换热器是现代工业中应用较为广泛的单元设备之一，在化学工业中的投资大概占设备总投资的 30%。目前，在化工生产上，管壳式换热器和板式换热器的应用最为广泛。本文就结构、性能、经济指标、发展前景等方面对这两种换热器进行分析比较。

1 总体结构［1］

管壳式换热器，主要由换热管、管板、壳体、管箱和封头等部件组成。其中换热管是核心传热元件，其壁面即为管壳式换热器的传热面。换热管两端通过焊接或胀接固定在管板上，管板分别焊在壳体的两端，换热管可按等边三角形或正方形排列。其中，介质流经换热管内的通道及与其相贯通部分称为管程，介质流经换热管外的通道及与其相贯通部分称为壳程。沿着管长方向，常常装有一系列垂直于管束的折流板，可使流体按规定路程多次横向通过管束，增强壳程流体湍流程度。管束的表面积即为管壳式换热器的换热面积。

板式换热器，是由板片、固定压紧板、活动压紧板、夹紧螺柱、密封胶垫等组成。其中板片是板式换热器的核心传热元件，板片的四个角上开有角孔，同固定压紧板上的通道孔对中，并与外部管路相连，作为介质的通道。垫片是密封元件，对板片周边及角孔处进行密封。各传热板片按设计的数量和顺序置于固定压紧板和活动压紧板之间，并用夹紧螺柱进行夹紧。在压紧后，两相邻板片的波纹相互接触，在约 1~1. 6 cm2面积内就有一个支点，且分布均匀，形成流体的通道，并且能够很好地承受压力差。工作时，两种介质分别从固定压紧板上的接管中进入，并相间地进入板片之间的流体通道，进行换热。

2 性能特点

2. 1 传热系数的比较［2］

管壳式换热器的结构较为坚固，但是因为流体在壳程中流动时存在着管束―壳体、换热管―折流板、折流板-壳体之间的旁路，流体在通过这些旁路时，并未充分参与到换热过程中，因此其传热系数较低，一般为1 000~3 000 W/（m2·K）。而板式换热器不存在旁路，流体在板片间的流道流动时，在波纹的作用下，湍流效果明显，因此传热系数较高，一般为3 500~5 500 W/（m2·K）。表1为在相同的工况下，两种换热器传热系数的比较。可以看出，板式换热器的传热系数约为管壳式换热器的3倍。

该实例的总传热系数：管壳式为 1 532 W/（m2·K），板式为3 806 W/（m2·K）。

2. 2 对数平均温差

对数平均温差对传热效果会产生重要影响，其大小主要取决于流体的流动方向和方式。在管壳式换热器中，流体是以错流的流动方式为主，所以对数平均温差的修正系数一般较小（0. 8 左右）。而在板式换热器中，两种流体逆向均匀流动，由于波纹的作用引起湍流。其温差修正系数一般较大，通常为0. 95左右。

2. 3 污垢系数的比较

对换热器而言，污垢系数对传热速率的影响很大。而板式换热器的污垢系数远远小于管壳式换热器，原因如下：

①管壳式换热器中，管内流体流动状态为层流，壳程流体在折流板附近滞留，因此容易引起结垢；

②板式换热器中，在板片波纹的作用下，流体的流动状态为湍流，其中的固体颗粒不易沉积；

③由于板式换热器的板片多为不锈钢，而且表面光滑，所以没有腐蚀所产生的杂质沉积。因此，板式换热器的污垢系数较低，约为管壳式换热器的1/3~1/10。表 2 为采用不同介质时，管壳式换热器和板式换热器的污垢系数的比较：

2. 4 末端温差［3］

换热器中，低温位的热能是否能得到充分回收，取决于末端温差的大小。管壳式换热器中，由于壳程流体和换热面交错并绕流，还存在着旁流，因此末端温差较大，大约为 5 ℃。而板式换热器的冷热流体在流道内的流动平行于换热面，且无旁流，因此末端温差很小，可以低于1 ℃。

2. 5 热损失的比较管壳式换热器，由于壳程大面积暴露在大气中，热损失大，因此在某些系统中，就需要加装保温层来防止热量损失。而板式换热器，由于其传热板片基本不和大气接触，因此散热损失很小，基本可以忽略，也不需要采取保温措施。

2. 6 占地面积管壳式换热器，由于管束平顺无转折，自身体积较大，并且在设备前方还需要预留和管束一样长的距离，供检修时抽出管束使用，因此占地面积较大。而板式换热器结构紧凑，单位体积内的换热面积较大，在检修时，只需卸下夹紧螺柱，即可松开板束，卸下板片，无须预留检修场地。因此在实现同样的换热任务时，其占地面积仅为管壳式换热器的1/3左右。

2. 7 多种介质换热管壳式换热器，只能实现两种介质的换热。而在板式换热器中，可以通过加装中间隔板，分成几个单元组合，进行多种介质的换热。在乳品加工行业，常采用多介质换热的板式换热器来进行巴氏杀菌。

2. 8 流程组合或面积的改变板式换热器只需要改变板片的排列，或更换几张板片即可达到所要求的流程组合，适应新的换热工况。若要增加（或减少）换热面积，只需增加（或减少）几张板片，即可达到新的换热面积。而管壳式换热器由于结构原因，其流程组合和换热面积则无法改变。

2. 9 设计压力［4］

换热器的耐压能力取决于其材料，结构，壁厚等因素。管壳式换热器的密封性能较好，且选材范围广泛，通常可以适应比较大的压力，其设计压力最高可达 35 MPa。而板式换热器由于结构原因，密封周边很长，密封性能不好。并且由于板片较薄，构件受力较差，因此其耐压性能不如管壳式换热器，目前最高设计压力仅为 2. 0 MPa。而且单板面积越大，密封性能越差，适应的设计压力就越小。

2. 10 工作温度板式换热器的最高工作温度，由密封垫片的耐热性能决定。由表 3 可以看出，其最高允许工作温度仅为 260 ℃。而管壳式换热器的工作温度不受垫片限制，其适用工作温度的范围远远大于板式换热器。

2. 11 对介质的要求板式换热器的板间通道很窄，一般为3~5 mm，当介质中含有较大的固体颗粒时，就容易堵塞通道。因此不宜进行含悬浮杂质的介质的换热。而管壳式换热器管束平顺，内部流通面积较大，具有水阻小的特点，不易造成堵塞，相比较板式换热器，可适用的介质范围更广泛。

2. 12 对材料的要求管壳式换热器选材范围广泛，根据介质和温度的不同，普通碳钢、铬钼钢、低温钢、不锈钢、双相钢等均在选择范围。而板式换热器由于板片厚度较薄，和耐腐蚀的要求，可选择的材料较少，不宜选择碳钢，只能选择不锈钢、双相钢及钛板等。

3 经济指标［5］

3. 1 制造成本的比较由于板式换热器为系列产品，同一型号的板片是成批压制而成，标准化程度高，便于批量生产。而管壳式换热器由于每台规格尺寸均不一样，只能逐台进行制造，而且相比较板式换热器，焊接和无损检测工作量较大，部分产品还需要进行热处理等，因此，在相同材料和换热面积下，板式换热器的制造成本通常比管壳式换热器低40%~60%。

3. 2 系统运行特点方面管壳式换热器水阻较小，不易堵塞，因此无须加装过滤器及相应的控制装置，系统简单，安全受控点较少。而板式换热器却截然相反，水阻较大，容易受堵，需要配套加装过滤器及相应的控制装置、阀门管道系统，安全受控点较多，因此所带来的电力消耗也就必不可少。

3. 3 操作检修的比较板式换热器检修时，需将夹紧螺柱松开，对板片逐张进行清洗，清洗频率较高。并对板片和垫片进行检查，如有损坏，则须进行更换。橡胶密封垫作为其主要部件，数量较多，使用几年后会老化损坏，其更换需要大量的工作量。而管壳式换热器结构简单，维护工作量少，仅需更换少量的螺栓螺母和垫片等备品备件，无大修工作量。

3. 4 冷却水量的比较板式换热器，由于二种介质流道基本相同，且传热效率高，因此所需冷却水量较少，和被冷却水量之比约为（0. 9~1. 2）∶1。但因板间通道狭窄，易于堵塞，因此对冷却水的洁净度要求较高。而管壳式换热器由于结构原因，换热效率低，所消耗的冷却水量较多，和被冷却水量之比约为（1. 3~2. 6）∶1，但对水质要求较低。

4 发展前景［6］

管壳式换热器，总体优点是结构坚固，选材范围广，清洗方便，适应性强。虽然在结构紧凑型，传热效率和单位传热面积金属耗量等方面不如板式换热器，但由于上述优点，加之处理能力大，能适应高温、高压的环境等特点，因而在目前国内外工业生产中，仍是应用最广泛的一种换热器。而板式换热器具有体积小、重量轻、传热效率高且便于拆装等特点。当介质中无悬浮粒子，且冷却水水质较好时，是一种比较理想的换热器设备。近年来单板面积为 2. 0 m2以上的大型板式换热器的出现，使其处理能力进一步增强。因此，除了高温、高压和特殊介质等工况外，用板式换热器代替管壳式换热器，具有明显的经济效益。

参考文献

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[4]周玲玫.板式换热器换热性能的实验研究[D].杭州:浙江大学,2008.

[5]郭家伟,刘龙 . 浅析板式换热器的选型与应用[J]. 企业导报,2012(14):275.

[6]余建祖 . 换热器原理与设计[M]. 北京:北京航空航天大学出版社,2006:109.

作者简介：葛娟，曹鑫，刘永杰，李东阳，李文斌，王静（甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司），李志刚（兰州石油化工公司）

文章内容来源《广州化工，第 53 卷第 15 期2025 年 8 月》，流程工业整理编辑，责任编辑：胡静，审核人：李峥