板式换热器是一种高效的热交换设备

定义与原理

• 定义：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新型高效换热器。
• 原理：利用相邻板片间的流体通道，使两种不同温度的流体在互不混合的情况下，通过板片进行热量交换。热流体将热量传递给板片，板片再将热量传递给冷流体，从而实现热流体降温、冷流体升温的目的。

结构特点

• 板片：是板式换热器的关键部件，通常由不锈钢、钛合金等耐腐蚀材料制成。板片表面的波纹结构增加了流体的湍流程度，提高了传热效率，同时也增强了板片的强度和刚性。
• 密封垫片：安装在板片之间，起到密封作用，防止流体泄漏。垫片材质根据不同的工作介质和温度要求选择，如丁腈橡胶、乙丙橡胶、氟橡胶等。
• 框架：包括固定压紧板、活动压紧板、拉杆和螺母等部件。框架的作用是将板片组装在一起，并通过压紧力使板片之间保持密封。

分类

• 按传热板片的结构形式：可分为可拆卸板式换热器、全焊式板式换热器、板壳式换热器等。可拆卸板式换热器便于清洗和维护；全焊式板式换热器密封性好，适用于高温、高压和易燃易爆的工况；板壳式换热器则结合了板式换热器和壳管式换热器的优点，可用于处理大流量、高粘度的流体。
• 按流程组合方式：有单程板式换热器和多程板式换热器。单程板式换热器流体只流经一次板片，多程板式换热器则通过改变流体的流向，使流体在板片之间多次流动，以提高传热效果。

优点

• 传热效率高：由于板片表面的波纹结构使流体在较低的流速下即可达到湍流状态，强化了传热过程，传热系数一般比管壳式换热器高 2 - 4 倍。
• 结构紧凑：单位体积内的传热面积大，占地面积小，可节省安装空间。例如，同样的换热能力下，板式换热器的体积仅为管壳式换热器的 1/3 - 1/5。
• 灵活性强：可以根据不同的工艺需求，通过增减板片数量或改变板片的排列方式，方便地调整换热器的换热面积和流程组合。
• 热损失小：板式换热器的结构紧凑，外壳散热面积小，热损失一般不超过 1%。
• 清洗维护方便：可拆卸板式换热器可以方便地拆卸板片，进行清洗和检修，维护成本低。

缺点

• 工作压力和温度受限：一般情况下，板式换热器的工作压力通常不超过 2.5MPa，工作温度在 - 40℃ - 200℃之间。这是由于密封垫片的性能限制以及板片的强度问题。
• 处理易结垢和堵塞的介质能力差：对于含有颗粒、纤维等杂质的介质，容易在板片间的狭窄通道内沉积和堵塞，影响传热效果和设备的正常运行。
• 密封性能要求高：由于板式换热器的密封周边较长，密封垫片在长期使用过程中可能会出现老化、变形等问题，导致泄漏，需要定期检查和更换垫片。

应用领域

• 暖通空调领域：用于空调系统中的制冷、制热循环，如冷水机组、热泵机组与空调末端设备之间的热量交换，以及城市集中供热系统中的热交换站。
• 化工领域：广泛应用于各种化工工艺过程中的加热、冷却、冷凝和蒸发等操作，如石油化工、精细化工、制药等行业。例如，在石油炼制过程中，用于原油的预热、蒸馏塔顶蒸汽的冷凝等。
• 食品饮料领域：用于食品和饮料的杀菌、冷却、加热等工艺，如牛奶的巴氏杀菌、啤酒的糖化和冷却等，以保证产品的质量和安全。
• 电力领域：可用于发电机组的冷却系统，如汽轮机润滑油的冷却、发电机定子和转子的冷却等，确保设备的正常运行。
• 冶金领域：在金属冶炼过程中，用于加热或冷却各种金属加工液、冷却高炉煤气等，提高生产效率和产品质量。
• 空气换热器是一种用于实现空气与其他介质之间热量交换的设备，以下是其简介：

  工作原理

  空气换热器利用空气与另一种流体（如热水、蒸汽、热油或冷空气等）之间的温度差，通过导热壁面进行热量传递。热流体将热量传递给壁面，再由壁面传递给空气，使空气温度升高；或者冷流体从空气吸收热量，使空气温度降低，从而实现空气的加热或冷却。

  结构类型

  • 翅片管式：由带翅片的管束组成。翅片能增大传热面积，提高传热效率。空气在翅片间流动，管内通热流体或冷流体，广泛应用于空调、工业通风等领域。
  • 板式：由多个带有流道的板片组成，空气和另一种流体在相邻板片的不同流道内流动，通过板片进行热量交换。它具有结构紧凑、传热效率高的特点，常用于一些对空间要求较高的场合。
  • 热管式：包含若干热管，热管一端为蒸发段，与热流体接触吸热，另一端为冷凝段，与空气接触散热。热管内的工质在蒸发段吸热蒸发，在冷凝段放热凝结，通过工质的相变传热来实现空气与热流体的热量交换。其优点是传热效率高、等温性好，可用于一些对温度控制要求较严格的系统。

  性能特点

  • 优点
    • 高效传热：通过翅片、特殊的板片结构或热管等设计，有效增大传热面积，强化传热过程，能在较小的空间内实现较高的换热量。
    • 适应性强：可根据不同的工况和需求，选择不同的结构形式、材质和流体介质，适用于各种温度、压力和流量条件下的空气加热或冷却。
    • 运行稳定：设备结构相对简单，没有复杂的运动部件，运行可靠，维护成本低。
    • 节能环保：能有效利用废热或回收热量，实现能源的节约和再利用，减少对环境的热污染。
  • 缺点
    • 阻力损失：空气在换热器内流动时会产生一定的阻力，需要消耗额外的动力来克服阻力，增加了运行成本。尤其是在处理大流量空气时，阻力问题可能较为突出。
    • 结垢与腐蚀：在一些恶劣的工作环境中，换热器的表面容易出现结垢、腐蚀等问题，影响传热效果和设备寿命，需要定期进行清洗和维护。
    • 紧凑性限制：虽然翅片管式和板式空气换热器相对较为紧凑，但对于一些空间要求极为苛刻的场合，可能仍然存在体积较大的问题。

  应用领域

  • 工业领域：用于各种工业生产过程中的空气加热或冷却，如化工、电子、纺织、印刷等行业。例如，在化工生产中，用于对反应釜进料空气进行预热；在电子厂中，用于对洁净室的空气进行温度调节。
  • 暖通空调领域：是空调系统中的重要组成部分，用于实现室内空气的加热、冷却和除湿等功能。如在冬季，利用热水或蒸汽作为热媒，通过空气换热器加热室内空气，提供温暖舒适的环境；在夏季，利用冷水或制冷剂冷却空气，实现降温除湿。
  • 干燥领域：在食品、木材、建材等行业的干燥过程中，空气换热器用于加热干燥介质（通常为空气），提高干燥效率，保证产品质量。
  • 余热回收领域：可将工业生产过程中产生的高温废气中的热量传递给冷空气，使冷空气升温后用于预热燃烧空气、加热工艺用水或其他需要热能的环节，实现余热的回收利用，降低能源消耗。
  管壳式换热器是一种应用广泛的间壁式换热器，以下是其详细简介：

  结构组成

  • 壳体：通常为圆柱形，是换热器的外壳，内部容纳管束等部件，两端有封头，通过法兰与管道连接，使流体在壳体内流动。
  • 管束：由许多根管子组成，是热量交换的主要场所。管子两端固定在管板上，管板将壳体和管束隔开，确保管程和壳程的流体互不混合。管束可以有多种排列方式，如正三角形、正方形、转角正三角形和转角正方形等，不同排列方式对传热效果和流体阻力有不同影响。
  • 管程隔板：当管程流体需要多次流经管束以提高传热效果时，使用管程隔板将管板上的管孔分成若干个区域，使流体在管内按规定的路径流动，实现多程流动。
  • 壳程折流板：安装在壳体内，用于引导壳程流体流动，使流体在壳体内曲折流动，增加流体的流速和湍流程度，提高传热系数，同时支撑管束，防止管束振动和变形。常见的折流板形式有弓形折流板和圆盘 - 圆环形折流板。

  工作原理

  管壳式换热器中，两种不同温度的流体分别在管程和壳程内流动。热流体在管内或壳内流动，将热量传递给管壁或壳壁，冷流体在另一侧流动，通过壁面吸收热量，从而实现热流体降温、冷流体升温的热量交换过程。根据具体的工艺要求，可以通过调节流体的流量、流速以及换热器的结构参数等，来控制热量交换的速率和效果。

  分类

  • 按结构特点分类：有固定管板式、浮头式、U 形管式等。固定管板式换热器结构简单、紧凑，造价低，但壳程清洗困难，适用于壳程流体清洁且温差较小的场合；浮头式换热器一端管板固定，另一端可自由浮动，能补偿热膨胀，壳程清洗方便，应用较广；U 形管式换热器只有一个管板，管束可以抽出清洗，适用于高温、高压和管内流体清洁的场合。
  • 按流体流动方式分类：有单程、双程和多程换热器。单程换热器中流体在管程或壳程内只流动一次；双程或多程换热器则通过设置隔板等结构，使流体在管程或壳程内多次往返流动，以增加传热面积和传热效果。

  优点

  • 结构坚固：能承受较高的压力和温度，适用于各种不同压力和温度的工况，可用于处理高温、高压、腐蚀性强的流体。
  • 适应性强：可根据不同的工艺要求，选择不同的管材、管径、管长和排列方式，以及不同的壳体结构和折流板形式，以满足各种传热需求。
  • 处理量大：管束可以包含大量的管子，提供较大的传热面积，能够处理大流量的流体，适用于大规模的工业生产过程。
  • 清洗维修方便：对于一些可拆式的管壳式换热器，如浮头式和 U 形管式，管束可以抽出进行清洗和维修，便于设备的维护保养，延长使用寿命。

  缺点

  • 传热效率相对较低：与一些新型高效换热器（如板式换热器）相比，管壳式换热器的传热系数较低，因为管内和壳内流体的流动状态相对较为平稳，湍流程度不如板式换热器强烈。
  • 结构复杂：尤其是对于一些具有特殊结构（如浮头式）的管壳式换热器，其制造工艺较为复杂，零部件较多，导致设备的成本较高。
  • 占地面积大：由于其结构尺寸较大，需要较大的安装空间，在空间有限的场所可能不太适用。

  应用领域

  管壳式换热器广泛应用于石油、化工、电力、冶金、制药、食品等工业领域。例如，在石油炼制过程中用于原油的预热、蒸馏塔顶蒸汽的冷凝；在化工生产中用于各种化学反应过程中的热量交换、溶剂的蒸发和冷凝；在电力行业用于发电机组的冷却系统、锅炉的给水预热；在制药和食品行业用于物料的加热、冷却和浓缩等工艺过程。