板式换热器在船舶轮机中的应用

　　浙江海洋学院学报！自然科学版"板式换热器在船舶轮机中的应用马瑶珠％，金跃波2 1.浙江国际海运职业技术学院，浙江舟山316021；2.宁波大学海运学院，浙江宁波315211+热交换器是船舶轮机中广泛应用的不可缺少的重要设备之一。诸如：主副机滑油冷却器、气缸套淡水冷却器、燃油加热器、蒸汽凝水器、给水加热器等。常用的形式有管壳式、板式、热管式和转轮式。其中板式换热器是针对传统换热器热交换效率低、设备体积大而笨重的缺点，而开发出的较为新型的一种热交换器，目前已在船舶轮机中得到应用，但还不十分普遍。笔者就板式换热器的工作原理、结构特点、设计计算以及管理中的有关问题作一些讨论，而这些对管理好换热器至关重要。

　　1板式热交换器构造及特点U工作原理及构造型式板式热交换器一般由许多片通道板、一片盲板、一片端板和端封及通道密封组成。盲板和端板位于换热器的两端，通道板全部位于中间，密封分别夹在通道板及端板之间，使之形成了许多隔开的容腔，通道板的四个角开有圆孔。允许加热介质和被加热介质在此流过，一种介质只能流到隔一个容腔中，而不会流到相邻的容腔中，使加热介质和被加热介质充分接触，达到换热目的。传热部分的人字形波纹（或其它形状波纹）交成网状，并形成众多触点。板间流道断面几何形状复杂；介质经过时，流动方向和流动速度不断变化，流速很低时亦可产生湍流，强化了传热，因此可以获得较高的传热系数。

　　⑴板翅式换热器。它由隔板、翅片和封条组成的多层基本换热元件叠加而成，常做成逆流式或叉流式。不同的场合可以采用不同的翅片型式。板翅式换热器高效紧凑，轻巧牢固，强制对流气一气换热时传热系数可达350W/（m2.K），而管式换热器约为35W/（m2.K）；1m3体积的换热面积一般可达2 500m2；承压能力可达9.8MPa.其缺点是容易堵塞，检修不易，因此适用于清洁和腐蚀性低的流体换热。

　　2）平行板式换热器。它由一组几何结构相同的平行薄平板叠加而成，平板角上开有流体通道孔，相邻平板之间用特殊设计的密封垫片隔开，形成一个通道，冷、热流体间隔地在每个通道中流过。为强化换热并增加板片的刚度，常在平板上压制出各种波纹。强制对流水一水换热时传热系数可达7 000W/（mK），lm3体积的换热面积一般可达40~150m2，且拆装清洗方便。其缺点是密封垫片损坏时易泄漏，流道狭窄，不适于大流量传热，不耐高温，一般只适用于150 "以下的流体。

　　（3）螺旋板式换热器。它由2张金属薄板卷成的等距离螺旋通道、上下盖板和连接管等构成。一种流体从中心流入，螺旋流动至周边流出，另一种流体则从周边流入，螺旋流动至中心流出，故为逆流式。螺旋板式换热器流道中污垢的形成速度仅为壳管式的110，1m3体积的换热面积为壳管式的3倍，且制造方便。其缺点是清洗与检修困难，承压能力低，一般适用于压力0.98MPa以下。

　　1.2主要组成板式热交换器由板片、垫片、固定夹紧板、活动压紧板、夹紧螺栓和上下导杆及立柱等组成。

　　1.2.1板片板片为热交换器中重要的部件，由金属板压制而成，厚度通常为0.5lmm，常用的材料为SUS304，316L等不锈钢板。一般国内厂家大部分采用1Crl8Ni9Ti、019Ni9等。板片通常压制成各种波纹形状，常用的波纹沟糟分4类：密封槽：位于板片周边及角孔周围，组装时橡胶片镶嵌于此槽中。

　　传热部分波纹槽：平面呈人字型，断面呈波纹状，位于密封槽的范围内，该部分波纹槽使板片之间保持一定距离以便形成介质通道。

　　导向沟槽：位于角孔处两道密封槽之间，起介质导向作用。

　　辅助沟槽：位于密封槽边缘部分，主要作用是提高板片刚性。

　　波纹的作用一是提高热传递的速率，二是增强薄金属板的刚性，在整个板间形成足够的触点，以使换热器能够承受冷热道间较大的压差。目前国内生产厂家的单片换热面积为0.052.2m2. 1.2.2垫片在换热器设计中，为防止2种介质互相混合，在板片角孔周围设置了2道密封，中间设有信号孔，当介质泄漏时，只会泄漏到外面空间，很容易被发现，不会在设备内造成2种介质的混合。目前生产的垫片有5大类16个品级的有机橡胶品种，常用的材料有：丁晴橡胶（NBR）！125"；三元乙丙橡胶（EPDM）！150"；压缩石棉纤维！250".有的板式换热器采用了先进的培扣式垫片，在板上安装时不需用粘结剂，使替换垫片的操作变得十分方便。

　　1.2.3框架目前生产的板式换热器有标准型、加强型等多种框架结构类型，标准型框架材料通常使用的是碳素钢，外涂防锈漆。

　　1.3特点1.3.1传热效率高因其板片压制成波纹形状，流体在板片之间不断地改变流动方向和速度，形成剧烈的湍动，同时由于采用了很薄（0.51mm）的板片，大大提高了热交换能力，在相同工况条件下，其传热系数约在20006000 1.3.2结构紧凑、体积小、占地小由于结构紧凑，占地面积明显小于同样传热面积的管壳式热交换器（约/5110）。每m3的空间内可布置250m3的传热面积，这是一般老式热交换器无法达到的。

　　1.3.3滞液量小即使是传热面积较大的板式热交换器其重量也相应比较轻。其滞液量仅为列管式的3D以下。因此，板式换热器启动迅速，变工况调节时反应快。U1.U.TT 1.3.4适用性强组装炅活，板式热交换器对变负荷的适应能力很强，对需要增加或减少热负荷的情况，只需增加或减少板片的数量或改变板片的组合形式，即可适应热负荷的变动。应用范围很广。其介质从蒸汽、水到高粘度的液体；从含小直径固体颗粒的流体到含纤维的悬浮液体均可使用。介质温度在-25200 都可适用，对于需要严格控制温度和热敏性大的液体尤为适宜。可适用于加热、冷却、冷凝、蒸发、混合及连续反应等多种工艺过程。由于其结构特点，还可以利用其垫片开口位置的不同，改变2种介质间不同流程的组合，满足各种不同工艺的需要。

　　1.3.5热回收率高由于板式热交换器具有较高的传热系数，流程能够组成100的逆流热交换，能充分利用2种介质的温差，因此板式热交换器可以达到95的热回收率，而列管式热交换器不超过50.热损失小。仅换热板件外缘处于大气中，热损失可以忽略，故亦无需绝热处理。

　　1.3.6不易结垢由于板片波纹的特殊形状，具有良好的流体流动分布性，几乎不存在死区或低流速区，表面光滑，不会腐蚀，液体在较低的流速下就发生湍流，使得粒子处于悬浮状态，不易产生积垢，其污垢系数约为管壳式对软水、蒸汽而言）的110.可芫全清洗。因其是板片叠加而成的，故可以芫全拆开，污垢能全部清除。

　　1.3.7投资费用低、使用可靠、寿命长由于结构紧凑、重量轻、传热效率高，单位传热面积金属耗量低，换热板件模压而成，适合于大批量生产。减少了建造费用。传热元件为冲压成形的板片，无焊点，因而故障率低，使用可靠。由于板片采用优质的不锈钢制成，表面再经转化膜处理，可耐受各种介质，尤其是水中氯离子的腐蚀作用。寿命可达到列管式热交换器的23倍。

　　1.3.8板式热交换器由于其结构的限制，承压、耐温不能太高；2板式热交换器的设计选用2.1选用计算基本步骤：求热流量！求冷、热介质出口温度！求冷、热流体流量！求对数传热平均温差！设定冷、热介质流速！确定总传热系数！计算传热面积！求板片数！求流道数！修正传热面积！计算冷、热介质实际流速！计算实际总传热系数！计算实际热流量！计算冷、热介质压力降。

　　根据以上计算结果，当选用不合适时应重新进行选用，直至满足要求为止。

　　2.2选用计算基本公式：原始条件：加热介质和被加热介质的名称、参数（压力、温度）、流量、密度。

　　确定已知的工艺条件，同时确定冷（C进1、出2）热（h进1、出2）介质物性参数。

　　即：在换热系统中，一般选接管流速3.5m/<设备参数：单片有效换热面积s、单板平均通道截面积/、装上机平均板间距。、平均当量直径/、努塞尔拟定板间流速初值，计算雷诺数，计算努塞尔数，计算放热系数！！="计算传热系数=1一计算理论换热面积*+=计算换热器程数、计算实际换热面积*=（2压力损失计算、欧拉数：￡！=压力损失：=3！！1！0xl4根据计算结果选用具体型式的板式热交换器。

　　2.2系统设计及板式热交换器的流道与接管形式具有纯角的人字形板片（称为A片）组成的流道，流体的湍动程度高，换热效率也高；而具有锐角的人字形板片（称为B片）组成的流道，换热效率低，但压力损失小，可以允许流体有较高的流速。利用A、B2种板片交替排列，可以组合成3种不同特性的流道。（分别称为H、M、L流道），在实际应用中，只需将其中两种流道按一定比例进行混合组装（如H+M或M+L），就可以得到所需要的符合热负荷和压力降要求的流道，从而达到换热器的投资费用和运行费用小的目的。

　　在板式热交换器中，利用部分板片的角孔部位制成盲孔改变流体流动的方向，从而形成串联和并联的流程组合，达到单流程、多流程和混合流程等多种形式流道，从而满足不同介质、不同工艺过程的需要。

　　热流体一般采用高进、低出的形式，而冷流体多采用低进高出的形式，热、冷流体从板片宽度方向看进出方式采用对角线的交叉形式较好。

　　3板式热交换器的运行管理和维护保养3.1运行管理热交换器入口与冷、热介质管道连接前，应将两入口管路吹扫干净，以免焊渣、泥污进入设备损伤板片或堵塞通道。被加热介质终温不能超过垫片的承受温度。

　　开启时，进入热交换器的冷、热介质的出入口，阀门应同时打开，或先缓缓开启低压侧流体，再开高压侧流体，以免一侧超压。关闭时，应首先关闭压力较高的介质管线，防止一侧压力过高，损坏通道板。

　　拆开换热器之前，应在通道板一侧做好标记，防止回装时装错顺序；测量通道板压紧尺寸，以便回装时达到该尺寸，避免不必要的泄漏；在松开紧固螺栓时，每个螺母每次只能松2圈，锁紧时也是如此；安装密封圈时，应注意它们的方向为一正一反，并注意通道密封和端封的区别。

　　清理通道板时，对不同的污垢要采用不同的清洗方法。对于表面附着物，可用高压水清洗；对于粘在板上的污垢，一般可用毛刷清洗；对于细菌类微生物，可用碱性溶液清洗；对于钙类结垢物需用稀酸溶液清洗。水垢的主要成分为钙、镁等金属酸盐结构的硬垢，其质地坚硬，结合紧密，依附力强，主要采用酸性清洗剂。

　　安装芫要达到拆卸前的测量尺寸。按给定的扭矩，拧紧螺母。检查密封的侧面图案，应对称不间断。

　　后打开阀门检查是否泄漏。管路系统中应设高点放气阀，以免残余空气降低传热效果。

　　3.2故障处理如果有泄漏出现，应更换密封；如果更换后还有泄漏出现，检查泄漏点处的通道板是否变形，密封沟槽中是否有异物，密封是否安放正确，压紧后的尺寸是否达到要求；如果达到尺寸还有泄漏，可允许再压紧一点，但不应超过规定的扭拒。

　　如果发现有通道板损坏，可以拆下，但应注意要拆下相邻的2块通道板，不能只拆1（下转第174页）818型、803型渔船改进前和改进后的尾部简图把原配的减速比3：1的Z300齿轮箱改为D300A大减速齿轮箱，减速比选4.5：1采用Ka4-55+19A型导管螺旋桨，通过多种方案比较，确定螺旋桨直径为1.6m.降低轴线中心高度，增加船的尾框尺寸，既满足大直径导管桨的安装要求，又能提高桨的推进效率。

　　为818型、803型渔船改进前和改进后的尾部简图。

　　这些拖网渔船在进行了上述改进后，其拖网性能将明显改善，以818型224kW的渔船为例，其系柱拖力从原来的29.42kN提高到52.96kN（计算值），拖网速度在同样的网具下可以从原来的2.8kn增加到3.8kn以上，原来主机在拖网工况下一般多只能开到800r/min，改进后可以达到980r/min以上，由此可见主机功率得到充分的发挥，而自由航速不会明显下降，比原来下降约0.3kn左右。