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1、板式换热器和板式换热装置的技术和应用手册前 言板式换热器和板式换热机组是工业传热过程中必不可少的设备，几乎应用于包括动力、化工、冶金、食品、轻工等一切工业部门；同时，它也是空调、供热中的重要组成部分；在可持续发展的国策下，它还是余热利用、太阳能利用、海水利用、污水利用、地热利用中的关键设备。随着技术的进步，以及节约资源和能源的紧迫性，近几年来开发了一系列新型的板式换热器，如可拆式、全焊式、钎焊式、板壳式等，并从板式换热器发展至板式换热装置，如蒸发装置、热泵装置、制冷装置、热力机组、催化重整装置、燃气冷凝回收装置等。适用范围越来越广，需要量越来越多，生产量也越来越高。但尚没有较完善的新型板式换热
2、器和新型板式换热装置的结构、原理、特性、布置、选型、安装和运行等技术和应用手册。为了满足市场的需求，为了给工业、空调、供热、新能源利用和余热利用的设计、应用、施工、运行人员提供相关数据和资料，为了给热能工程专业人员提供教材。成立了由板式换热器专家、板式换热器标准委员会成员、制造专家、专利发明人、设计、施工和用户组成的编委会。编委会编写本书的原则是为各应用领域的用户、设计、施工、运行人员提供一本技术和应用手册。既然是一本工具书，内容则必须齐全、精练、简明、实用。既全又简，既符合科学性，又满足实用性的技术应用手册，使之能真正起到开拓眼界，简化设计计算，提高工作效率，方便实际应用的作用，成为各领域的
3、与换热有关的工程技术人员的得力助手和可靠工具。本书分为技术篇和应用篇等二篇共十五章。第一篇主要的内容是提供板式换热器和板式换热装置的基础理论、性能、设计计算方法，性能试验和运行维护，同时也叙述了板式换热器的现况和发展趋势。第二篇的主要作用是向工业、空调、采暖、新能源等各领域的用户、设计、施工和运行人员介绍了板式换热器和板式换热装置的应用原理和方法。同时以实例的形式，简明扼要地叙述了应用的方式、设计的方法和节能、经济、环保效益。可读性强，适用性广。为了使该书系统更强，应用范围更广，编委会在编写过程中，除广泛收集国内的应用实例之外，还编译了许多国外的论文，如板式换热器在工业中的应用；有选择地介绍了
4、许多国外的新技术、新材料和新方法，如板式换热器和板式换热装置在燃气热电冷三联供系统中的应用等。在编写过程中，我们还得到了很多同行的热情鼓励和具体帮助，不少同志为我们提供了自己的研究成果和掌握的资料。在此，谨向这些同行和作者致以真挚的谢意。中国建筑工业出版社姚荣华副主任，从确定编写提纲直至最后审查定稿，自始至终给予了极大的关心和支持，为本书的出版付出了辛勤的劳动，在此一并致谢。由于编写人员水平有限，错误难免，诚恳地欢迎广大读者不吝赐教，以便再第一章 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。
5、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。 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35mm的一般板发展到波深为22.5mm的浅密波纹板。 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/m2k发展至12
6、000W/m2k。?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。 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 板式换热器向大型化、小型化、专业化、多元化、装置化发展。 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
7、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
8、（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44500 kW；蒸汽水板式换热器45000 kW；蓄冷罐5053m3；海水板式换热器412000 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）。照片1-1 巴塞罗拉 论坛区海水冷却板式换热器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
9、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，
10、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500，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
11、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
12、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1520%。 超小型化 在选择与使用条件
13、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。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
14、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1/21/3。 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
15、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
16、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：0.32.0mm（标准0.8mm,低温用0.4mm）。耐压：在600时为
