式的设计，通常会对结构尺寸、压降和流速有所限制；对运行中的换热器寻求最经济的余热回收条件和最经济的操作条件；对换热系统或单个换热器进行优化设计或经济性评估。当目标函数的目的是耗资时，板片的设计方面，在雷诺系数加大的情况下，压力、流体阻力和耗电都会有所增加，而制造费用则相反会减少制造费用。

3.板式换热器的计算流体力学设计

对于板式换热器的设计，如果采取实物实验的方式除了无法进行复杂工况实验外还会加大成本投入，延长设计时间，近年来主要是通过计算流体力学（CFD）来模拟，在结合实验的模式下能大大提升设计的经济性和效率。最早采用CFD手段来进行模拟研究的是英国学者Patankar于1974年对管壳式热交换器流阻进行计算。Carla S.Fernandes通过CFD软件进行模拟后建立非牛顿流体模型，对其温度场和速度场进行计算。国内学者在此方面的研究也取得了一定的成就，过增元等提出的场协同原理是分析对流换热过程的一个工具。场协同原理是指对流换热强度不仅取决于流体与固体壁面之间的温差，流动速度和流体热物理性质及输运性质，同时还取决于流体速度矢量与热流矢量的夹角大小。李晓亮采用场协同原理对人字形板式换热器进行了强化传热研究，结果表明利用场协同积分余弦值和场协同匹配性与换热效果存在相关性。场协同理论也可用于指导板式换热器的设计改进及对其强化换热效果进行评价。

随着计算机技术和相关技术的发展，换热器的优化设计得到了长足的进步，但是因为影响因素的繁杂和种类多的换热器，使得计算过程变得更加复杂，当前的设计还不够完善。这需要相关从业人员进行更多的深入研究，结合CFD技术来提升设计的档次，获得更加优化的设备。

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Design Discussion on the Effct of Promoting Plate Heat Exchanger

Zhang Wei
（Daqing Refining Branch of Chinese Petroleum and Natural Gas Corporation, Hei Longjiang, 163000）

The application of plate heat exchanger in chemical industry promotes the heat exchange efficiency and reduces the maintenance c ost besides, its optimization design can obtain better economic benefit. This article starting from the structure of plate heat exchanger, mainly analyze s its advantages and disadvantages and puts forward optimization design in view of related problems. The discussion direction includes the methods o f conventional design , optimization design and for plate heat exchanger and computational fluid dynamics design for plate heat exchanger, in order t o promote the heat exchange efficiency by seeking the high-efficiency design ways.

plate heat exchanger；structure；heat transfer coefficient

TQ

A

张威（1986～），男，中国石油天然气有限公司大庆炼化分公司，研究方向：化工过程机械。