板式换热器传热板片的波纹结构设计分析*

朱海舟

(兰州兰石换热设备有限责任公司，甘肃兰州 730050)

0 引言

从第1台薄板冲压成型的板式换热器诞生至今，板式换热器的发展已有100多年的历史。随着石油化工、冶金、暖通、船舶以及核电等行业的快速发展，板式换热器在各个领域得到了越来越广泛的应用。从1965年兰州石油化工机器厂独立开发的第一台板式换热器开始，中国的板式换热器发展已经走过了50多年的历史。回顾历史，国内板式换热器的波纹结构设计、制造水平也随着国际同行业的发展而取得了长足进步。目前，国内众多板式换热器厂家均能生产不同板片材料、不同波纹结构、不同单板面积以及不同用途的板式换热器。

1 结构设计分析

板式换热器的核心部件是传热板片，传热板片的结构设计直接关系到板式换热器的传热性能、承压能力和使用寿命。板式换热器的技术发展主要集中在板片波纹结构设计的研究上，设计工程师设计出各式各样波纹结构的板片，目的就是设计出不同用途、不同传热性能、压力降以及承压能力的波纹板片。对于板片不同波纹结构与传热性能、流体阻力的关系，兰石研究所、清华大学(罗棣菴、焦芝林等)、河北工学院(李崇岳等)、天津大学［1］以及山东大学(栾志坚、张冠敏等)［2］等做了大量的实验与数值研究工作。

板片的主要参数有外形尺寸、中心距、角孔直径、波纹深度、单板换热面积。中心距和角孔直径决定了板片的外形尺寸，波纹深度决定了当量直径和通道截面积，也会影响单板换热面积。

传热板片设计的一般原理为:板片组装后相应位置均有用于引起扰流和阻止流道变形的支撑点。

由于不同厂家设计理念的不同，板片的波纹结构设计存在一定的差异，然而，板片的基本组成均是相似的。图1为板式换热器典型板片的波纹结构组成，图2为板片主要设计参数示意图。图2中a×b为角孔中心距，a1×b1为板片外形尺寸，c为角孔直径，d为周边法节，e为导流区法节，h为主换热区波纹法节，β为人字夹角，δ为波纹深度。

图1 典型板片的波纹结构示意图

图2 传热板片主要设计参数示意图

1.1 密封槽外周边支撑波纹结构设计分析

根据密封槽外周边位置支撑波纹结构的特点，其设计考虑因数主要有两点:①安装后形成支撑点;②预留密封垫插扣位置。支撑点的主要作用是在板片组装后相邻的板片间形成紧密的、交替相间的触点，用以提高板片的刚性以及产品的承压能力。根据经验，其波纹节距通常的设计参考值为d=(4～6)×δ。

密封槽外周边支撑花纹的设计应考虑橡胶垫与板片的连接方式。通常，橡胶垫与板片连接方式设计越合理，橡胶垫在与板片装配时两者的密封中心线对正效果越好，越不容易发生胶垫错位或松动，从而保证产品的密封性能。因此，提高产品密封性能，需要设计工程师们不断的积累经验并不断的摸索更合理的插扣设计结构。

1.2 密封槽结构分析

板片的密封槽和橡胶密封垫片共同构成了板式换热器的密封系统，密封系统的密封强度决定了板式换热器的承压能力。合理的密封系统设计不仅能够提高板片的刚性，提高板式换热器的耐压性能，也能保证良好的密封性。

密封槽的形状、结构直接关系到密封垫片在密封槽内的定位，合理的密封槽设计应使密封垫片在受压、受热的条件下，在设计的位置上不发生位移，并且基本保持原有的压缩比，保证密封性能。

因此在密封槽设计时，充分考虑到不同材质的板片成型性能的前提下，使密封槽的倾角尽量小，并尽可能地采用密闭形式。目前板片密封槽的倾角α一般设计在15°～30°，主流板片均采用平面形式，密封槽宽度B约8～12 mm。图3为密封槽示意图。

图3 密封槽结构

另外，密封槽设计时应注意二道密封处的结构，二道密封是板式换热器承压的薄弱区域，早期设计的板片采用点焊加强条的办法来增加二道密封的刚性，随着模具加工水平的提高以及冶金水平的提高，目前通常采用压制反向加强筋的办法(成型时局部的冷作硬化)来提高二道密封的刚性。

1.3 介质通道口设计分析

板片角孔是板式换热器的介质的进、出口。角孔大小决定了换热器的最大处理量，角孔大小通常取决于相应公称直径管道的内径，角孔大小也是板片总体宽度的影响因素之一，关系到板片材料的利用率。

1.4 防护区设计分析

防护区也叫泄漏区，橡胶垫片在该区域的相应位置设计有泄漏槽，如果板片有裂纹等缺陷，则试压时介质会从泄漏槽流出，便于确定泄漏位置和检修。另外，防护区结构设计的成败，影响产品的承压性能(在较高压力时表现尤为突出)，通常防护区设计完成后需进行计算机模拟，保证产品的承压能力。

1.5 导流区设计分析

导流区也叫三角区是介质在通道中的分配区域，导流区的设计关系到板片设计的成败，是板片设计的关键。一般设计完成后需进行CFD计算机模拟。

不同设计理念设计的导流区结构有差异，目前主流的设计以十字交叉网格结构为主。十字交叉网格结构导流区的法节一般取值e=(5～7)×δ。三角区的波纹深度取板片总体波纹深度的一半，设计为凸、凹相间结构，板片组装时形成触点。

1.6 主传热区设计分析

主传热区为介质提供通道和主要传热面(导流区也参与传热)。

主传热区的设计主要是几个参数的最佳配置以及波纹截面结构、波纹形式的设计。主传热区的波纹形式有:人字形波纹、水平平直波纹、竖直波纹、斜波纹等。由于人字形波纹板片传热效率高、流体阻力大、承压能力好，因此，目前板式换热器以人字形波纹板片为主。

主传热区的主要参数有:人字形夹角β，法节h，波纹深度δ，波纹截面形状。人字形夹角β，法节h，波纹深度δ，波纹截面形状相辅相成。法节太小，则板料不易成型，法节太大，则板片承压能力和传热性能下降，成型与传热需达到合理的匹配，法节与波深以及波纹截面形状相关。一般情况下，法节和波纹深度的关系是:h=(3～4)×δ。

主传热区内波纹的截面形式主要有:梯形截面，圆弧形截面、三角形截面，各种形状的截面均有其优缺点。图4为截面形状示意图。

目前，同一型号的板片根据人字夹角分别设计软、硬两种板型，两种板型可以混装。软硬、板外形尺寸、安装尺寸、橡胶垫片一致，区别在人字形夹角β，把人字夹角β＞90°称为硬板，硬板的人字夹角β取值通常在120°～130°。把人字夹角β＜90°称为软板，软板的人字夹角β取值通常在40°～70°。两种板型可以组成三种性能不同的流道，采用混合通道使板式换热器的设计得到优化。

图4 波纹截面形状

通用型板型最典型的软、硬板的人字夹角β取值为60°和120°。人字形夹角β和波纹截面形状是影响传热和压降的主要因素之一。人字形夹角β的大小还取决于产品开发后的主要使用工况，根据传热的压降匹配，及产品的性价比设计最合理的夹角。

1.7 悬挂结构设计

对于悬挂结构，不同制造商有不同的设计差异。根据悬挂结构的作用特点，悬挂的设计考虑因素有三方面:①承受自身重量的抗变形能力;②与导杆的配合定位;③板片装配时的可操作性。

1.8 板片的长宽比设计

不同的工况采用长宽比不同的的板片。常规人字形波纹板片的长宽比为2.5～3，实践证明，长宽比在此区间的板型承压能力较高。

板片长宽比不同，制造难度、制造成本有差异。特殊用途的板片长宽比很小或很大。如单侧温差大或对数温差小的工况需要长宽比大的板型，如长宽比在3～5的板型;而压降小、流量大的工况又需要长宽比小的板型，如长宽比小于2的板型。

等宽不等长(长宽比不同)成系列开发是目前板型开发的趋势，全球主流板换厂家，除阿法拉伐外，其余均按系列在开发，成系列开发的特点在于，开发成本低、便于组织生产。

1.9 波纹深度

波纹深度是板式换热器最主要的参数，板型的其它参数与波纹深度相关，波纹深度也是知道生产的主要参数。常规人字形波纹板片的波纹深度在2～5之间。常用的板型波纹深度在3～4之间。近年来出现了传热性能较高的高性能板片，波纹深度在2～2.5之间，此种板型在空调行业应用非常广泛，传热系数高，NTU大，承压高。高性能的浅密波纹板片是板式换热器发展的趋势。

2 结论

通过对垫片式板式换热器传热板片波纹结构设计的分析，得出以下几点结论。

(1)对于密封槽外周边支撑波纹结构设计，支撑点和预留插扣位置结构的设计至关重要，他们将直接的影响板片的刚性和产品的密封性能。

(2)对于密封槽的结构，越小的倾角越有利于提高板片的密封性。因此，对于不同的材料，应该在保证成型质量的前提下尽可能减小设计倾角。另外，采用设计反向加强筋是提高密封槽的刚性的有效方法之一。

(3)流体流动分布的均匀性是传热板片设计成败的关键。因此，导流区的设计结构建议结合实际经验及CFD分析软件进行流动传热动方面的研究。

(4)对于主传热区，采用不同设计夹角的板片能灵活的组合不同的流道，从而优化产品系列，扩展产品的应用范围。

(5)主传热区主要有人字形夹角β，法节h，波纹深度δ，合理的匹配这些参数不仅能保证产品质量，更能提高产品的传热效率。

(6)合理的考虑板片的长宽比并系列化板型即可以提高传热板片的材料利用率，降低制造成本，又方便于生产。

3 结语

在板式换热器板型设计上，关键位置的设计经验和设计考虑因素至关重要。目前，国内板式换热器的研发能力相对薄弱，与国外同行业相比，国内板式换热器的设计水平仍有一定的差距，多数板换厂在制造板式换热器上仍依赖于参考国外同行业的设计结构，缺乏对板型结构设计方面的研究工作。为了缩短与国际先进水平的差距，适应板式换热器的发展趋势，我们需要对板型结构设计进行相应研究工作，开发出更好、更新的板型，进一步提高我国板式换热器的产品水平。

［1］ 杨崇麟.板式换热器工程设计手册［M］.北京:机械工业出版社，1998.