什麼是板式熱交換器？

板式熱交換器（簡稱：板熱）是一種利用金屬板在兩種流體之間傳遞熱量的熱交換器。相較於傳統的熱交換器，板式熱交換器具有一個重大優勢，即流體暴露於更大的表面積，因為流體被分散在板上。這有助於熱量的傳遞，極大地加快了溫度變化的速度。板式熱交換器如今已經普遍應用，非常小的銲接版本被用於數百萬臺組合式鍋爐的熱水部分。如此小的物理尺寸卻具有極高的熱傳遞效率，提高了組合式鍋爐的家用熱水流量。小型板式熱交換器對家庭供暖和熱水產生了重大影響。而較大的商業版本則在板之間使用墊片，而較小的版本則傾向於銲接。

熱交換器的概念是通過管道或其他容器來加熱或冷卻一種流體，通過在它與另一種流體之間轉移熱量。在大多數情況下，熱交換器由一根包含一種流體的捲曲管道和一個包含另一種流體的腔室組成。管道的壁通常由金屬或具有高熱傳導性的其他物質製成，以促進熱量交換，而較大腔室的外殼則由塑料或覆蓋有保溫材料，以阻止熱量逸出。

世界上第一個商業上可行的板式熱交換器（PHE）是由Richard Seligman博士於1923年發明的，徹底改變了間接加熱和冷卻流體的方法。Richard Seligman博士於1910年創辦了APV公司，最初是一家專門為釀造和植物油行業提供焊接容器的製造公司。同時，它為如今在世界各地廣泛使用的計算機設計的薄金屬板熱交換器設定了標準。

根據其結構和連接方式進行分類的兩種不同類型的板式熱交換器。

組合式板式熱交換器：這種類型的熱交換器結合了密封板式熱交換器和焊接板式熱交換器的特點。在組合式板式熱交換器中，一部分板片通過密封墊片連接，形成密封的通道，適用於中低壓和溫度條件。而另一部分板片則通過硬焊方式連接，形成更堅固的通道，適用於高壓和溫度條件。這種組合可以在同一熱交換器中實現不同區域的不同工作條件。

硬焊式板式熱交換器：這種類型的熱交換器所有金屬板都被焊接在一起，形成密封的通道。硬焊式板式熱交換器適用於極端的高壓和高溫條件，具有更高的耐受性和耐久性。

板式熱交換器的設計

板式熱交換器（PHE）是一種專用設計，非常適合在中低壓流體之間傳遞熱量。銲接、半銲接和鑄造熱交換器用於高壓流體之間的熱交換，或需要更緊湊產品的場合。板式熱交換器的結構不同於通過管道通過腔室，而是有兩個交替的腔室，通常很薄，它們的最大表面由波紋金屬板隔開。板式熱交換器中的金屬板通常是一次性壓制獲得的。由於不銹鋼具有耐高溫、強度和耐腐蝕性，所以常常用於金屬板。

金屬板通常通過橡膠密封墊片間隔，這些密封墊片被黏合到板的邊緣周圍的一個部分。板式熱交換器的設計使得液體流經通道時，板壓制成與液體流動方向呈直角的槽。這些槽排列成使它們與其他板互連的形式，形成通道，板之間的間隙為1.3-1.5毫米。這些板在堅固的框架中壓縮在一起，形成交替熱和冷流體的平行流通道。這些板產生了極大的表面積，使得熱量的傳遞速度極快。確保每個腔室變薄確保了大部分液體的體積與板接觸，進一步促進了熱交換。槽還在液體中產生並保持湍流，以最大化熱量的轉移。在低流速和高傳熱系數的情況下可以獲得高度的湍流。

與管殼式熱交換器相比，板式熱交換器的溫度接近（冷流體和熱流體溫度之間的最小差異）可以低至1°C，而管殼式熱交換器則需要5°C或更多的接近溫度。在相同的熱交換量下，板式熱交換器的尺寸較小，因為金屬板提供了大的熱傳遞面積（熱量可以通過的大面積）。增加或減少熱交換面積在板式熱交換器中是簡單的，只需添加或從堆疊中取出板。

評估板式熱交換器

所有的板式熱交換器在外觀上看起來都很相似。不同之處在於板的設計和密封技術的細節。因此，在評估板式熱交換器時，不僅要探索所提供產品的細節，還要分析製造商進行的研發水平以及售後服務和零部件的可用性。

評估熱交換器時需要考慮的一個重要因素是熱交換器內部波紋的形式。有兩種類型：交錯波紋和燕尾波紋。通常情況下，對於給定的壓力降增加，燕尾波紋可以產生更大的熱傳遞增強，因此比交錯波紋更常用。有很多不同的修改方法可以提高熱交換器的效率，但很難保證它們是否受商業模擬器的支持。此外，有些專有數據永遠不會從熱傳增強製造商那裡公開。然而，這並不意味著工程師不能完成對新技術的預測測量。以下提供了幾種不同形式的熱交換器改進的上下文信息。與使用傳統熱交換器相比，成本效益熱交換器的主要目標必須始終得到實現。還需要考慮污垢容量、可靠性和安全性等因素。

首先是定期清潔。定期清潔（現場清潔）是排除所有隨時間減少熱交換器效率的廢物和污垢的最有效方法。此方法需要將PHE（板式熱交換器）的兩側排放，然後與系統中的流體進行隔離。從兩側進行沖洗，直到水變得完全清澈。為了獲得最佳效果，應該在相反的方向進行沖洗。完成后，可以使用圓形泵和溶液罐通過傳遞清潔劑來確保該劑與PHE（板式熱交換器）的墊片和板相容，直到排放流明清澈為止，再用水沖洗系統。

板式熱交換器的最佳化

要實現PHE的改進，必須考慮兩個重要因素，即熱量傳遞量和壓力降，熱量傳遞量需要增加，壓力降需要減小。在板式熱交換器中，由於存在波紋金屬板，流動會產生顯著的阻力和高摩擦損失。因此，設計板式熱交換器時，應該同時考慮這兩個因素。

對於不同範圍的雷諾數，板式熱交換器存在許多相關性和燕尾角度。金屬板的幾何形狀是板式熱交換器中熱傳和壓力降的最重要因素之一，但這種特徵並未得到準確的規定。在波紋金屬板熱交換器中，由於板之間的通道很窄，所以具有大的壓力容量，流動在通道中變得湍流。因此，它需要比其他類型的熱交換器更多的泵動能量。因此，目標是實現更高的熱傳和更小的壓力降。板式熱交換器的形狀對受壓降影響的工業應用非常重要。

流動分佈和熱傳方程

板式熱交換器的設計計算包括流動分佈、壓力降和熱傳。前者涉及流體分配在管道系統中的情況。板式熱交換器的佈局配置通常可以簡化為一個具有兩個將流體分隔和結合的管道系統，可以根據流動方向在管頭中的分佈進行分類，如U型和Z型排列，如管頭佈局所示。Bassiouny和Martin發展了之前的設計理論。近年來，王建宇（2008年《燃料電池堆並聯通道中的壓力降和流體分佈：U型排列》。《國際氫能》期刊）將所有主要的現有模型進行了統一，並開發了一個最完整的理論和設計工具。

通過冷熱流體之間的總熱傳速率可以表示為：Q = UA∆Tm，其中U是總熱傳導系數，A是總板面積，∆Tm是對數平均溫度差。U取決於熱流體中的熱傳導系數。

進行清潔可以避免結垢和垢垢，而不需要關閉熱交換器或中斷操作。為了避免熱交換器性能下降和管道延伸的使用壽命，可以使用在線清潔（OnC）作為獨立方法或與化學處理結合使用。循環球系統和刷子籃系統是OnC技術的一些例子。離線清潔（OfC）是另一種有效的清潔方法，可以有效地提高熱交換器的性能，減少運營費用。這種方法，也稱為氣動裝置，是一種像子彈一樣的形狀，可以插入每個管道中，並使用高氣壓將管道壓下。化學洗滌、高壓清洗和高壓噴水等方法也是OfC以外廣泛使用的方法。這兩種技術經常使用時，將恢復熱交換器到其最佳效率，直到結垢和垢垢開始慢慢滑落並對熱交換器的效率造成不良影響。

運營和維護成本對於熱交換器來說是必要的。但是有不同的方法可以降低成本。首先，可以通過減少結垢形成來降低成本，結垢形成會降低整體熱傳導系數。根據估算分析，結垢形成的影響將產生巨大的操作損失成本。總結垢成本包括資本成本、能源成本、維護成本和利潤損失成本。化學結垢抑制劑是一種結垢控制方法。例如，丙烯酸/羥基丙烯酸（AA/HPA）和丙烯酸/磺酸（AA/SA）共聚物可用於抑制鈣磷酸鹽的沉積。此外，通過將熱交換器垂直安裝，可以減少結垢的沉積，因為重力會將顆粒從熱傳導表面拉開。其次，使用飽和蒸汽而不是過熱蒸汽作為流體，可以降低運營成本。過熱蒸汽作為一種絕緣體和熱傳導不良，不適用於熱應用，如熱交換器。

總之，板式熱交換器是一種高效的熱傳遞設備，廣泛應用於多個領域。通過優化設計、流體分佈和熱傳方程，可以實現更高的熱傳效率和更小的壓力降。定期的清潔和保養將有助於保持熱交換器的性能，降低運營成本並延長使用壽命。針對特定應用，可以選擇不同的波紋形式、材料和配置來優化板式熱交換器的性能。