提升板式換熱器效果的設計探討

O 張 威

（中國石油天然氣有限公司大慶煉化分公司 黑龍江 163000）

提升板式換熱器效果的設計探討

O 張 威

（中國石油天然氣有限公司大慶煉化分公司 黑龍江 163000）

板式換熱器在化工行業的應用提升了換熱效率，降低了維修成本，對其進行優化設計能獲得更好的經濟效益。本文主要是從板式換熱器的結構出發，分析了其優點和缺點，針對相關問題提出優化設計。探討的方向包括板式換熱器的常規設計方法、優化設計以及計算流體力學設計，尋求高效的設計方式來提升板式散熱器的換熱效率。

板式換熱器；結構；傳熱系數

板式換熱器是化工行業中的一類重要換熱設備，具有維修方便、高傳熱效率等特點，其應用的范圍也在不斷加大。從其發展趨勢上看，主要包括兩個方面：加大單片面積和加大單元面積，特別是在應用墊片無膠連接技術后能大大提升了相關維護時間。盡管相對于發達國家，國內板式換熱器的發展現狀還存在較大差距，但隨著使用的提升、相關配套材料和技術發展，會不斷的縮短差距，實現超越。

一、板式換熱器的結構分析

板式換熱器的換熱原件主要是采用厚度介于0.5mm到1.0mm之間的金屬板片壓制，材料包括純鈦、不銹鋼等。在板片的壓制上通常需要追求更大的板片剛度、更強的抗變形能力、更大的換熱面積以及更好的流體湍流程度，通常會采取波紋型模具和槽型模具進行壓制。為實現對板間流體的流通進行控制的目的，會在板四角打孔，通過在密封墊片槽中添加墊片的方式來進行流體的進出控制。可在支架上通過壓緊螺栓來對多個板片進行固定，主要是通過孔形成的通道來進行流體傳輸，實現換熱目的。由于湍流是高傳熱效率的重要途徑，通過調節板片組合使其內部形成均勻網狀流而獲得。在其結構設計中，主要是追求高傳熱效率、壓降低、傳熱面積更大等目標，同時還需要考慮相關支點的使用，保證結構的強度和布置的合理。

從功能方面看，板片包括五個部分，分別是固定部件、支撐部件、密封部件、換熱部件以及導流部件，而其中最重要的就是換熱部件，對其設計、選用主要需要考慮的是熱介質的種類，從流體力學和熱傳學方面進行確認。在板片的設計形式方面存在很多種結構，目前國內采用較多的形式為人字形波紋，具體分為橫向人字形波紋（如圖1中的a）和縱向人字形波紋（如圖1中的B），這種結構為網狀流動板型結構，介質在通過板片形成的通道時會因鋪滿的接觸點兒形成螺旋狀流動，而形成較大擾動，提升介質流動速度的情況下可降低層流底層的厚度，以此來加大了對流換熱效果。相關實驗資料顯示，選取水為介質，在雷諾數介于20和200之間時，速度在0.2m/s到0.5m/s之間的情況下就能獲得湍流狀態而提升傳熱系數。

圖1 人字形波紋

二、板式換熱器的優、缺點

1.板式換熱器的優點

通過以上的結構分析可以發現，板式換熱器相對于管殼式換熱器能獲得更好的換熱效果，主要表現在更高的傳熱系數、更小的溫差、更小的熱損失、更緊湊的結構、更強的適應性、更廣泛的用途以及更靈活的操作。

從板式換熱器的組裝模式以及結構方式看，兩板片之間通過的流體介質會出現流速和流向的不斷改變，行程的湍流能實現更好的換熱。傳統管殼式換熱器的總換熱系數K值通常在1400W/（m3.K）和2790 W/（m3.K）之間，而采取板式換熱器的K值通常能達到2330 W/（m3.K）到5810 W/（m3.K）之間，更有甚至能實現6980 W/（m3.K）到8150 W/（m3.K）區間，實現了兩到三倍的提升，對于相同的壓力損失，管殼式換熱器傳遞的熱量指能達到板式換熱器的六分之一。在強湍流效果和高傳熱系數帶動下，兩次流體之間的溫差較小，通常不超過3度。在熱損失方面，板式換熱器的密封墊和邊緣接觸的是空氣，熱損失通常在百分之一左右，而同樣使用情況下的殼管式換熱器的熱損失為其五倍，且重量為其兩倍。

板片使用較多的是0.8mm厚度的不銹鋼板和4mm的板間距，波紋結構很大程度的提升了換熱面積，單位立方米體內獲得的傳熱面積最多可達到250m2，而其占地面積不到殼管式散熱器的五分之一，更小的體積也節省了安裝空間。鑒于板片之間更適應調整數量和排列方式，可針對不同的工藝和產量來對流程組合進行對應調整。在板式換熱器的結構中，在機器橫梁上懸掛著活動壓緊板和傳熱板片，通過對滾動裝置進行調節能開啟設備，清洗過程更為簡單，且可對單片的板片進行更換或檢查。鑒于其以上優點，在各行業有著更為廣泛的應用。

2.板式換熱器的缺點

當板式換熱器適用于2.5Mpa以下的工作壓力時，其密封方式通常采用墊片，墊片有著較長的周邊，由于角孔處不能提供良好的支撐，使其壓緊力不夠而存在隱患。當其工作溫度低于250℃時，密封墊片的耐熱溫度直接決定了最高工作溫度。采用橡膠彈性墊片是保證最高工作溫度達到200℃，而采用壓縮心棉絨墊片則最高能到260℃，但是其較差的彈性使得其承受的壓力更低。另外一個缺點是容易造成堵塞，當流通介質中的纖維物質和大顆粒固體經過狹窄的通道時會導致堵塞，針對此類情況，可在入口處增加再生冷卻系統和過濾器的方式來進行凈化。

三、板式換熱器的優化設計

1.板式換熱器的常規設計方法

在板式換熱器的設計中，核心問題就是設計計算，分為壓力降計算和傳熱計算兩個方面。相對于殼管式傳熱器，在低于最高使用壓力的情況下，其設計無需考慮強度問題，只是在壓降和傳熱系數的基礎上對板片數和總換熱面積進行計算，但這兩個因素又存在一定的交替性和交叉性。通常能得到兩個進口和兩個出口溫度之間的三個以及兩側的流體流量，設計過程中需要確定的參數包括傳熱面積、通道數和流程的組合、板片尺寸以及板型。

在設計過程中需要考慮到的因素主要包括以下幾個方面：板片形成的通道長度、橫截面積，板的間距、直徑及其有效換熱面積；流通介質的壓力和溫度范圍；壓降和傳熱的關聯式；流通介質在平均工作溫度下的粘度、導熱系數、比熱容以及密度等。設計的過程中，首先對板片尺寸和板型進行選擇，對通道數和流程數進行假定，計算物性參數、雷諾數、平均溫度從而獲得換熱系數，以此來確定對應的換熱面積后進行校核，在校核壓力降。當壓力降值超出值過大，就需要對之前參數進行重新假設后重新計算。

2.板式換熱器的優化設計

板式換熱器的優化設計是在相同條件設定下，能實現最好的制定指標。這項技術是在計算機技術和最優化數學理論的基礎上進行的方案優化設計，其核心技術就是計算機輔助。在對換熱器進行優化設計后能降低10%到20%的投入，是降低成本方面的重要手段。優化設計的過程是通過設定多變量函數和約束條件，通過調整變量來使目標函數實現極值，主要包括目標確定、決策變量和約束條件的設定、建立關系式、簡化關系式以及求解幾個過程。

根據實際問題來對目標進行確定，在優化設計的目標中通常為其經濟性。決策變量的選擇是使得目標函數獲得極值，確定的約束條件分為不等式約束兩件和等式約束條件兩類，在一定情況下，可能存在沒有約束的最優化問題。關系式的建立是對內部過程的描述，符合相關的輸入和輸出要求，在不同的目標下可能獲得不同的量，但總的來說主要是分為未給定和給定兩類。對于未給定的量，通過優選可保證實現目標函數的最優化。對以上獲得的關系式進行優化，使其系統從多變量到少變量轉變，在熱交換器的設計中，面對的問題通常為約束最優化問題，求解個過程包括符合形法、懲罰函數法、拉格朗日乘子法以及消元法等，最后在通過計算機技術對最優化數學式進行求解。

在進行優化設計的過程中，目標函數會隨著設計目的的不同而變化，一般情況下目標可包括以下幾個方面：在達到相同目的的換熱器進行維修、操作、折舊和投資情況下進行材料、結構以及型式的設計，通常會對結構尺寸、壓降和流速有所限制；對運行中的換熱器尋求最經濟的余熱回收條件和最經濟的操作條件；對換熱系統或單個換熱器進行優化設計或經濟性評估。當目標函數的目的是耗資時，板片的設計方面，在雷諾系數加大的情況下，壓力、流體阻力和耗電都會有所增加，而制造費用則相反會減少制造費用。

3.板式換熱器的計算流體力學設計

對于板式換熱器的設計，如果采取實物實驗的方式除了無法進行復雜工況實驗外還會加大成本投入，延長設計時間，近年來主要是通過計算流體力學（CFD）來模擬，在結合實驗的模式下能大大提升設計的經濟性和效率。最早采用CFD手段來進行模擬研究的是英國學者Patankar于1974年對管殼式熱交換器流阻進行計算。Carla S.Fernandes通過CFD軟件進行模擬后建立非牛頓流體模型，對其溫度場和速度場進行計算。國內學者在此方面的研究也取得了一定的成就，過增元等提出的場協同原理是分析對流換熱過程的一個工具。場協同原理是指對流換熱強度不僅取決于流體與固體壁面之間的溫差，流動速度和流體熱物理性質及輸運性質，同時還取決于流體速度矢量與熱流矢量的夾角大小。李曉亮采用場協同原理對人字形板式換熱器進行了強化傳熱研究，結果表明利用場協同積分余弦值和場協同匹配性與換熱效果存在相關性。場協同理論也可用于指導板式換熱器的設計改進及對其強化換熱效果進行評價。

隨著計算機技術和相關技術的發展，換熱器的優化設計得到了長足的進步，但是因為影響因素的繁雜和種類多的換熱器，使得計算過程變得更加復雜，當前的設計還不夠完善。這需要相關從業人員進行更多的深入研究，結合CFD技術來提升設計的檔次，獲得更加優化的設備。

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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

張威（1986～），男，中國石油天然氣有限公司大慶煉化分公司，研究方向：化工過程機械。