板式换热器和板式换热装置的技术和应用手册

第一章 板式换热器的发展现况和展望
第一节 板式换热器的发展现状
一、板式换热器的发展现况：
1、概述：
最近几十年来板式换热器发展很快，主要表现在以下几个方面。
⑴ 板式换热器的种类越来越多，技术性能越来越好，应用范围越来越广。
① 板式换热器的种类：
从板式换热器的连接方式上看：从可拆式板式换热器发展到钎焊式板式换热器。从半焊接式、全焊接式发展到板壳式换热器。
从板片的形式上看：从对称型发展到非对称型。
从板片的流道上看：从对称流道发展到宽窄流道、宽宽流道。
从板片波纹的深浅看：从波深为3~5mm的一般板发展到波深为2~2.5mm的浅密波纹板。
② 板式换热器的技术性能越来越好
图1-1表示板式换热器的设计温度、设计压力范围。
•工作温度从可拆式的260℃发展到板壳式的1000℃。
•工作压力从可拆式型的2.5MPa发展到板壳式的8.0MPa。
•传热系数从2000W/m²·k发展至12000W/m²·k。
•最大当量直径28mm。
•最大可拆式单板换热面积4.75m2。
•最大焊接式单板换热面积18m2。
•最小钎焊式单板换热面积0.006m2。
•最大可拆式单台换热面积2500m2。
•最大全焊式单台换热面积10000m2。
•最大接管尺寸500mm。
③ 板式换热器的应用范围越来越广（见表1-1）。
表1-1 各种类型板式换热器的应用范围
⑵ 板式换热器向大型化、小型化、专业化、多元化、装置化发展。
① 大型化
大型板式换热器主要用于中央冷却系统（以下简称CCS），该系统集中冷却各种工厂使用的冷却水，并作为发电厂轴承冷却水的冷却器。板式换热器的容量与工厂的规模，工艺过程等有关，必要的冷却水量从数千至数万m3/h,大型板式换热器可达数十万m3/h，CCS中希望采用尽可能少的台数进行处理，故要求采用大型板式换热器，近几十年，中东地区建设了许多具有世界级规模的LNG工厂，使用过去的冷却塔的冷却方式不能确保补给水，故希望变更为使用板式换热器的CCS方式。过去发电厂使用S&T轴承冷却水方式，但通过性能评价说明，板式换热器在成本、传热性能、小型化及维护性等方面均具有明显的优越性，因此需要将它们更换为板式换热器的方式。如巴塞罗那论坛区能源系统采用的是垃圾利用（将巴塞罗那市区收集的垃圾进行厌氧分析，产生人造燃气），废热发电（垃圾产生的燃气加热蒸汽锅炉，驱动气轮发电机，向论坛区及城市电网供电），发电余热制冷（高压蒸汽发电后衰减为低压蒸汽，被送至远大空调制造的吸收式制冷机加热溴化锂溶液，进行制冷），海水冷却。设备设计容量：吸收式制冷机4×4500 kW；蒸汽—水板式换热器4×5000 kW；蓄冷罐5053m3；海水板式换热器4×12000 kW（每台海水板式换热器流量961m3/h，压力降58kPa ）,板片材料为钛。海水冷却板式换热器（见照片1-1）。
上述用途的共同特征是以海水作为冷却水的水源，在板式换热器中使用海水的问题之一是防垢。今后，随着CCS和电厂中的冷却器采用板式换热器不断增长的要求，就必须研究海生生物附着在板片上后对传热性能的影响程度，并要了解板片的耐腐蚀性能。
a、耐海水性
使用海水时的防污问题。现在，作为防止海生生物附着的方法有往海水中连续注入通过电分解方法得到次亚盐酸钠(NaClO)的方法。实际运行说明，在使用海水的板式换热器中连续注入次亚盐酸钠(0.9ppm)后进行测定，运行3个月后，其总传热系数没有发生变化。在夏季海藻和贝类容易繁殖的时期，连续注入次亚盐酸钠也能确保传热性能不变。其它的方法还有，从环境保全上看，采用臭氧和热水的防污也是有效的，但尚未进行实验验证和确立相应的技术方法。
b、耐腐蚀性
使用海水时，板片的材质一般为钛板。钛对海水具有优良的耐腐蚀性，从相关的耐腐蚀性资料可知，对于海水来说，即使至120℃，钛板也不会腐蚀。此外，为了抑制海生生物的附着而注入的次亚盐酸钠还会产生一种坚固的非动态的膜，从而提高了钛板的耐腐蚀性。使用丁腈类橡胶作为密封垫片，即使海水温度达到80℃，也不会对它产生任何腐蚀。在耐热性方面，当海水温度低于60℃时，不会产生热的劣化现象，能长期确保良好的密封性能。
c、大型板式换热器的特性
·每台板式换热器的处理流量与板的角孔口径有关，大型板式换热器角孔的口径为Φ500，每台处理的流量为5000m3/h，与以往的所谓大型板式换热器比较，所需台数可以减少一半。其结果，换热器用过滤器、安装工程和管道的初投资，板的清洗和密封垫片的更换等维护费用均能明显地降低，并且还能节省占地空间，以下通过一实例说明，现今大型板式换热器与以往大型板式换热器的比较（见表1-2），从台数上看，大型机仅需2台，而以往大型机要4台； 从初投资上看，2台大型机的投资 约比以往大型
机大10%，但它的过滤器投资约为以 表1-2 与以往大型机的比较
往型的2/3，安装工程约为一半，其总费用约能减少30%。从设置空间上看约能减少40%。即使设置1台备用机，总费用也能减少15%，空间也能节省30%。在分解清洗方面，由于板片数少，人工费亦降低约30%。
·对海水的处理措施。 当海水中的海藻、贝类附着在板的内部或堵塞在角孔的附近时，会降低海水的流量，从而不能确保冷却性能，故当海水从角孔到板的内部时，不应有突起的障碍物，使流路呈直线型，这是防止海生生物堵塞角孔的方法之一。为了验证以上效果，对通过海水的大型板式换热器进行测定，测试结果证明，当角孔附近附着很少量的藻类时，对流路的性能没有影响。但为了保证板内流道的通畅，绝不允许通过直径大于板间距的异物，故必须在进入换热器前安装过滤器。
d、高性能化
与以往板式换热器比较，均匀流路无偏流是保持高性能的主要途径。措施之一是在板内部的主传热面上设置偏流抑制板，使液体入口处的流路为最短，从而使主传热面为均匀流(见图1-2)。其次，设计板片时，应使板中央部的流量增多，即要防止端部的流量增多。如前所述，由于防止偏流板能减少角孔的压力降，因此，其传热性能比以往大型板约增加15~20%。
③ 超小型化
在选择与使用条件相应的板式换热器的尺寸时，必须考虑初投资和设置空间等问题。板式换热器的市场之一是用在耗能量少的食品、医药流体的杀菌，少量流体的加热/冷却等用户。为此，必须开发出超小型的板式换热器，以适应产品多样化，生产规模参差不齐的要求，并满足耗能量少的热能行业的要求。目前市场上超小型板式换热器具有小型化、低成本、高性能、重量轻、生产快等优点。
a、换热器的尺寸，最大的板片也仅相当于A4用纸的尺寸，重量每台约20kg，可安装在墙上。
b、标准板片数为12、24、36、48四类；板的材质为SUS316和钛两类；密封垫片为三元乙丙橡胶和硅橡胶两类。
④专用化
a、用于食品流体的热杀菌、加热/冷却工艺过程中的板式换热器必须具备以下三个条件：提高生产率；确保卫生性；保障食品品质稳定性等。
b、食品专用板式换热器是为了满足上述三个条件而开发出的已商品化的板式换热器，以它作为咖啡、调味液、酱油等杀菌器使用时受到了普遍的好评。
c、在设计食品专用板式换热器时，应使板片内的流速分布均匀，为此，在板面上，即使是局部也不应该形成液垢，并能进行长时间的连续运行，目的是达到均匀的升温/冷却过程，提高制品的品质和保证质量的稳定。若采用CIP还能清洗板式换热器的所有板面。
d、采用镶嵌式结构的密封垫片，以适应新性能的要求，维护时间是原有装置的1/2~1/3。
⑤ 多元化
a、全焊式板式换热器
众所周知，板式换热器具有许多优越性，但由于存在如下问题，限制了它的应用范围和发展，密封性较差，易泄露，需经常更换垫片，较麻烦，耐压能力较低，一般约为1MPa；耐温能力受垫片材料的限制；流道小，不适宜于气—气换热或蒸汽冷凝；易堵塞，不宜用于含悬浮物质的流体等。随着板式换热器制造技术，板材质和焊接板的出现，克服了上述缺点，扩大了应用范围。
在所有工业行业内实施节能的进程中，降低燃料费用是各企业急需解决的问题。废气、废水热回收是节能，降低燃料费的重要举措之一，为了适应这种形势，开发出了全焊接板式换热器机组。
·形状：组合了标准化的极薄平板的全焊接结构的错流型的气—气（空气）换热器有两种类型，即高温型、低温型。
·特征：机组组合而成，便于扩张，从小风量至大风量(60~300000Nm³/h)，使用范围广；平板薄，效率高(温度效率达80%以上)；可以用于高温(1000℃)，高压（30kPa）的气体；全焊接气密结构，不会混入排气、臭气；结构便于维护、清扫；根据使用温度和气体的种类选择合适的材质。
·结构：为了承受高温条件下的热应力，将薄板加工成六角形状的单体后组装成机组，目的是分散热应力，构成耐高温的结构（见图1-3）
·材质：S-TEN，S适合于温度低于350℃的机组；铝合金板适合于排气温度低于500℃的机组；SPCC适合于温度低于200℃的机组；SUS系统应根据温度、排气的性质选择其他非铁金属，如锡、铜。
·板厚：0.3~2.0mm（标准0.8mm,低温用0.4mm）。
·耐压：在600℃时为10kPa；在900℃时为5kPa。
·气密性：T型为通过风量的0.001以下，用于脱臭；N型为通过风量的0.1%以下，一般用途；S型通过风量的1.0%以下。
·压力降：高温侧、低温侧压力降是不同的。高温侧（排气）在仅依靠风机的机外剩余压力和烟囱的引力条件下，允许值为50Pa以下。
·最高使用温度：与受热侧的回收温度和操作压力有关，但可达到1000℃。
·排气中的粉尘浓度：当排气通路为单流程时，由于传热面为平板，故很难堵塞，粉尘浓度约为0.1~0.5g/Nm³。
·流向(流程方向)：原则上可自由设计，事前可与用户协商，进行最优设计。
·互换性：当机组需要更换某些部件时，机组的结构应便于更换。
·布置：可纵向、横向或水平设置。
·保温：外型便于保温，一般采用板式保温，便于维护。最近，已经开发出利用排气预热锅炉给水的低压损机组装置。目前，全焊式板式换热器用于钢铁、石油、锅炉等行业，并已取得了很大的成绩。
b、板式错流型换热器
·板式错流型换热器是一种结构简单，具有弹性密封、传热面不焊接和应用范围广等优点。
·原理结构：在钢结构的固定框架中，将每1片传热板成90度逐一重合而成。排气从垂直方向通过传热板，空气从水平方向通过。（见图1-4）
·特点：传热板通过弹性密封组合而成，能自由地吸收热膨胀，故能满足温度变化形成的应力变化的要求，几乎不发生泄漏问题；由于传热面不焊接，可根据对象温度的变化，选择许多合适的材料，其适用范围，从氧露点以下的低温至1000℃左右的高温（见图1-5）；为了防止排气中粉尘产生的磨损和堵塞问题，采取了许多相应措施。可组合数个至数十个，故处理量非常大，可作为大容量的空气预热器。