板式换热器的研究进展

板式换热器的研究进展

陈厶玮 1 陆明伟 2

1.沈阳鼓风机集团辅机成套工程有限公司，辽宁 沈阳 110000

2.沈阳格竹科技有限公司，辽宁 沈阳 110000

摘要：近年来，随着现代化建设的发展，我国的能源建设发展也有了改善。换热器的出现是人类社会发展中对热量交换管理作出的一次重要改进。通过换热器应用，能够满足人们对于热量交换的处理需求，对于人们日常生活水平提升具有重要意义。由于换热器构成方式不同，整个器件运行过程中形成的热量交换方式也有所不同。一般情况下，换热器构成类型有管式换热器和板式换热器两种，不同类型换热器能够最大限度上满足人们对于热量交换处理的需求。本文针对换热器应用现状及进展展开讨论研究，希望能够对换热器未来发展方向做出分析，提升换热器应用研究水平。

关键词：板式换热器；研究进展；措施

引言

我国能源需求刚性增长，消费水平居世界前列并仍在快速增长，其中工业能耗约占总能耗的70%，节能减排形势严峻、意义重大。换热器广泛应用在化工、石油、冶金和电力等领域，其性能对提高能效具有显著价值，国内外研究人员都非常重视强化换热技术，通过不断开发新型的换热器结构、优化设计参数、选用特殊材料来提高换热效率、减少流动阻力、改善环境适应性，从而提高换热能力，提升设备在行业的竞争水平。其中，板式换热器市场发展迅速。它具有传热系数高、对数平均温差大、占地面积小、重量轻、污垢系数低等优势，同时便于拆卸、清洗，不同结构型式的板片间可灵活组合，可用于加热、冷却、蒸发、冷凝、杀菌消毒、余热回收等各种工业应用。然而在实际使用板式换热器时会出现流动阻力大、耐高温高压能力差等不足之处，缩减了板式换热器的应用范围。为改善提升板式换热器的传热效果，国内外研究人员通过实验研究和数值模拟等手段，在传热、流动、结构和材料等方面开展了大量工作，本文即对相关工作进行总结概述，以期分享板式换热器的研究成果，进一步了解其研究进展及未来发展方向。

1换热器的研究现状

1.1管式换热器

管式换热器作为当前市场上流通性较强的一种换热器类型，在换热器应用和发展中具有重要地位。由于管式换热器具有结构简单以及耐高温性强等特性，使得人们对于管式换热器的应用越来越重视。按照管式换热器构成方式，在现有换热器行业发展中，管式换热器已经形成了以螺旋槽文管换热器、管内插入物换热器、折流杆式换热器和管翅式换热器为主的管式换热器应用形式。由于每种管式换热器构成方式和应用方式不同，在换热器应用过程中，热量交换以及热量传导效率出现了显著差异。以管内插入物换热器为例，在现有换热器应用处理中，其能够在换热交换中借助传热系数变换，将整体传热效率提升30%，对人们换热处理需求起到重要保障作用。

1.2板式换热器

板式换热器是在当前换热器市场发展中较为常见的一种换热器类型，由于板式换热器由不同间隔薄板构成，在进行换热交换过程中，各个薄板中的热量会随着换热方式调整出现热量迁移和转换；并且在相同污垢系数下，板式换热器换热效率能够提升至传统换热器应用效率的2～3倍，这对于换热器的应用而言是非常重要的。在板式换热器应用过程中，由于其占有体积和占地面积较小，使得换热器的应用灵活性较高，所以被很多工厂以及浴池所青睐。同时，由于板式换热器构成中具有较为明显的螺纹板式，能够按照螺纹板式构成中的要求，进行相关数值模拟计算，提升了板式换热器内部换热效率控制水平；尤其是在山东大学文孝强等人研究下，通过对板式换热器内部材料改进，提升了整个换热器换热性能，满足了人们换热处理需求。

2概述

随着可持续发展战略的实施，国家对GDP能耗控制指标不断细化，作为重要过程设备的换热器在暖通、冶金、核电、石油、化工等行业的热量回收和综合利用中发挥着越来越大的作用。根据结构特征换热器主要分为：管式、板式、扩展表面式以及再生式换热器四类。板式换热器因其独特的结构设计，与其它类型的热交换器相比，具有传热效率高、质量轻、占用空间小、结构紧凑、易维修维护等诸多的优点，近几十年来被广泛研究与应用。为适应不断变化的市场需求，全面提高板式换热设备的传热能力，众多企业和学者对板式换热器做了许多卓有成效的研究。未来板式换热器的发展，主要包括三个方面的内容：板式换热器大型化技术、可靠结构和传热性能兼顾的板片开发、流场精细化CFD分析。

3板式换热器的研究进展

3.1板式换热器的结构设计与优化

板式换热器结构设计与优化的目的是强化换热、降低流阻，使换热器的性能达到最佳，其设计基本原则是将换热器的压力损失降到最低从而得到最佳的换热效率。所以，主要从总传热系数与压损的大小两方面来体现板式换热器的性能优越性，并通过选择评相应价标准，对换热器的综合性能进行评价，从而下获得所运行参数下的最优板形。按照设计需求，换热器有若干性能评价标准。早期常用的评价标准是根据单一参数进行评价，比如给定参考流速下对比换热器传热系数和压降两个数值来评价。后续研究人员还提出使用无量纲化的努谢尔特数比和流动阻力比进行评价。板式换热器的流道形状复杂，叠放形式多样，研究者多通过实验和数值模拟对比分析板片的波纹倾角、波高、间距等不同结构参数的影响，以期得到性能最优的波纹结构。

3.2板片结构参数对换热性能影响的CFD研究进展

板片结构参数对板式换热器的换热性能有直接的影响。人字纹板同平板换热器相比，能较早地促使瑞流产生，其临界雷诺数Re为400-800。当Re>1000时，在任何情况下都具有湍流特性。人字形波纹板片的波纹倾角是影响流体在换热器流动状态的主要因数，并且深刻影响着流体的传热与压降等特征。除波纹倾角外，对于人字形波纹板片影响换热器性能的因数还有波纹深度、法向截距（波长）、表面展开系数、波纹截面形状等。近几年，国内学者采用组合通道内局部可视化结合传热机理预测推断板式换热器的传热及流阻特性；特别在板式换热器CFD方面的研究取得很大的进展。然而由于目前国内相关实验研究所用的板片的波纹形状、流道组合、Pr（普朗特数）的选取、黏度的修正等各不相同，故结果也不尽一致。板式换热器CFD分析手段使得新产品的开发和相应流场的分析变得轻松，然而目前国内各方学者的研究出发点多有重复，并且模型简化使得其精确性受限，因此，进一步的系统的CFD精细化研究实验是分析和提高其传热性能重要的方向。同时针对超大型板式换热器的传热及流场研究很少。板式换热器的大型化发展，使得开发可靠结构和传热性能兼顾的板片已是板式换热器优化与改进的主要方向。

3.3板式换热器的材质及失效分析

材料的选择对板式换热器的性能、使用寿命、适用工况及安全可靠性均有重要的影响。板式换热器的安全运主要保证板片、密封垫片、接管、压紧板和压紧螺栓等主要零件的质量。板片常用的材料有奥氏体不锈钢、钛及钛合金、镍及镍合金和铜等四类冷轧薄板；密封垫片是板式换热器主要零件中最薄弱的环节，其材料质量的好坏直接影响到板式换热器的耐压、耐温、使用寿命、使用范围和安全可靠性。从板式换热器常见的失效形式来看，板片和密封垫片的材料质量和性能对失效影响较大。换热器的发展和制造工艺水平有着密切关系。任何高效紧凑式的换热设备结构，都必须有一定的先进制造工艺来保证它的质量，运行的可靠性，并能扩大产量，降低制造成本，这样才有推广应用价值。

结语

近几十年来，随着经济的发展，特别是重工业技术水平不断提升，对板式换热器提出更多的要求，同时对板式换热器的研究和应用起到了推动作用。综述板式换热器国内发展现状，板式换热器未来的发展方向：适于恶劣环境的新型板式换热器亟需开发，发展大型化、专用化合多元化的板式换热器、利用CFD有限元手段对各类型板式换热器的传热过程和流场分布进行精细化研究分析、寻求更为合理的针对不同类型板式换热器换热系数的计算方法，以及对现有传统换热器计算公式的修正优化等。

参考文献

[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.