板壳式换热器作为一种创新的热能交换设备，巧妙地融合了板式与管壳式换热器的优势特性，展现出卓越的高效性能。通过细致对比传统板式与管壳式换热器的设计原理与结构特征，本文深入剖析了板壳式换热器独特的构造理念与工作原理。鉴于啤酒糖化过程中产生的大量高温冷凝水及二次蒸汽蕴含着丰富的热能资源，本文提出了一种创新的热能回收策略，该方案以板壳式换热器为核心组件，旨在高效捕获并回收这些被浪费的热能，从而实现了资源的有效利用与节能减排的双重目标。简而言之，此方案通过采用先进的板壳式换热器技术，为啤酒糖化工艺中的热能回收问题提供了高效且实用的解决方案。
板壳式换热器（Plate Shell Heat Exchanger, PSHE），作为一种集高效能、紧凑设计于一体的先进换热设备，其显著特点包括卓越的传热效率、极小的末端温差、紧凑的构造以及出色的耐高温高压性能，这些优势使得它在石油、化工及制造业等广泛工业领域内备受青睐。然而，在啤酒酿造这一特定行业中，尽管对温度和压力控制有着严格要求的冷凝水与二次蒸汽热能回收环节至关重要，但相较于传统的板式与管壳式换热器，板壳式换热器的应用尚显不足。鉴于当前能源成本持续上涨及啤酒市场竞争的白热化态势，合理选用换热器以最大化回收高温冷凝水与二次蒸汽中的热能，对于啤酒企业而言，不仅是节能降耗的关键举措，更是提升市场竞争力、实现可持续发展的必由之路。因此，在啤酒行业的冷凝水与二次蒸汽节能改造项目中，深入探索并推广板壳式换热器的应用，具有不可估量的价值与意义。
1 板壳式换热器的结构及特点
板壳式换热器的构造精髓在于其板束与壳体的精妙结合。板束，作为该设备的核心组件，其设计灵感源自板式换热器，却又有所超越。它由一系列形状与结构高度统一的波纹换热板片精心编排而成，这些板片如图1所示，排列有序，共同构筑起高效传热的基石。
与板式换热器采用垫片密封的传统方式不同，板壳式换热器在板片间的密封处理上采用了更为先进的焊接技术。具体而言，相邻的板片首先通过精密的内孔焊接工艺紧密相连，形成稳固的板片组单元。随后，这些板片组之间再运用外圆焊接技术进一步加固，确保整个板束结构的完整性与密封性。
为了实现传热效率的最大化，板壳式换热器在板片组的布局上进行了巧妙的优化。相邻的板片被设计为反向放置，这种布局方式被称为“逆流传热”，它使得流体在通过板片时能够形成更大的温度梯度，从而有效提升热量传递的效率。这一设计创新不仅增强了换热器的性能，也进一步彰显了板壳式换热器在结构设计与热工学原理应用上的独特优势。
图 1. 板壳式换热器的板束
在图2的展示中，精心焊接的板束被巧妙地安置于坚固的壳体内部，其前后两端由两块特制的板片紧密压紧，确保结构的稳固性。而板束的外围，则巧妙地设计了导流板进行全方位的包裹与焊接，这一设计不仅构筑起一道坚实的防线，有效防止了工作介质的任何潜在泄漏，还通过优化流体路径增强了换热过程的效率。同时，导流板还肩负着支撑板束的重要使命，确保其在运行过程中的稳定与安全。
波纹状的板片在经过导孔焊接处理后，巧妙地形成了错综复杂的板程流动通道。这些通道成为了冷热介质相遇并交换热量的舞台，介质通过专门的板程入口涌入导孔通道，随后被均匀地分配至每一个板间流道，实现了热量的高效传递。另一方面，壳程通道则巧妙地利用板束与壳体之间形成的狭小空间构成，其流动范围被精心设计的导流板所约束，确保了流体在壳程内的有序流动与高效换热。
图 2. 板壳式换热器的结构图
板壳式换热器巧妙融合了板式和管壳式换热器的精髓，它继承了板式换热器高效传热与结构紧凑的传统优势，同时汲取了管壳式换热器在耐高温高压方面的卓越性能。与板式换热器相比，板壳式的一大创新在于其板片间采用了先进的焊接密封技术，摒弃了传统的密封垫片，从而提升了设备的整体密封性能与可靠性。此外，其圆形板片设计使得应力分布更加均匀，有效避免了应力集中的问题，赋予了板束强大的抗热冲击与压力冲击能力，在极端工况下亦能保持稳定运行，显著提升了使用温度、压力范围及密封性能的表现。
另一方面，相较于管壳式换热器，板壳式换热器的总传热系数实现了质的飞跃，通常可达到管壳式的2至3倍之多。在气液两相流的复杂工况下，板壳式换热器独特的波纹板片结构发挥了关键作用，其产生的“静搅拌”效应有效克服了气液两相易于分离的难题，极大地抑制了内部结垢现象的发生，保障了换热器的高效、持续运行。
2 板壳式换热器工作原理
在图3的展示中，板壳式换热器的工作流程清晰可见：热流体自板程进口涌入，而冷流体则通过壳程进口进入设备，两者在精心设计的流道内各自流动，互不干扰，仅通过板片进行热量交换。这一设计巧妙地利用了板片上的凹凸波纹结构，这些波纹不仅增加了板片间的接触点，还在极低的雷诺数（Re=200）条件下激发了“湍流”现象，这一流态变化显著提升了传热效率。
板壳式换热器的工作原理深刻体现了对流传热机制的精髓。传热过程本质上可归结为传导、对流与辐射三种基本方式的综合作用。在板壳式换热器中，对流传热占据主导地位，它是热传导与热对流两种现象的和谐共生。当两种温度迥异的流体在板片分隔的空间内并行流动时，波纹板片成为了热量传递的桥梁。具体而言，高温热流体首先通过热对流将热量传递给与之接触的波纹板片高温侧，随后，这一热量又通过热传导方式跨越板片，传递至其低温侧。最终，低温侧的波纹板片再次借助热对流效应，将所吸收的热量释放给冷流体，从而实现了两种流体之间的高效热量交换。
图 3. 板壳式换热器冷流体（蓝色）和热流体（红色）流动示意图
3 总结
板壳式换热器由板束和壳体组成，板束是核心部分，由多个形状和结构相同的波纹换热板片通过焊接形成，既无需垫片密封，又具备强大的耐高温高压和抗热冲击能力。其圆形板片设计使应力分布均匀，增强了结构稳定性。
航烨能源通过技术创新与研发，设计出高效、紧凑的板壳式换热器，兼具了传统板式和管壳式换热器的优点。该设备在提升传热效率、耐高温高压及抗热冲击压力方面表现优异，广泛应用于石油、化工等工业领域。航烨能源不断推动换热技术的进步，为节能减排和可持续发展贡献力量。
