煤油冷却器——板式换热器的设计
第一章 板式换热器的结构特点和分析
1、板式换热器的结构分析
板式换热器主要由框架和板片两大部分组成。
板片由各种材料的制成的薄板用各种不同形式的磨具压成形状各异的波纹，并在板片的四个角上开有角孔，用于介质的流道。板片的周边及角孔处用橡胶垫片加以密封。
框架由固定压紧板、活动压紧板、上下导杆和夹紧螺栓等构成。
板式换热器是将板片以叠加的形式装在固定压紧板、活动压紧板中间，然后用夹紧螺栓夹紧而成。
1.1板式换热器与管壳式换热器的比较
（1）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=50~200）下产生紊流，所以传热系数高，一般认为是管壳式的3~5倍。
（2）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℃.
（3）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2~5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1/5~1/10。
（4）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。
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（5）重量轻
板式换热器的板片厚度仅为0.4~0.8mm，而管壳式换热器的换热管的厚度为2.0~2.5mm，管壳式的壳体比板式换热器的框架重得多，板式换热器一般只有管壳式重量的1/5左右。
（6） 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%。 （7） 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。
（8） 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。
（9） 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。
（10）容量较小
是管壳式换热器的10%~20%。 （11）单位长度的压力损失大
由于传热面之间的间隙较小，传热面上有凹凸，因此比传统的光滑管的压力损失大。
1.2板式换热器的结构技术特点
板式换热器是由传热板片、密封垫片、压紧板、上下导杆、支柱、夹紧螺栓等主要零件组成。传热板片四个角开有角孔并镶贴密封垫片，设备夹紧时，密封垫片按流程组合形式将各传热板片密封连接，角孔处互相连通，形成迷宫式的介质通道，使换热介质在相邻的通道内逆向流动，经强化热辐射、热对流、热传导进行充分的热交换。
由于传热片特殊的结构，装配后在较低的流速下（Re=200）就能激起强烈的湍流，因而加快了流体边界层的破坏，强化了传热过程。
板式换热器工作压力一般为0.3MPa～1.6 Mpa，工作温度一般低于160℃。
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用于水蒸汽加热或冷凝时，一般在板式换热器上附加减温管式换热器，来降温保护板式换热器的垫片，并增加蒸汽处理量。传热板片和密封垫片的材质一般可根据下表进行选取，也可根据用户的不同需要选择其它材料。
主要技术特点如下： （1）传热效率高
传热板片波纹结构设计合理，有利于强化传热，可以使介质在较低流速下形成激烈的湍流状态，结垢可能性降低，传热效率高。每平方米换热器面积可实现供需暖建筑面积500～1000平方米。
（2）占地面积小
由于传热效率高，设备结构紧凑，使得板式换热器占地面积为同等能力的管壳式换热器的40%。
（3）使用寿命长
传热板片采用免粘挂垫结构，避免了粘结剂对传热板片的腐蚀；传热板片拉伸成型时，采用非同时合模新工艺，保证了板片均匀拉伸，波纹尺寸精确，使得传热板片各部分耐腐蚀能力及机械强度均匀。从而延长了板式换热器的使用寿命。
（4）耐压能力高
传热板片流道四周采用加强结构；相邻板片波纹波峰相互支撑，形成大量触点，接触点分布均匀提高了板片的刚性。耐压能力提高，最高可达2.0 MPa。
（5）压力阻力损失小
传热板片角孔处波纹方向科学，采用流线型设计，避免流动死区，流道当量直径大，减小了压力损失。
（6）拆卸方便、快捷
由于胶垫为免粘挂垫，板片为悬挂在上导梁，夹紧螺柱为快装式结构，在清洗设备板片时可快速拆下螺柱、移动板片来清洗板片、更换胶垫。
（7）运行安全可靠
板式换热器密封垫片利用双道密封结构，在板片夹紧状态下变形小，回弹性好，组装及维修重新组装后垫片密封可靠，换热器无内泄现象，如有外泄现象可及时发现处理。密封垫片老化速度慢。
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板式换热器是液—液、液—汽进行热交换的理想设备。它具有换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占地面积小、安装清洗方便、应用范围广泛、使用寿命长等特点。
在相同压力损失情况下，板式换热器传热系数比管式换热器高3—5倍，占地面积为管式换热器的1/3，热回收率高达90%以上。
2、板式换热器流程工作原理
板式换热器由于板片波纹表面的特殊作用，使流体沿着狭窄弯曲的通道流动其速度的大小方向不断的改变，致使流体在不大的流速下（ Rc=200 时），激起了强烈端动，因而加快了流体边界层的破坏，强化了传热过程，有效地提高了传热能力。 并使其具有结构紧凑、金属耗量低、操作灵活性大、热损失小、安装、检查拆洗方便、耐腐性强、使用寿命长等突出优点。
换热器的流程是由许多板片按一定工艺及需方技术工作要求组装而成的。 组装时 A 板和 B 板交替排列，板片间形成网状通道四个角孔形成分配管和汇合管，密封垫把冷热介质密封在换热器里，同时又合理的将冷热介质分开而不致混合。在通道里面冷热流体间隔流动，可以逆流也可以顺流，在流动过程中冷热流体通过板壁进行热交换。板式换热器的流程组合形式很多，都是采用不同的换向板片和不同组装来实现的，流程组合形式可分为单流程，多流程和汽液交换流程，混合流程形式。
要根据工艺条件来选择换热器的流程组合。
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第二章 板式换热器的优缺点及实际应用
1、板式换热器的优缺点
1.1板式换热器的特点
（1）总传热系数高，因板式换热器中，板面被压制成波纹或沟槽，在低流速下（如Re=200左右）即可达到湍流，故总传热系数高，而液体阻力却增加不大，污垢热阻亦较小，对低粘度液体的传热，K值可高达7000W/（m2·K）。
（2）结构紧凑，单位体积设备提供的传热面积大。板式换热器属于高效换热设备。在实际应用中有两种，一种是旋压法制造的伞板式换热器，另一种是冲压法制造的平板换热器，其结构特点如下：
①板式换热器体积小、占地面积少。
板式换热器占地面积为同样换热能力的列管换热器的30%左右，若与淋洒式的排管冷却器相比就更优越。
②板式换热器传热效率高。
板式换热器能使两种热交换流体处于较低的流速下，增强扰动，激起湍流，从而强化传热，传热系数值K可达16720J/（m2?h?℃）（水对水），较之列管换热器高2~4倍。
③板式换热器组装灵活。
当生产上要求改变工艺条件和产量时，板式换热器只要增减板片数量或改变板片组装流程通道形式，即可满足要求。
④板式换热器金属消耗量低。
板式换热器主要由不锈钢或钛合金压制的传热片、密封胶垫、夹紧螺栓和压紧板整机框架等零部件组成。板式换热器的板片每平方米消耗金属为8kg左右，而同样参数的螺旋板式换热器则需要20kg左右，其他管壳式换热器就更多了。
⑤板式换热器热损失小。
板式换热器由于仅是板片周围边暴露在大气中，所以热损失仅1%左右，不需要采用保温层。
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