改善板式换热器系统压降常用方法

时间：2024-08-31

文_李大瑞张国栋兰州兰石集团兰驼农业装备有限公司

在实际的工业生产中, 设备分为静态设备、动态设备。动态设备除了满足生产中的工艺需求, 还可以弥补因流体流动等原因引起的阻力降。其投资费用往往比改善板式换热器压降以节省的换热面积费用大很多，且往往比板式换热器更加耗能。故而，改善板式换热器压降有着十分明显的经济与环保意义。改善板式换热器系统压降通常采用通过波纹板结构优化设计，或是通过系统中板式换热器之间、板式换热器与成套设备间的系统配置优化来实现。

1 板式换热器的基本结构及传热原理

板式换热器由固定压板、活动压板、波纹薄板、橡胶密封垫片、上下定位导杆、支柱及拉杆七大件组成。为了满足单相、多相流体及单程、双程、复杂程生产工艺条件，波纹薄板四个角上会根据具体工艺要求留出流体流动所需的角孔，极为特殊时，会在波纹薄板导流区开一个用于排气的小孔。板式换热器基本传热原理是热流体与冷流体在板间流动，热量通过波纹薄板进行传递与交换。理论上流体的雷诺数在接近于400 时，会变为湍流，而湍流的换热效率远远超过层流跟紊流。波纹薄板上各个波纹的存在，一方面是为了夹紧密封时可以使薄板间承压触点合理分布，提高板式换热器的承压能力与稳定性。另一方面就是为了形成科学高效的板间流道，让流体经过这些流道时能以较快的速度达到湍动状态，以提高换热效率，降低用材面积，这也是板式换热器换热效率可以优于其他类型换热器的根本原因。但也正是因为这些流道与触点的存在，使板式换热器中流体阻力进一步增大，导致实际工业生产中不得不配套费用昂贵的动态设备来弥补这一损失，故改善压降问题一直是提高板式换热器工业适应能力及效能价值的主要方向。

2 通过波纹薄板结构优化设计来改善板式换热器压降

波纹薄板可以分为角孔、导流区、矩形块，三者相互结合相互影响。工艺流体先通过角孔进入薄板，经过导流区后，到达矩形块区域开始进行高效率的换热。通常我们把波纹薄板间形成的流体通道叫做流道，流道的形成依赖于波纹薄板的物理结构，但由于影响因素较多，流道的数学模型往往比较难以求解，设计完成后都需要实地制造样机来进行压降试验，才能了解波纹薄板结构的压降性能。

板式换热器的压降性能主要受流体流动形式和触点密度的影响。通常波纹倾角为70°时传热效果最好但压降较大，而波纹深度对传热性能的影响效果比波纹倾角和波纹节距大8%和15%左右，波纹倾角对压降性能的影响大于波纹节距，所以波纹薄板矩形块区域的设计会尽量让波纹倾角位于理想角度区间，故在此不展开讨论。此处主要阐述针对同一规格波纹板片，可以通过改变角孔结构和优化导流区来改善压降问题。市场各类型号板式换热器多不胜数，但其核心部件波纹薄板几乎全部采用圆形角孔形式，异形角孔大多停留在样机验证及特有的型号规格上（见图1）。之所以如此，是因为原有波纹薄板模具及其配套的橡胶密封垫模具开发较早，未进行异形孔设计，且部分生产厂家没有异形孔设计能力。现行板式换热器采用的异形孔波纹薄板，多为类圆三角形或是类椭圆形。设计异形角孔首要是增大角孔圆弧流体进行入流区的弧长，使得流体通过角孔进入导流区的门户增大，减少其角孔阻力。然后要适当优化导流区结构，将导流区变小，使流体可以较快抵达矩形块区进行高效率换热，还可以增加板式换热器的承压密封能力。最后因为角孔及导流区的改变，采用异性孔的波纹薄板角孔间距变小，可以进一步减少重力、板间阻力等导致的压降问题。通过以上结构设计，采用异性孔的波纹薄板导流区流体通过效率增大，受重力及板间阻力的影响较同换热面积圆形角孔波纹薄板小，两方结合来达到改善板式换热器压降问题的目的。改善板式换热器压降问题十分必要，故而采用异形孔的板式换热器有着明显的市场价值。

异形孔波纹薄板设计时，因为承压薄弱区域位于角孔与导流区（角孔与导流区合称头块或端块），所以异形角孔相对于圆形角孔来说有三个设计注意点。一是头块区域承压触点的设置与强度的加强设计。波纹薄板头块区域一般需要两面承压，不仅要保证流体的通过性，更要保证角孔圆弧与导流区圆弧的承压密封性能。为了保证流体通过性及波纹薄板两面适用性，导流区波纹多采用半高引导波纹加少量全高承压波纹的形式。在保证流体通过性，降低其导流区阻力的基础上，角孔圆弧与导流区圆弧周界需要密集设置全高波纹，以满足承压密封性能的要求。在此基础上，角孔圆弧与导流区圆弧上要设置加强小圆弧或是密集的加强凸点，但这对波纹薄板成型模具及橡胶密封垫模具的精度要求较高。二是圆形角孔收料相对较均匀，异形角孔收料量设计时参考数值不足，要通过专业软件做好收料量计算。计算完成后，头块相同的系列可以配置一到两块矩形块进行模具验证。三是异形角孔因为头块结构变化及对薄板成型时收料量的考虑，设计时应力集中现象较为明显，应将应力集中区放入角孔区域，待后期冲裁时将其去除，以保证最终成型的波纹薄板的应力均匀性。

图1 圆形角孔与异性角孔示意图

3 通过系统配套优化来改善板式换热器系统压降问题

工业生产中，板式换热器系统基本的工艺要求一开始就已经确定。这些工艺要求除确定了所用板式换热器的角孔间距、长宽高等物理结构尺寸外，还给出了流量、热负荷等工艺条件要求。按照这些工艺要求进行选型时，一般会有多个满足要求的规格型号，此时应该选择角孔纵向间距小、角孔与导流区汇合弧线较长的换热器。选型成熟时，可以直接根据压降数据选定换热器。选型时在结构尺寸与工艺要求之间，应优先保证工艺要求，必要时可以不保证结构尺寸，后期可以通过板式换热器结构性设计对进行角孔接管专用设计，以满足板式换热器系统最终结构尺寸要求。

采用多台板式换热器的系统，需要将板式换热器进行串联或是并联处理。在同一板式换热器系统中，串联与并联两种方式所产生的系统压降是不一样的。串联系统的总压降为每台板式换热器压降的和，而并联系统的总压降为每台板式换热器压降的和再加上其中最大单台板式换热器压降。常用参考计算公式如下：

串联系统：Pd 串联=Pd1+Pd2+......+Pdn；

并联系统：Pd 并联=Pd1+Pd2+......+Pdn+Pdmax(Pdmax>Pd1、Pd2、......、Pdi)。

不管是板式换热器成套机组还是其他系统，板式换热器在其中多采用并列摆放通过角孔冷热侧串联的方式，且选型时在满足换热要求的情况下，优先选择压降较小的系统，用以减少动态设备数量或是功率，节省整套系统的资金投入。

综合来说，可以通过配套优化来改善系统压降。根据上述公式可以看出，板式换热器系统总压降首要考虑单个换热器自身压降的影响，其次考虑排列组合方式。因为系统中板式换热器排列组合方式往往受管线成套系统或是安装空间的影响交到，自由排列的可能性较小，且现行板式换热器系统基本都有固定的串联式成套系统与其配套连接。所以依据给定的工艺参数进行板式换热器系统选型时，要首先考虑换热器本身压降性能，其次在满足工艺条件与成套系统的基础上，对多个换热器尽量采用串联的方式。