板式换热器与管壳式换热器的对比分析

板式换热器与管壳式换热器的对比分析

一、结构形式与换热机理

1.板式换热器   

板式换热器的核心结构由多组波纹金属薄板构成，相邻金属片间夹装密封垫片以实现介质隔离。多组金属片经上下导杆串联成整体框架结构，最终通过压紧螺栓紧固成型。工作时，两种热交换介质分别流经相邻板间通道，以逆流或错流形式完成热量传递。该设备的核心组成部件示意如图1所示。

 

板式换热器的换热机理如下：

当高温侧热流体沿板片波纹走向流动时，板片通过接触吸收流体热量后温度升高，随后将热量传递至相邻低温侧冷流体。得益于板片材料的高导热特性与流体强制对流换热的协同作用，板式换热器的综合传热性能显著提升。值得关注的是，板片表面的波纹结构会诱导流体产生湍流效应，这种流动状态不仅强化了传热效率，同时也会伴随一定的压力损失。

 

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。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：

热流体在管程或壳程内流动时，通过与管壁的对流热交换释放热量，使管壁温度升高；管壁随即以热传导方式将热量传递至另一侧界面，最终与冷流体完成对流热交换。为强化壳程侧的传热效果，管壳式换热器通常在壳体内设置折流板（或隔板），通过引导冷热流体多次转向流动，有效延长了传热路径。

 

二、性能特点对比

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。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.压力损失   

板式换热器的压力损失一般为30-60kPa，大于管壳式。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。

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。因此在高压环境下，管壳式换热器更具优势。

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。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

1.板式换热器

（1）传热系数显著更高

板式换热器的波纹板片采用反向叠加设计，形成复杂的流道结构，促使流体在板间呈现三维旋转湍流状态。相较于传统管壳式换热器，其可在更低雷诺数范围（一般Re=50-200）下激发湍流效应，大幅提升传热效率。实验数据表明，板式换热器的综合传热系数通常为管壳式的3-5倍。

（2）对数平均温差大，末端温差更小

管壳式换热器中，两种流体多呈交叉流动（横流）模式，需通过对数平均温差修正系数（通常较小）修正实际传热效果；而板式换热器以平行流或逆流为主，修正系数高达0.95左右。此外，板式换热器无旁流设计，冷热流体沿板面均匀接触，末端温差控制更优——对于水-水换热场景，其端部温差可低至1℃以内，而管壳式换热器通常为5℃。

（3）结构紧凑，占地面积小

板式换热器采用模块化板片叠加结构，单位体积内的传热面积可达管壳式的2-5倍。同时，其无需为管束抽芯预留额外维修空间，因此在相同传热需求下，占地面积仅为管壳式换热器的1/5-1/8，空间利用率优势显著。

（4）换热面积与流程组合灵活可调

板式换热器的传热面积可通过增减板片数量快速调整，满足不同工况需求；通过改变板片排列方式或更换不同型号板片，还能灵活切换工艺流程组合，适配多样化换热场景。相较之下，管壳式换热器的传热面积扩展几乎无法实现，流程调整的灵活性也远低于板式结构。

 

 

 

（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。 

 2.管壳式换热器    

（1）高效节能，该换热器传热系数为6000-8000W/(m2·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。