武汉全热交换器(暖通丨工程丨板式换热器知识（一）)

Posted 2023-05-30

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武汉全热交换器(暖通丨工程丨板式换热器知识（一）)

板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。各种板片之间形成薄矩形通道，通过板片进行热量交换。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、应用广泛、使用寿命长等特点。

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板式换热器基本结构及运行原理

板式换热器的型式主要有框架式（可拆卸式）和钎焊式两大类，板片形式主要有人字形波纹板、水平平直波纹板和瘤形板片三种。
钎焊换热器结构

主要结构
⒈板式换热器板片和板式换热器密封垫片
⒉固定压紧板
⒊活动压紧板
⒋夹紧螺栓
⒌上导杆
⒍下导杆
⒎后立柱

由一组板片叠放成具有通道型式的板片包。两端分别配置带有接管的端底板。

整机由真空钎焊而成。相邻的通道分别流动两种介质。相邻通道之间的板片压制成波纹。型式，以强化两种介质的热交换。在制冷用钎焊式板式换热器中，水流道总是比制冷剂流道多一个。

图示为单边流，有些换热器做成对角流，即：Q1和Q3容纳一种介质，而Q2和Q4容纳另一种介质。

所有都是螺杆和螺栓结构，便于现场拆卸和修复。
运行原理
板式换热器是由带一定波纹形状的金属板片叠装而成的新型高效换热器,构造包括垫片、压紧板（活动端板、固定端板）和框架（上、下导杆，前支柱）组成，板片之间由密封垫片进行密封并导流,分隔出冷/热两个流体通道,冷/热换热介质分别在各自通道流过,与相隔的板片进行热量交换，以达到用户所需温度。

每块板片四角都有开孔，组装成板束后形成流体的分配管和汇集管，冷/热介质热量交换后，从各自的汇集管回流后循环利用。

换热原理：间壁式传热。
单流程结构：只有2块板片不传热－头尾板。

双流程结构：每一个流程有3块板片不传热。

板片和流道
通常有二种波纹的板片 (L 小角度和 H大角度)，这样就有三种不同的流道(L, M 和 H)，如下所示：

L：小角度
由相邻小夹角的板片组成的通道。传热系数低，阻力小。适用于大流量，传热弱（低比热或温差小）的情况，如：环境压力下的空气传热。H：大角度
由相邻大夹角的板片组成的通道。传热系数高，阻力大。适用于小流量但传热强（高比热，有相变或大温差）的情况，如：制冷剂相变传热。M：通道
由相邻大/小夹角的板片组成的通道。传热系数和阻力介于H和L通道之间。L+L = 小角度流道
L+H = 混合流道
H+H=大角度流道
在这三种流道中选择，并根据特殊的工况定身量做和选型。
理论上，一台换热器可以混用不同类型的流道，如H型之后是M型。
但对于有相变的情况，这会导致第一个H流道和最后一个M流道之间介质的分配失调，因此，在各类制冷用BPHE中不予采用。

板片波纹的主要作用：使得流体紊流，强化传热相邻板片的波纹形成接触抗点，提高耐压性能。

注：巧克力分布去：使流体均匀流过整个板片，在 A 和B处的压力降相同，使在这里的压力损失最小，把压力降用于有效的传热，允许平行流AlfaLaval 创造发明创造，现已被广泛应用。如下图。

平行流与对角流：

平行流的优势：一块板片 & 一条密封垫，同一的板片在板片组里，旋转180º可以用于二边通道备件损耗小。完全满足对角流所有的功能，较高的设计压力或使用较薄的板片没有交叉出管口。

关于板片材质

不锈钢：指耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学浸蚀性介质的钢，又称不锈耐酸钢。实际应用中，常将耐弱腐蚀介质的钢称为不锈钢，而将耐化学介质的钢称为耐酸钢。两者在化学成分上存在一定差异，前者不一定耐化学介质腐蚀，而后者则一般均具有不锈性。不锈钢的耐蚀性取决于钢中所含的合金元素。

耐腐蚀机理：铬是不锈钢获得耐蚀性的基本元素，当钢中含铬量达到12％左右时，铬就与腐蚀介质中的氧作用，在钢表面形成一层很薄的氧化膜（自钝化膜Cr2O3），极难溶于水，可进一步阻止氧与铁腐蚀。同理，破坏钝化膜Cr2O3 就意味着破坏其抗氧腐蚀能力。

另外腐蚀介质中的卤族元素（像水中常见的氯离子）在一定条件下也能替换掉Cr，所以不锈钢在一定条件下也会生锈，在含酸、碱、盐的介质中也会被腐蚀,。因此不锈钢抗腐蚀能力的大小是随其钢质本身化学组成、加互状态, 使用条件及环境介质类型而改变的。不锈钢在水中腐蚀主要是由于水中氯离子引起的。

不锈钢中其余添加元素也均发挥不同作用。像Mo会在一定程度上抵消氯离子引起的腐蚀，但是也有一个适用范围。

常用不锈钢：304，316属于奥氏体不锈钢，其牌号为国外叫法的简写（一般均为进口），为300系列。美国牌号是美国钢铁协

会AISI标准，日本是日本工业协会标准SUS。中国主要用成分表示，见下表。

304、304L、316、316L的成分区别。L的含义是Low,表示更低含量的碳。带L的焊接性能好，数字一样的话，成分除碳以外其余成分无大区别。又由于316与316L价格差别不大，故直接选用316L。从成分表中可以看出304与316最大区别为Mo（钼）含量不同，所以316抗氯离子浓度能力要比304强。也是我们选用304还是316的主要依据。两种材质在耐受的氯离子浓度见下页表格，板材的补充说明：
不锈钢在含氯介质中的使用范围（mg/L）（在水介质中与ppm百万分之一等同）
板片材料/温度
25℃
50℃
75℃
100℃
120℃
304/304L
100
75
40
20
10
316/316L
400
180
120
50
25
氯离子浓度超出的话，选用钛（Ti）或其它金属。如海水用钛（Ti）

板片常用材料的特点和使用条件补充
评价材料耐蚀性好坏的指标是“耐局部腐蚀当量PRE”值越大则耐腐蚀性越好。主要是Cr、MO、Ni的含量决定。

1）304不锈钢：使用于有机和无机介质中，浓度＜30% 温度＜＝100/浓度﹥30% 温度﹤50的硝酸温度﹤100的各种浓度的碳酸、氨水和醇类。304L的材料基本和304材料一样，可焊接性更好，可以用作焊接式换热器。

2）316L天然冷却水、冷却塔水、软化水、碳酸，浓度小于50%的醋酸和苛性钠溶液，醇类和丙酮等溶剂，温度小于100度的稀硝酸（﹤20%）稀磷酸（﹤30%），但不适于硫酸。316和它基本一样。

3）317适合比316L使用条件更多的情况。

4）AISI904L和SUS890L 性价比高，比以上材料都要好。特别适合一般的硫酸，磷酸和卤化物。

5）SMO 254高级不锈钢，提高了MO 含量，是对316进行改良的超级不锈钢。具有优良的耐氯化物和缝隙腐蚀的性能。适用于含盐水，无机酸。

6）SMO654比254更好的材料，可用于冷的海水。

7）RS-2（0Cr20Ni26Mo3Cu3Si2Nb）不锈钢，这是国产的相当于316，耐应力腐蚀更好，可用于80度以上的浓硫酸。（浓度90%---98%）

备注：具体可见下表：

关于板式换热器垫片
垫片作为换热器板片间的密封元件，是为了防止板片泄漏的。垫片的质量好坏直观地影响换热器的质量和形象。在暖通行业，垫片主要为橡胶制品，受温度、介质影响大，因此在制作过程中受配方、组分的均匀度、硫化定型的条件影响很大。

对垫片的要求：（以下建议不针对任何品牌及不持立场）
1、配方科学，必须具有抗老化、抗撕裂、高回弹的特性（降低弹性引起的反作用力，板片不易变形）。
2、密封接触面尺寸精确，报警信号孔灵敏。
3、免粘接结构，拆装方便。
垫片的品牌：国内用户认可的胶条生产厂家：如
1、国内品牌：武汉派克（北京市场很认）、西安联谊、江苏启东等。
2、国外品牌：美国杜邦等。

垫片的定位形式：
1、粘合式垫片
2、免粘接垫片：挂式、卡式

垫片的选型：
1、介质的温度，见下表：
2、介质的腐蚀性

板式换热器在暖通空调领域的应用

区域供热系统

热电联产系统

地热水供暖系统

即热式生活热水系统

即热式特点
可保证用户随时随地均有热水供应，系统紧凑，无需储罐，需要较大的锅炉容量需要较大的热交换器。
半即热式生活热水系统

半即热式特点
需要较小的锅炉容量，需要较小的热交换器，储罐内易生长细菌，需要额外的地方安放储罐。
游泳池恒温保持系统

太阳能热水系统

供冷空调系统

冷凝器侧应用：
1 冷却塔水冷却凝结水
2 海水、河水或井水冷却凝结水
3 乙二醇冷却凝结水
4 短路冷冻机组系统
5 地下水冷/热源系统
6 热回收系统

冷凝水侧热交换器可以起到以下作用：
保护冷凝器免受污染、结垢和腐蚀
代替冷凝器承受冷却水侧压力
能够在季节许可时不运行冷冻机组
能够实现热回收
节省昂贵的添加剂

冷却塔水冷却凝结水

海水、河水、或井水冷却凝结水

乙二醇冷却凝结水

短路冷冻机组系统

地下水冷/热源系统

热回收系统

蒸发侧的应用：
1 压力接力系统
2 分离冷却循环水 (无压力接力功能)
3 蓄冰系统
4 区域供冷系统
5 天花板供冷系统

蒸发器侧热交换器可以起到以下作用：
避免冷冻机组承受高压(压力接力系统)
减少昂贵、低效添加剂的用量
分离冷却水系统，以保证局部系统清洁度很高(电子元件生产)
减少泄漏所带来的损害

压力接力系统

分离冷却循环水系统

蓄冰系统

蓄冰系统设计基本要素：
设定空调要求
运行方案
全蓄冰系统
部分蓄冰系统
冷冻机组为主系统
蓄冰为主系统

区域供冷系统

天花板供冷系统

空调系统其它应用方案

1 夏、冬季供冷、热转换

2 冷冻水预冷却系统

板式换热器在供冷空调系统中的优势
1. 传热系数高,对数温差可作到0.5度。
2. 体积小,重量轻,便于安装,可放置于设备层。
3. 易于拆卸,方便清理内部污垢。
4. 结构坚固,可承受较高工作压力,最高 3.0MPa。
5. 换热效率高,降低运行成本。
6. 固定投资低。

板式换热机组基本原理

流经用户散热片后的低温水（二次回水）经过滤器除污后，由循环泵加压进入换热器，吸收一次热媒放出的热量，达到供水设定温度后，再流向供热管网对用户进行供热；

热源经一次热网（一次水）流经过滤器、调节阀、进入换热器放热后（二次水），由热媒回水管返回热源（二次回水）被加热后再次参与循环换热；

补水泵根据系统运行情况适时对二次循环水系统进行定压补水。