当代国外板式换热器摘萃

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"。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。代表性产品的技术参数详见表1。
表1可拆卸板式换热器技术参数(极限指标)

1.1"热混合"设计的板式换热器

传热单元数NTU(或θ)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：①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，导致换热面积过大，即"压力降控制设计"。②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"热混合"。主要特点是：①冷、热流道的几何形状和(或)截面面积不同。②冷、热流体的流量比最大可到2～3，而常规的PHE仅0.7～1.5。

(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，见图1。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。
 
图1 非对称PHE

(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，见图2。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。
 
图2 不同板间距PHE

1.3自由流板式换热器

流道间隙可达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，见图3。ALFA-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2～5倍。
 
图3宽间隙PHE

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2～3 MPa。ALFA-LAVAL、HISAKA、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、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，见图4和图5。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5～40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(表2)。
表2焊接板式换热器技术参数(极限指标)

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，见图6。压力2.5 MPa，温度-30～200 ℃。该技术还用于制造板式蒸发器(EC500)。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%。
 
图6 可拆式流道结构

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。

4结语

70～80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，我国虽然也有一些类似产品问世，但由于试验研究基础薄弱，设计技术水平不高，制造与检验手段落后，技术开发力量分散等原因，品种还不多，质量也不高，发展尚亦步亦趋，跨入20世纪后，有待弥补不足，认真吸收和消化国外先进技术，去粗伪、取精真，发展具有我国特色的有竞争力的新技术、新产品。