换热器文献综述(综述报告)(经典版)

1、 板式换热器综述报告 板式换热器综述报告院系：机械工程学院 姓名： xxxxx x 学号： xxxxxxxxxx 班级：过控10-3班 日期：2012年12月28日 前言用来使热量从热流体传递到冷流体，以满足规定工艺要求的装置统称为换热器。随着生产和科学技术的发展，化工、动力机械、原子能工业，特别是汽车、火车、航空等工业部门迫切要求高效、轻巧而又紧凑的换热设备，这就促使新结构形式的热交换设备的出现和不断发展。板式换热器就是在这种形式下发展起来的新产品。国内外板式换热器的发展是欧美发达国家于20世纪80年代起开始竞相开发、研制各种型式的板式换热器。其中具有代表性的为法国公司,该公司于20世纪80

2、年代首次在催化重整装置中用一台大型板式换热器替代传统的管壳式换热器组。20世纪90年代末期,公司又将大型板式换热器用于加氢装置。该公司的产品得到(美国联合油)的认证,其产品主要用于的催化重整、芳烃及加氢装置。而板式换热器在中国的起步比较晚。1999年兰州石油机械研究所研制成功大型板式换热器,该产品(专利号:98249056.9)具有国际先进水平、首创独特结构的全焊式板式换热器,并已在炼油厂重整装置,化肥厂水解解吸装置及集中供热换热站等场合得到应用。近年来，随着我国石化、钢铁等行业的快速发展，换热器的需求水平大幅上涨，但国内企业的供给能力有限，导致换热器行业呈现供不应求的市场状态，巨大的供给缺口

3、需要进口来弥补。同时，我国出口的换热器均价平均不到进口均价的一半。可以想见，我国出口的产品多是附加值低的中、低端产品，而进口的产品多是附加值高的高端产品。这充分说明我国对高端换热器产品需求旺盛但供给不足的市场现状。 作为一个高效紧凑式换热器，在加热、冷却、冷凝、蒸发和热回收过程中，除了高温、高压和特殊介质条件外，板式换热器均已替代管壳式换热器。经试验证明在板式换热器适用范围内，绝大多数工况时，用不锈钢板式换热器比一般碳钢换热器投资低，而且可以预见板式换热器与管壳式换热器的竞争会更加激烈。随着科技的进步，板式换热器也有了飞速发展。自进入21世纪以来，常规对称形、非对称形，高NTU型（浅密波纹型）

4、、免粘型、板式蒸发器、板式冷凝器等国外已有的可拆卸板式换热器均已实现国产化，并成功应用于不同领域。可拆式板式换热器已成为板式换热器的潮流，他将朝着大规格、多品种、系列化、高性能、高可靠性、低成本以及生产企业的专业化、规模化发展。未来，随着国内市场的需求和国内经济发展所带来的良好机遇，以及进口产品巨大的可转化性共同预示着我国板式换热器行业良好的发展前景。目前燃料的能量只有约35%被发电机组转化为电能，约有30%随废气排出，25%被发电机冷却水带走，通过机身散发等其它损失约占10%左右，废气和换热器损失的功率比有用功还多。在我国，目前占燃气发动机燃料近55%热值的废气和冷却水余热资源基本上被白白浪

5、费掉，发动机余热利用技术的开发和应用尚处于起步阶段，市场前景广阔。在西方国家，发动机余热80%以上被利用。随着人民生活质量提高，制冷和采暖越来越普及，能源消耗越来越大，同时发动机余热资源目前没有得到综合利用，燃油、燃气及电热锅炉和中央空调在广泛使用，消耗了大量能源。随着能源供应日益紧张，节能、降耗、提高能源利用率，越来越引起人们重视，余热利用热电联供已经被列入国家“十五”规划节能重点投资领域。发动机余热的利用是必然趋势。凡是需要热能并且已有机组或燃气资源丰富的地方都可以推广应用，如办公大楼、宾馆、商场的热电联供制冷、供热系统、联合站原油加热、钻井队取暖、加热设备、利用废弃余热的系统相比燃油、燃

6、气、电热锅炉好中央空调有以下优势：可以显著降低运营费用，经济效率可观，为用户提供双电源供电系统，充分利用油田天然气资源丰富的优势。发动机的废气余热利用在我国还是一个新兴的科技领域，是发展的必然趋势，我们还要不断学习国外在这方面的先进技术，提高水平，多与广大用户交流和学习，提高余热利用效率，扩大应用范围，以使其扩展到更宽的领域。板式换热器可以有效的利用废气余热，以达到节能的作用。通过对板式换热器进行合理的参数选择和结构设计：总管数、程数、管程总体阻力校核；壳体直径；结构设计包括流体壁厚；主要进出口管径的确定包括：冷热流体的进出口管、传热计算和压降计算、流动阻力计算；设计计算和校核计算。使其能够最

7、大效率的利用废气的热量，使其热量转化成动力得以输出。一、板式换热器的简介板式换热器由多片通道板、一片盲板、一片端板和端封及通道密封组成。换热器的两端分别是盲板和端板，中间部分则全是通道板，密封分别夹在通道板及端板之间，使之形成了许多隔开的容腔，通道板的四角开有圆孔。允许加热介质和被加热介质在此流过，由于板片是具有特定形状，周边及孔的周围压有密封垫片槽，所以一种介质只能留到隔一个容腔中，而不会留到相邻的容腔中，这样就使加热介质和被加热介质充分接触，从而达到换热目的。传热部分的人字形波纹板、水平平直波纹板或瘤形板片交成网状，并形成众多触点。几何形状复杂的板间流道断面使得其具有较高的传热系数，这是因

8、为介质经过时，流动方向和流动速度在不断变化，流速最低时还会产生湍流，强化了传热效果。 1板式换热器的特点（板式换热器与管壳式换热器的比较） a.传热系数高 由于不同的波纹板相互倒置，构成复杂的流道，使流体在波纹板间流道内呈旋转三维流动，能在较低的雷诺数（一般Re=50200）下产生紊流，所以传热系数高，一般认为是管壳式的35倍。 b.对数平均温差大，末端温差小 在管壳式换热器中，两种流体分别在管程和壳程内流动，总体上是错流流动，对数平均温差修正系数小，而板式换热器多是并流或逆流流动方式，其修正系数也通常在0.95左右，此外，冷、热流体在板式换热器内的流动平行于换热面、无旁流，因此使得板式换热器

9、的末端温差小，对水换热可低于1，而管壳式换热器一般为5。 c.占地面积小 板式换热器结构紧凑，单位体积内的换热面积为管壳式的25倍，也不像管壳式那样要预留抽出管束的检修场所，因此实现同样的换热量，板式换热器占地面积约为管壳式换热器的1/51/10。 d.容易改变换热面积或流程组合，只要增加或减少几张板，即可达到增加或减少换热面积的目的；改变板片排列或更换几张板片，即可达到所要求的流程组合，适应新的换热工况，而管壳式换热器的传热面积几乎不可能增加。 e.重量轻 板式换热器的板片厚度仅为0.40.8mm，而管壳式换热器的换热管的厚度为2.02.5mm，管壳式的壳体比板式换热器的框架重得多，板式换热

10、器一般只有管壳式重量的1/5左右。 f. 价格低 采用相同材料，在相同换热面积下，板式换热器价格比管壳式约低40%60%。 g. 制作方便 板式换热器的传热板是采用冲压加工，标准化程度高，并可大批生产，管壳式换热器一般采用手工制作。 h. 容易清洗 框架式板式换热器只要松动压紧螺栓，即可松开板束，卸下板片进行机械清洗，这对需要经常清洗设备的换热过程十分方便。 i. 热损失小 板式换热器只有传热板的外壳板暴露在大气中，因此散热损失可以忽略不计，也不需要保温措施。而管壳式换热器热损失大，需要隔热层。 j. 容量较小 是管壳式换热器的10%20%。 k. 单位长度的压力损失大 由于传热面之间的间隙较

11、小，传热面上有凹凸，因此比传统的光滑管的压力损失大。 l. 不易结垢 由于内部充分湍动，所以不易结垢，其结垢系数仅为管壳式换热器的1/31/10. m. 工作压力不宜过大，介质温度不宜过高，有可能泄露 板式换热器采用密封垫密封，工作压力一般不宜超过2.5MPa，介质温度应在低于250以下，否则有可能泄露。 n. 易堵塞 由于板片间通道很窄，一般只有25mm，当换热介质含有较大颗粒或纤维物质时，容易堵塞板间通道。 2板式换热器选型时应注意的问题 2.1 板型选择 板片型式或波纹式应根据换热场合的实际需要而定。对流量大允许压降小的情况，应选用阻力小的板型，反之选用阻力大的板型。根据流体压力和温度的

12、情况，确定选择可拆卸式，还是钎焊式。确定板型时不宜选择单板面积太小的板片，以免板片数量过多，板间流速偏小，传热系数过低，对较大的换热器更应注意这个问题。 2.2 流程和流道的选择 流程指板式换热器内一种介质同一流动方向的一组并联流道，而流道指板式换热器内，相邻两板片组成的介质流动通道。一般情况下，将若干个流道按并联或串联的费那个是连接起来，以形成冷、热介质通道的不同组合。 流程组合形式应根据换热和流体阻力计算，在满足工艺条件要求下确定。尽量使冷、热水流道内的对流换热系数相等或接近，从而得到最佳的传热效果。因为在传热表面两侧对流换热系数相等或接近时传热系数获得较大值。虽然板式换热器各板间流速不等

13、，但在换热和流体阻力计算时，仍以平均流速进行计算。由于“U”形单流程的接管都固定在压紧板上，拆装方便。 2.3 压降校核在板式换热器的设计选型使，一般对压降有一定的要求，所以应对其进行校核。如果校核压降超过允许压降，需重新进行设计选型计算，直到满足工艺要求为止。二、板式换热器的研究板式换热器(PHE)是一种高效、紧凑的换热设备。由于在许多方面优于管壳式换热器，所以，尽管只有百余年的历史，但发展迅速，应用领域遍及国民经济各部门。板式换热器分为可拆卸式和焊接式两大类。80年代以来，品种规格、密封结构、设计与制造技术等方面均有了突破性进展，发展方向趋于"大参数、多品种、高性能"。

14、其中，包括耐温、耐压、耐腐蚀及其它特种PHE。 1可拆卸板式换热器 板片种类繁多，但仍以人字形波纹板片为主。瑞典ALFA-LAVAL、英国APV、德国GEA和W.Schmidt、法国VICARB、日本HISAKA(日阪制作所)以及美国Tranter等公司的产品技术先进，较有特色。 1.1"热混合"设计的板式换热器 传热单元数NTU(或)是表征板片和流道特性的系数。同一几何尺寸和波纹结构的板片NTU相同，只能组成单一特性的流道，不能满足实际工况中非对称流体传热的需要，故在PHE设计选型时，往往存在2种情况：冷、热流道内的流速差别较大，低流速侧压力降过小，常需串连，导致换热面积

15、过大，即"压力降控制设计"。满足两侧压力降要求时，换热面积太小，传热量不够，即"热控制设计"。1983年，ALFA-LAVAL应用"热混合"设计原理，以高、低2种NTU值的板片组成高、中、低3种NTU值的流道，分别与冷、热流体的需要"精确匹配"，可使PHE的性能和面积最佳化，较成功地解决了这些问题，被认为是PHE设计应用的一项重大突破。在充分利用允许压力降的情况下，"热混合"设计的换热面积有时可比传统的PHE减少25%30%，现已普遍推广。 1.2非对称流道板式换热器 这种产品的基本原理仍为&q

16、uot;热混合"。主要特点是：冷、热流道的几何形状和(或)截面面积不同。冷、热流体的流量比最大可到23，而常规的PHE仅0.71.5。 (1)非对称板式换热器在同一块板片上，具有不同夹角的人字形波纹，可组成6种不同特性的流道，比"热混合"PHE增加1倍，换热面积可减少16%20%，费用降低10%20%，板片和模具的数量也大大减少。1985年，瑞典Reheat公司首创该产品，并且誉为第二代PHE。Tranter和德国的Fischer公司等均有这种产品。 (2)不等流量液体板式换热器ALFA-LAVAL生产1种冷、热流体接管直径不同，板片导流区结构特殊的PHE，即使对

17、最宽的板片也能保证流体均匀分布，压力降小，传热性能好，可以用于冷、热流体流量比为3的工况。 (3)板管式换热器ALFA-LAVAL公司的Flow-Flex产品，在板片的一面可组成管状流道，而另一面则为常规的板状流道。冷、热流体的流量比可达2，适用于低压冷凝、汽化，以及含纤维和颗粒杂质的流体。 (4)不等间距板式换热器由2种板片分别组成板间距宽窄不同的流道。宽流道用于粘性或含纤维和颗粒杂质的流体，而窄流道用于一般的液体。ALFA-LAVAL、W.Schmidt、Tranter等公司均有这种产品。Tranter公司可用同一种板片组成不等间距和等间距2种流道的PHE。 1.3自由流板式换热器 流道间

18、隙可达20 mm，适用于冷、热流体均为粘性或含纤维和颗粒杂质的流体。设计压力一般不超过1 MPa(最高1.5 MPa)，同管壳式换热器相比，传热性能更好，操作周期更长，清洗更方便。 (1)鱼鳞形板式换热器板片横截面呈弧形，波纹为鱼鳞形或"搓衣板"形，板片间没有或仅有少数触点，流体在这种流道内畅通无阻。GEA AHLBORN、HISAKA、美国PAUL MUELLER、Tranter和德国Eduard Ahlborn等公司均有类似的产品。 (2)宽间隙板式换热器板片的波纹结构基本上与常规板片相同，但有一些特制的深波纹("筋")起支撑和保持宽间隙的作用。AL

19、FA-LAVAL公司的产品间隙为16 mm，HISAKA公司的产品间隙为10 mm和20 mm，Tranter公司的板片波纹深度为常规板片的25倍。 1.4双壁板式换热器 以双层板片代替单层板片，两组双层板片间用常规的垫片密封，适用于因泄漏而造成两种介质混合时，可能产生有害反应或不良后果的工况(如化工、食品行业)。万一发生泄漏，该介质可由双壁之间流出，以便从外部及时发现，采取措施。APV、ALFA-LAVAL均有此类产品。 1.5浅密波纹板式换热器 板片的波纹浅而密，NTU值大，传热性能良好，适用于清洁流体。由于板片的刚性好，接触点比较多，故压力可达23 MPa。ALFA-LAVAL、HISA

20、KA、Tranter等公司均有此类产品。 1.6石墨板式换热器 ALFA-LAVAL与德国SIGRI Great Lakes Carbon 公司合作开发了1种名为Diabon F100 的石墨板式换热器，适用于高合金和贵金属也难处理的强腐蚀性介质。波纹板片由石墨与氟塑料配制的复合材料压制而成，板片之间由耐腐蚀密封剂密封。该产品不仅耐腐蚀，且传热性能好，热膨胀量小，不易塑性变形，设计温度140 ，设计压力0.6 MPa，总传热系数达2 230 W(m2.K)。用于化工、石油化工和医药等行业，可代替浸渍合成树脂的管壳式、石墨块和Teflon换热器。 1.7非粘贴密封垫片 传统的粘贴式垫片工艺繁杂、

21、费时费料、装拆不便，甚至可能因粘接剂、清洗剂中的有害成分影响人体健康和导致板片垫片槽腐蚀开裂。因此，非粘贴密封垫片的应用越来越广，某些场合也可采用局部粘贴方法。一般，装(换)1条垫片仅需几分种，时间和劳动量分别比粘贴式垫片节省80%95%和70%，尤其便于现场更换，使维修费用及停工损失大大减少。 非粘贴垫片和板片相应部位均具有特制的结构形状，两者用机械方法连接，品种较多，大致可分为"嵌入式"和"夹卡式"两类，适用的温度达165 ，压力2.5 MPa。ALFA-LAVAL、APV、GEA、美国ITT和HISAKA 等公司均各有专利产品。 1.8可靠的板片定

22、位系统 为使板片和垫片密封部位定位准确且可靠，防止上下或左右滑移，延长垫片寿命，ALFA-LAVAL、APV及GEA公司等均采用了不同的板片定位结构。 1.9密封垫片材料和性能评价 PHE最薄弱的环节就是垫片。多年来，一直成为众所关注和探索的焦点，现已在耐温、耐蚀材料及其性能评价方面取得了一些进展。 (1)丁腈橡胶(NBR)一般适用于120 以下工况，新研制的高温NBR可到145 ，经氢化处理的NBR达160 ；三元乙丙橡胶(EPDM)过去只用于150 ，高温EPDM已提高到160 ；氟丙橡胶(FPM)可用于175 ；石墨层压垫片适用温度可达400 ，能良好地代替压缩石棉纤维垫片。(2)包覆垫

23、片以一般橡胶或金属块作为芯体，外包聚四氟乙烯(PTFE)或经氟化处理的合成材料等，可以用于腐蚀性很强的介质或提高温度极限。HISAKA率先使用包覆PTFE的NBR垫片，使PHE的应用领域比过去大大拓宽，垫片的使用寿命也更长。ALFA-LAVAL已将这种垫片用于双板焊接PHE。 (3)随着非粘贴密封垫片的发展，非粘贴密封垫片用材料的配方须有微妙的改变，要求其性能更稳定、更耐久且抗撕裂性更好。 (4)评价垫片耐温性能的好坏，主要有2个指标：额定温度下的压缩永久变形和硬度。对于新的垫片材料，一般需经环样试验和板片加垫片的整体试验，试验时间为540天。推荐的垫片使用温度极限应低于考虑了一定安全系数后的

24、压缩永久变形曲线。 2焊接板式换热器 可拆卸板式换热器的应用范围除受到压力和温度的限制外，主要是流体与密封垫片的相容性问题。因此，在高温、高压的清洁流体和有侵蚀性流体等工况下，焊接板式换热器更具竞争性。但是，其缺点是不能(或只能局部)拆开清洗、检查和维修。该产品主要有半焊式和全焊式2类。焊接方法常用气体保护焊、钎焊和激光焊。 ALFA-LAVAL公司的双板焊接PHE采用3 kW的CO2光谱-物理型激光器，沿密封面将板片成对地焊接在一起，形成焊接流道，供有特定要求的介质流通。两对焊接板片之间，仍为垫片密封的可拆式流道。压力2.5 MPa，温度-30200 。该技术还用于制造板式蒸发器(EC500

25、)。以惰性气体保护的激光焊，输入热量少，焊缝热影响区小，焊接应力低，焊接接头少，耐蚀性好，自动化程度高，但投资大，成本高。APV、ITT等公司也有类似产品。该产品用作制冷系统的冷凝器和蒸发器等，占地面积比管壳式换热器减少50%70%；用于近海工程中石油气冷却，占地面积和重量分别减少84%和60%，费用降低50%。 VICARB公司的焊接PHE，四周盖板可以拆开，便于维修，结构有方形和圆柱形两种。钎焊PHE为不可拆结构，广泛用于制冷工程。 3先进的设计与制造方法 计算机辅助设计与选型(CAD)、计算机辅助制造(CAM)模具等零件、有限元模拟设计以及高速、一次压制工艺等先进技术的采用，使板片的结构更趋合理，尺寸精度明显提高，即使板厚小至0.4 mm，板片的承压能力仍可较高。由于设计、选型经济合理，同样工况下，产品的总面积和费用往往不大。 7080年代是国外PHE发展的鼎盛时期，其主要特点是"大参数、多品种、高性能"，尤以非对称流道PHE、非粘贴密封垫片和特殊用途PHE为标志。近期，我国虽