技术：板式换热器与管壳式换热器的对比分析

     本文我们将从结构形式、换热机理、性能特点等方面，对板式换热器和管壳式换热器进行了对比分析。

一、结构形式与换热肌理

   

1.1板式换热器      
板式换热器由一组波纹状金属片组成，相邻两片之间设有密封垫片，多个板片通过上下导向杆串联而成，并用压紧螺栓固定。两种工质在相邻的流道内呈逆流或错流方式流动换热[2]。板式换热器的主要构件如图1所示。

板式换热器的换热机理如下：

高温侧热流体沿板片纹路流动时，板片吸收热量导致自身温升，再通过板片将热量传递到低温侧冷流体。由于板片导热系数大，且流体呈强制对流换热，因此板式换热器的综合传热系数很高[3]。此外，板片表面的褶皱纹路形成湍流效应，进一步强化了传热，同时也带来了一定的压力损失。

1.2管壳式换热器     
管壳式换热器主要由管束、外壳体、管板、接管箱等部件组成。一种流体在管内流动，另一种流体在管外壳侧流动，通过管壁进行热交换[4]。根据管束在壳体中的布置方式，管壳式换热器可分为固定管板式、浮头式、U型管式等。

  管壳式换热器的换热机理是：

热流体在管内或壳程流动时，与管壁发生对流换热，管壁温度升高。管壁再通过热传导将热量传递给另一侧，最终与冷流体进行对流换热。为了提高壳程侧的传热系数，管壳式换热器通常在壳体内设置隔板或折流板，强制冷热流体多次掉头流动，延长了传热路程[5]。

二、 性能特点对比      

         

2.1传热系数    

板式换热器的传热系数通常在3000-8000W/(m2·K)，是管壳式换热器的3-5倍[6]。这主要得益于：
(1)板片导热系数高。不锈钢板导热系数可达45W/(m·K)，而铜管仅为375W/(m·K)。
(2)湍流强化传热。板片褶皱使流体雷诺数大幅提高，传热更充分。
(3)对向流换热。两种工质呈纯逆流，换热温差更大。
而管壳式换热器的管壁热阻和壳程死区减弱了传热效果，综合传热系数较低。

2.2压力损失   

板式换热器的压力损失一般为30-60kPa，大于管壳式[7]。这是因为：
(1)板片褶皱增大了流体湍动力损失。
(2)对流掉头时180°急转弯的局部阻力大。
(3)进出口管路直径小，摩擦阻力大。
相比之下，管壳式换热器管程阻力一般只有10-30kPa，壳程阻力更小，整体压损较低。

2.3抗压能力   

管壳式换热器采用圆筒形壳体，抗压强度高，最高工作压力可达30MPa。而板式换热器依靠螺栓压紧，抗压能力较弱，一般低于3MPa[8]。因此在高压环境下，管壳式换热器更具优势。

2.4清洗维护   

板式换热器可通过松开压紧螺栓拆开，每个流道都能充分清洗，非常方便。管壳式换热器内部一般无法拆洗，只能用高压水或化学试剂冲洗，难以彻底清除水垢和污垢[9]。但管壳式换热器接管配有人孔，检修相对容易。

三、优缺点和适用场合      

         

3.1板式换热器

（1）传热系数高

由于不同的波纹板是反向的，形成复杂的通道，使波纹板之间的流体在三维旋转流中流动，在较低雷诺数（一般Re=50-200）下可产生湍流，因此传热系数较高，一般考虑红色为管壳式的3-5倍。

（2）对数平均温差大，末端温差小

在管壳式换热器中，管程和管程分别有两种流体流动。一般来说，它们是横流的，且对数平均温差修正系数很小。大多数板式换热器都是平行或逆流流动，修正系数一般在0.95左右。此外，板式换热器中的冷热流体流动与换热器中的冷热流体流动是平行的。

热表面和无旁路使板式换热器端部温差小，对水的传热可小于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，单位体积传热面积是管壳式换热器的2-5倍。与管壳式换热器不同的是，它不需要为管束的抽取预留维修位置。因此，为了达到相同的传热能力，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

只要增加或减少几个板，就可以达到增加或减少传热面积的目的。通过改变板型布置或更换多个板型，可以实现所需的工艺组合，使管壳式换热器的换热面积适应新的换热条件。增加管壳式换热器的换热面积几乎是不可能的。

夹套换热器

（5）重量轻

板式换热器的板厚仅为0.4-0.8 mm，壳管式换热器的管厚为2.0-2.5 mm。管壳式换热器比板式换热器框架重得多。板式换热器一般只占管壳重量的1/5左右。

（6）价格低

板式换热器材料相同，换热面积相同，价格比管壳式换热器低40%~60%。

（7）制作方便

板式换热器的传热板经过冲压加工，具有很高的标准化程度，可大批量生产。管壳式换热器通常是手工制造的。

（8）容易清洗

框架板式换热器只要松开压力螺栓，就可以松开板式换热器管束，拆下板式换热器进行机械清洗。这对于需要经常清洗的设备的换热过程非常方便。

（9）热损失小

在板式换热器中，只有换热板的壳板暴露在大气中，热损失可以忽略不计，不需要采取保温措施。

 

  3.2管壳式换热器    

（1）高效节能，该换热器传热系数为6000-8000W/(m ² ·k)。

（2）全不锈钢生产，使用寿命长，可达20年。

（3）将层流改为湍流，提高了传热效率，降低了热阻。

（4）传热快，耐高温（400摄氏度），耐高压（2.5兆帕）。

（5）结构紧凑，占地面积小，重量轻，安装方便，节省土建投资。

（6）设计灵活，规格齐全，实用性强，节约资金。

（7）它具有广泛的应用条件，适用于各种介质的压力、温度范围和热交换。

（8）维护成本低，操作简单，清洗周期长，清洗方便。

（9）采用纳米热膜技术，可显著提高传热系数。

（10）广泛应用于热电、工矿、石油化工、城市集中供热、食品医药、能源电子、机械轻工业等领域。

（11）在传热管外表面轧制有散热片的铜管，导热系数高，传热面积大。

（12）导板引导壳程流体在热交换器中的断线中连续流动。导板之间的距离可以根据最佳流量进行调整。结构坚固，能满足大流量甚至超大流量、高脉动频率的壳程流体的传热。

（13）壳程流体为油时，适用于低粘度、清洁的导热油。

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