换热设备选型

当原油温度不能满足原油集输条件或处理工艺要求时，应对原油进行加热或者换热。因此油田上常用换热设备来给原油升温，以满足处理要求。常用的换热设备有螺旋板式换热器、管壳式换热器。（本文着重阐述板式换热器的有关内容）

油气集输规范上对于换热器有一些明确要求，换热器的形式应根据工艺条件选定，可选用管壳式换热器或套管式换热器，管壳式换热器宜选用浮头式换热器（输油管道站场中很多操作压力较高是都选用浮头式换热器）。当操作温度和操作压力均较低时，可选用螺旋板式换热器。

本文针板式换热器介绍以及设计选型和使用中应注意的问题做深入分析。

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，通过半片进行热量交换。它与常规的管壳式换热器相比，在相同的流动阻力和泵功率消耗情况下，其传热系数要高出很多，在适用的范围内有取代管壳式换热器的趋势。

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。在相同压力损失情况下，其传热系数比管式换热器高3－5倍，占地面积为管式换热器的三分之一，热回收率可高达90%以上。

1.1、传热的基本方式

传热，即热量的传递，是自然界中普遍存在的物理现象。凡是有温度差存在的物系之间，就会导致热量从高温处向低温处的传递的传热过程。

　　根据热量传递机理的不同，传热基本方式有三种，即热传导、对流和辐射。　　（1）热传导又称导热。是指热量从物体的高温部分向同一物体的低温部分、或者从一个高温物体向一个与它直接接触的低温物体传热的过程。
（2）对流传热是依靠流体的宏观位移，将热量由一处带到另一处的传递现象。在化工生产中的对流传热，往往是指流体与固体壁面直接接触时的热量传递。
（3）辐射传热又称为热辐射，是指因热的原因而产生的电磁波在空间的传递。物体将热能变为辐射能，以电磁波的形式在空中传播，当遇到另一物体时，又被全部或部分地吸收而变为热能。

作为换热设备，我们主要关心的热传导和对流传热。板式热交换器传热机理是根据热力学定律，“热量总是由高温物体自发地传向低温物体，两种流体存在温度差，就必然有热量进行传递”。两种存在温度差的流体在受迫对流传热过程中，由于热传递板表面采用瓦楞波结构优化设计，其热交换率达到92%，即使流体流速在雷诺准数值以下，流体在板片之间的运动亦呈三维运动，促使流体形成剧烈紊动，减少边界层热阻强化传热效率。

解决传热问题，都需要从总的传热速率方程出发，即：
　　　
式中：Q――冷流体吸收或热流体放出的热流量，W；
　　　K――传热系数，
　　　A――传热面积， ；

――平均传热温差，℃。

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。

板式换热器主要由框架和板片两大部分组成。板片由各种材料的制成的薄板用各种不同形式的磨具压成形状各异的波纹，并在板片的四个角上开有角孔，用于介质的流道。板片的周边及角孔处用橡胶垫片加以密封。

框架由固定压紧板、活动压紧板、上下导杆和夹紧螺栓等构成。板式换热器是将板片以叠加的形式装在固定压紧板、活动压紧板中间，然后用夹紧螺栓夹紧而成。可拆卸板式换热器是由许多冲压有波纹薄板按一定间隔，四周通过垫片密封，并用框架和压紧螺旋重叠压紧而成，板片和垫片的四个角孔形成了流体的分配管和汇集管，同时又合理地将冷热流体分开，使其分别在每块板片两侧的流道中流动，通过板片进行热交换。

图－1 板式换热器结构图

（1）板式换热器结构

1．固定压紧板
2．连接口
3．垫片
4．板片
5．活动压紧板
6．下导杆
7．上导杆
8．夹紧螺栓
9．支柱

（2）同向流――逆向流

由于传热两种介质的进出口的位置不同，介质的流动分成两种流动方式：同向流和逆向流。这两种方式的在实际应用中的差别比较大，其对数平均温差是不一样的。

（1）逆向流

（2）同向流

 

（3）单流程

（4）多流程

（5）对角流

（6）单边流

3.1板式换热器

由许多波纹形的传热板片，按一定的间隔，通过橡胶垫片压紧组成的可拆卸的换热设备。板片组装时，两组交替排列，板与板之间上装有密封垫片，将流体通道密封，其作用是防止流体泄漏并使两板之间形成狭窄的网形流道，换热板片压成各种波纹形，以增加换热板片面积和刚性，并能使流体在低流速成下形成湍流，以达到强化传热的效果。同时还大大降低了结垢,从而使设备的维护和清扫非常方便。板上的四个角孔，形成了流体的分配管和泄集管，两种换热介质分别流入各自流道，形成逆流或并流通过每个板片进行热量的交换。

金属板和活动压紧板悬挂在上导杆上并由下导杆定位，而杆端则固定在支撑柱上，但如果其中一种液体或两种液体在换热器内不止通过一次，则接口应开在固定板和活动压紧板上。

3.2浮头换热器

3.3板式换热器与浮头换热器的对比

1）由于板式换热器的传热面上可以压出凹凸形排液槽，在较低的雷诺数条件下既可出现紊流状态，故换热系数较高，一般可达3000～5000Kcal/m2.h.℃，与同样流速下的浮头换热器相比，此值约为浮头换热器的传热系数的3～5倍，虽然这时板式换热器的阻力会大一些，如在同样耗功的条件下相比，则板式换热器的放热系数比浮头式的高一倍左右。

2）由于板式换热器的结构紧凑、空隙小、因而单位体积的传热面积增大，其安装面积约为浮头式的1/2～1/3，可节省占地面积与施工费用，每一外壳容积为1m³时，其传热面积为80m²左右，浮头式换热器每一外壳容积为1m³时，其传热面积为70m²左右。另外，板式换热器容易增减换热面积，对于浮头式换热器在需要增加液体的处理量时 ，原有热交换器的传热面积不可能增加，但板式换热器的传热面积却很容易增加，从而增加处理能力，另外，板式换热器只有传热板的外壳板暴露在大气中，因此，散热损失可忽略不计，也不需保温措施。

3）板式换热器在运行维护方面的特点之一就是装拆比较方便，甚至可以不必完全拆开，仅把压紧螺栓松开就可抽出板片清洗、更换垫圈，以至更换板片。这对于换热介质容易产生沉积的物料就显得尤为重要。浮头式换热器其浮头不与外壳相连，可自由伸缩，既解决了热膨胀的问题，也方便清洗，检修时可将管芯抽出即可。

4）允许用的温度和压力方面：用于板式换热器靠每两板片之间的垫圈，来防止物料泄漏，因而它的密封周边的总长非常长，防止垫圈泄漏是板式换热器的一个重要环节，垫圈能承受的温度、压力和化学稳定性也常常成为板式换热器使用的温度和压力极限以及允许用的物料范围。另外 ，由于传热面之间的间隙小，传热面上有凹凸，因此比传统的光滑的压力损失大，另外，板式换热器所承受的工作压力较低。浮头换热器的管程可分为多程，能在较高的温度和压力条件下工作。

5）简言之，板式板式换热器的优点有：传热效率高、不易堵塞、结构紧凑、操作灵活、安装检修方便；缺点有：操作压力、温度不能太高、易渗漏、处理量小。浮头式换热器的优点有：可完全消除热应力，便于清洗和检修；缺点有：结构比较复杂、造价也高。

另外，在选择换热器时还要注意，浮头式换热器管程、壳程中流体的选择，应能满足提高总传热效率。

4.1板式换热器的特点（板式换热器与管壳式换热器的比较）

（1）传热系数高 由于不同的波纹板相互倒置，构成复杂的流道，使流体在波纹板间流道内呈旋转三维流动，能在较低的雷诺数（一般Re=50~200）下产生紊流，所以传热系数高，一般认为是管壳式的3~5倍。

（2）对数平均温差大，末端温差小 在管壳式换热器中，两种流体分别在管程和壳程内流动，总体上是错流流动，对数平均温差修正系数小，而板式换热器多是并流或逆流流动方式，其修正系数也通常在0.95左右，此外，冷、热流体在板式换热器内的流动平行于换热面、无旁流，因此使得板式换热器的末端温差小，对水换热可低于1℃，而管壳式换热器一般为5℃。

（3）占地面积小 板式换热器结构紧凑，单位体积内的换热面积为管壳式的2~5倍，也不像管壳式那样要预留抽出管束的检修场所，因此实现同样的换热量，板式换热器占地面积约为管壳式换热器的1/5~1/8。

（4）容易改变换热面积或流程组合，只要增加或减少几张板，即可达到增加或减少换热面积的目的；改变板片排列或更换几张板片，即可达到所要求的流程组合，适应新的换热工况，而管壳式换热器的传热面积几乎不可能增加。

（5）.重量轻 板式换热器的板片厚度仅为0.4~0.8mm，而管壳式换热器的换热管的厚度为2.0~2.5mm，管壳式的壳体比板式换热器的框架重得多，板式换热器一般只有管壳式重量的1/5左右。

（6）价格低 采用相同材料，在相同换热面积下，板式换热器价格比管壳式约低40%~60%。

（7）制作方便 板式换热器的传热板是采用冲压加工，标准化程度高，并可大批生产，管壳式换热器一般采用手工制作。

（8） 容易清洗 框架式板式换热器只要松动压紧螺栓，即可松开板束，卸下板片进行机械清洗，这对需要经常清洗设备的换热过程十分方便。

（9）热损失小 板式换热器只有传热板的外壳板暴露在大气中，因此散热损失可以忽略不计，也不需要保温措施。而管壳式换热器热损失大，需要隔热层。

（10）容量较小 是管壳式换热器的10%~20%。

（11）单位长度的压力损失大 由于传热面之间的间隙较小，传热面上有凹凸，因此比传统的光滑管的压力损失大。

（12）不易结垢 由于内部充分湍动，所以不易结垢，其结垢系数仅为管壳式换热器的1/3~1/10。

（13）工作压力不宜过大，介质温度不宜过高，有可能泄露 板式换热器采用密封垫密封，工作压力一般不宜超过2.5MPa，介质温度应在低于250℃以下，否则有可能泄露。

（14）易堵塞 由于板片间通道很窄，一般只有2~5mm，当换热介质含有较大颗粒或纤维物质时，容易堵塞板间通道。

4.2板式换热器选型时应注意的问题

（1）板型选择

板片型式或波纹式应根据换热场合的实际需要而定。对流量大允许压降小的情况，应选用阻力小的板型，反之选用阻力大的板型。根据流体压力和温度的情况，确定选择可拆卸式，还是钎焊式。确定板型时不宜选择单板面积太小的板片，以免板片数量过多，板间流速偏小，传热系数过低，对较大的换热器更应注意这个问题。

（2）流程和流道的选择

　流程指板式换热器内一种介质同一流动方向的一组并联流道，而流道指板式换热器内，相邻两板片组成的介质流动通道。一般情况下，将若干个流道按并联或串联的费那个是连接起来，以形成冷、热介质通道的不同组合。

流程组合形式应根据换热和流体阻力计算，在满足工艺条件要求下确定。尽量使冷、热水流道内的对流换热系数相等或接近，从而得到最佳的传热效果。因为在传热表面两侧对流换热系数相等或接近时传热系数获得较大值。虽然板式换热器各板间流速不等，但在换热和流体阻力计算时，仍以平均流速进行计算。由于“U”形单流程的接管都固定在压紧板上，拆装方便。

（3）压降校核

在板式换热器的设计选型使，一般对压降有一定的要求，所以应对其进行校核。如果校核压降超过允许压降，需重新进行设计选型计算，直到满足工艺要求为止。

4.3板式换热器的设计特点

（1）高效节能：其换热系数在3000～4500kcal/m2·°C·h，比管壳式换热器的热效率高3~5倍。

（2）结构紧凑：板式换热器板片紧密排列，与其他换热器类型相比，板式换热器的占地面积和占用空间较少，面积相同换热量的板式换热器仅为管壳式换热器的1/5。

（3）容易清洗拆装方便：板式换热器靠夹紧螺栓将夹固板板片夹紧，因此拆装方便，随时可以打开清洗，同时由于板面光洁，湍流程度高，不易结垢。

（4）使用寿命长：板式换热器采用不锈钢或钛合金板片压制，可耐各种腐蚀介质，胶垫可随意更换，并可方便在、拆装检修。

（5）适应性强：板式换热器板片为独立元件，可按要求随意增减流程，形式多样；可适用于各种不同的、工艺的要求。

（6）不串液，板式换热器密封槽设置泄液液道，各种介质不会串通，即使出现泄露，介质总是向外排出。

为某一工艺过程选型设计板式换热器时，要考虑其设计压力、设计温度、介质特性和经济性等因素。

（1）单板面积的选择

单板面积过小、则板片数目多，占地面积大，阻力降减少；反之，单板面积过大，则板片数目少，占地面积小，阻力降增大，但是难以保证适当的板间流速。因此，一般单板面积可按角孔流速为6m/s左右考虑。

（2）板间流速的选取

流体在板间的流速，影响换热性能和压力降。流速高，换热系数高，阻力降也增大；反之，则相反。一般取板间流速为0.2-0.8m/s，且尽量使两种流体板间速度一致。流速小于0.2m/s时，流体达不到揣流状态，且会形成较大的死角区；流速过高会导致阻力降剧增，气体板间流速一般不大于10m/s。

（3）流程的确定

两侧流体的流量大致一致时，应尽量按等程布置；当两侧流体的流量相差较大时，则流量小的一侧按多流程布置或采用不等截面通道的板式换热器。另外，当某一介质的温升或温降幅度较大时，也可采用多流程。有相变发生的一侧一般均为单流程，且接口方式为上进下出。在多程换热器中，一般对同一流体在各流程中应采用的流道数。换热器压降修正系数，单流程时取1.2～1.4，2～3流程取1.8～2.0，4～5流道取2.6～2.8。

（4）流向的选取

单相换热时，逆流具有最大的平均温差，一般在板式换热器的设计中要尽可能把流体布置为逆流。两侧流体为等流程时，为逆流；当两侧流体为不等流程时，顺流与逆流交替出现，平均温差要小于纯逆流时。

每个企业在编写自己产品选型样本或者产品说明书时，都有自己独特的方式。因此，用户在选型时，应详细阅读选型样本或说明书，在理解的基础上再加以选择，否则选择的型号有全焊接板式换热器可能达不到使用要求，或者所提的要求又太高，无形中提高了产品的造价。

对于油田上多采用的BR型板式换热器，具有换热效率高，物料流阻损失小，结构紧凑，温度控制灵敏、操作弹性大，装拆方便，使用寿命长等特点，是目前国内最先进的高效节能换热设备。

6.1常用的板片材料

奥氏体不锈钢：AISI 304,304L；AISI 316,316L,316Ti
哈氏合金：Hastelloy C-276,C-22
其他：254 SMO；钛TA1、钛钯合金

6.2常用的垫片材料

材料名称	耐温(℃)	适用介质
丁晴橡胶(NBR)	130-140	食品果汁,油,碱,甲醇,洗涤剂
丁基橡胶(RCB)	140	有机酸、无机酸、浓碱液
乙丙橡胶(EPDM)	150	酸、碱、酮溶液,醇类
维通(Viton)	180	浓酸、有机溶剂、酒精
硅橡胶	175	食品、油、脂肪、酒精
氟塑料	177	有机溶剂
氯丁橡胶	100	矿物油、润滑油
石棉(Caf)	250-260

1、选型计算方法

板式换热器的计算是一个比较复杂的过程，目前比较流行的方法是对数平均温差法和NTU法。目前，越来越多的厂家采用计算机计算，这样，板式换热器的工艺计算变得快捷、方便、准确。以下简要说明无相变时板式换热器的一般计算方法，该方法是以传热和压降准则关联式为基础的设计计算方法。

以下五个参数在板式换热器的选型计算中是必须的：

（1）总传热量

（2）进出口温度

（3）允许压力降

（4）最高工作温度

（5）最大工作压力