钎焊板式换热器及其应用

钎焊板式换热器及其应用

陈雨春

浙江三花板换科技有限公司

摘要：换热器是工业生产领域中广泛应用的热量交换设备，其性能对产品质量及系统运行经济性具有重要作用。板式换热器是系列波纹板片叠加成的新型高效换热器，板式换热器具有换热效率高、占地面积小等优点，在石油化工等行业得到了广泛应用。因此，对其应用领域展开研究。

关键词：钎焊板式换热器；特点；应用

一、钎焊板式换热器概述

钎焊板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装经过钎焊加工而成的一种新型高效换热器。各种板片之间形成薄矩形通道，通过板片进行热量交换。它与常规的管壳式换热器相比，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，在适用的范围内有取代管壳式换热器的趋势。用板材构成传热面的间壁式换热器。这类换热器结构紧凑，单位体积的传热面积较大。

（一）螺旋板式换热器

由两张保持一定间距的平行金属板卷制而成,冷、热流体分别在金属板两侧的螺旋形通道内流动。这种换热器的传热系数高（约比管壳式换热器高1～4倍），平均温度差大（因冷、热流体可作完全的逆流流动），流动阻力小，不易结垢；但维修困难。使用压力不超过2MPa。

（二）平板式换热器

由一定形状的波纹薄板和密封垫片交互叠合，并用框架夹紧组装而成。冷、热流体分别在波纹板两侧的流道中流过，经板片进行换热。波纹板通常由厚度为0.5～3mm的不锈钢、铝、钛、钼等薄板冲制而成。平板式换热器的优点是传热系数高（约比管壳式换热器高2～4倍），容易拆洗，并可增减板片数以调整传热面积。操作压力通常不超过2MPa，操作温度不超过250℃。

（三）板翅式换热器

由封闭在带有冷、热流体进出口的集流箱中的换热板束构成。板束由平板和波纹翅片交互叠合,钎焊固定而成。冷、热流体流经平板两侧换热，翅片增加了传热面积，又促进了流体的湍动，并对设备有增强作用。板翅式换热器结构非常紧凑(换热面积达4400m2/m3),传热效果好，且使用压力可达15MPa。但它的制造工艺复杂，流道小,内漏不易修复，因而限用于清洁的无腐蚀性流体，如作空气分离用的换热器。

二、钎焊板式换热器的研究现状

（一）钎焊板式换热器的传热与流动特性研究

钎焊板式换热器的传热与流动特性是换热器优化设计、稳定运行的重要依据，目前主要从实验和CFD商用软件两方面开展研究工作。通过大量的实验、数值模拟及实际工程应用，人字形（三角形）和正弦型波纹板片因其在传热特性和流阻特性上的优良性能而在行业中广泛应用。

钎焊板式换热器波纹的存在促进了流体的扰动与混合，使得流体在波纹通道内的换热增强，但同时阻力也增加。研究者通过可视化技术、运用数值模拟等手段，对波纹引起通道内介质流动状态改变这一现象进行观察和模拟，并对换热与阻力进行计算、对比，旨在揭示实际工况中，波纹通道较平直通道能够增强换热效果。

（二）钎焊板式换热器的结构设计与优化

钎焊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钎焊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。

钎焊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。

（三）钎焊板式换热器的材质及失效分析

材料的选择对钎焊板式换热器的性能、使用寿命、适用工况及安全可靠性均有重要的影响。钎焊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；密封垫片是钎焊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钎焊板式换热器的耐压、耐温、使用寿命、使用范围和安全可靠性。从钎焊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。

三、钎焊板式换热器的应用

现有板式换热器板片波纹以人字形最多，板式换热器阻力较大成为限制其应用的主要因素，许多学者采用可视化技术等手段掌握板式换热器波纹倾角对传热性能的定量影响。板式换热器是工业传热中的重要设备，随着技术的进步，近年来，开发系列新型板式换热器，适用范围不断扩大，促进生产量的提高。焊接型板式换热器是余热污水利用中的关键设备，近年来，因其质量轻、运行成本低等优势受到了人们的关注。目前板式换热器研究发展趋势是强化传热性能，增大流体处理量，研制新型适用于腐蚀介质板片提高工作压力温度。

钎焊式板式换热器的传热效率高，体积小，耐腐蚀性强，易于维护，应用范围较广。例如，在一些需要效率换热的场合，如电厂、化工厂等，可以提高设备的传热效率和稳定性。设备的波纹形状设计使得流体在流经设备时能够形成湍流状态，增加换热面积和效果。这种设计也使得设备的压降较小，流体在设备中的流动越加顺畅。钎焊式板式换热器被广泛应用于以下领域：

（1）制冷。钎焊板式换热器用于蒸发器、冷凝器和经济器，主要用于空调、热泵及冷水机组和冷热实验设备等。（2）供热。钎焊板式换热器集中供热，地板采暖等。（3）暖通空调。区域供热、水处理加热、锅炉加热、热回收、加热水预热等。（4）电力行业。在发电厂，特别是火电厂中，这些换热器用于冷却锅炉中的高温水蒸汽。它们还用于处理与电力生产相关的高温冷却介质。（5）钢铁业。钢铁制造需要高温炼钢和冷却过程，设备在这些过程中用于控制温度。（6）食品和饮料加工。在食品和饮料工业中，这些换热器用于高温灭菌、蒸煮和杀菌过程。

（7）石油和化工工业。设备在精炼石油、化工加工和炼油等高温应用中比较常见。它们用于原油加热、蒸馏化学品以及在高温条件下进行的反应过程。

四、结论

钎焊板式换热器借助换热率高、造价低、便于拆洗维修等诸多优势，正逐渐替代管壳式换热器应用在多个领域和多种复杂工况下。目前钎焊板式换热器发展的趋势是继续依托设备的紧凑性特点，不断提高传热效率、降低压力损失。设计研发新型结构板片、创新生产工艺流程，提高换热器的整体强度，从而满足高温高压介质的运行，进一步扩大使用范围，将是钎焊板式换热器今后发展的重点。

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