板式换热器能用蒸汽吗？温度上限、凝结水排放和失速问题
可以，板式换热器能用蒸汽加热。汽水板式换热器在集中供热换热站、热水系统、食品饮料工厂和很多工艺加热场合都很常见。但蒸汽工况比水-水换热更"挑剔"。板式换热器合不合适，取决于三个问题：密封能不能承受蒸汽温度；在各种负荷下，凝结水能不能顺畅地排出板片；负荷变化有多频繁。
本文面向正在考虑用板式换热器做蒸汽加热的采购和工程人员，帮助你向供应商问对问题。本站产品目录里有可拆式板式换热器、焊接板式换热器、板壳式换热器和管壳式换热器。具体项目可以通过询价表提交蒸汽和凝结水数据。
1. 先看蒸汽温度
饱和蒸汽的压力越高，温度越高，所以即使是"低压蒸汽"，也可能已经接近垫片的耐温上限。下表的饱和温度来自 IAPWS-IF97 水蒸气性质表。表压约比绝对压力低 1 bar。
| 蒸汽压力，bar(a) | 约合 bar(g) | 饱和温度 |
|---|---|---|
| 2 | 1 | 120.2 °C |
| 4 | 3 | 143.6 °C |
| 6 | 5 | 158.8 °C |
| 8 | 7 | 170.4 °C |
| 10 | 9 | 179.9 °C |
过热蒸汽的温度高于同压力下的饱和温度，所以除了压力，还要给出实际的蒸汽温度。另外，要说明蒸汽侧可能出现的最高压力，比如调节阀故障全开时的压力，而不只是正常运行压力。
2. 可拆式板换的上限在垫片
可拆式板式换热器的板片一般是不锈钢，在蒸汽工况下很少成为限制，限制在垫片。Heat Exchanger World 发布的一份垫片指南给出：NBR（丁腈橡胶）的使用温度约为 -10 °C 到 110 °C；EPDM 适用于热水和蒸汽，使用温度约为 -10 °C 到 150 °C。耐蒸汽的 EPDM 牌号可以更高：2006 年，阿法拉伐表示其 EPDMP 垫片材料可使板式换热器在最高 180 °C 下运行，比原来的垫片高 20 °C。本站上海板换机械设备有限公司的可拆式板式换热器标注的设计温度最高 180 °C，可选 NBR、HNBR、EPDM、H-EPDM 和 FKM 垫片。
由此有两点实际建议。第一，垫片在接近额定温度下运行，老化会比留有余量时快，所以除了最高耐温，还要问在你的运行温度下垫片的预期寿命。第二，耐温值取决于具体的胶料牌号和供应商，报价里应写明蒸汽侧所用的垫片牌号，以及它在蒸汽中的温度上限。
3. 凝结水必须能排出板片
在蒸汽板式换热器里，蒸汽从上部接口进入，在板片上冷凝，凝结水从下部接口排出。任何阻碍凝结水排出的因素，都会让板束的一部分被水淹没。Spirax Sarco（斯派莎克）指出，造成这种积水的两个主要原因是：疏水阀选型不对，以及失速。被淹没的换热器会损失换热面积，出口温度难以控制，还可能出现水锤和腐蚀。
凝结水侧的良好做法：
- 选用凝结水一形成就能排出的疏水阀。Spirax Sarco 介绍的换热器方案用的都是浮球式疏水阀。
- 疏水阀装在凝结水出口下方，让凝结水靠重力流到疏水阀。
- 如果换热器内的蒸汽压力可能降得很低，疏水阀后不要马上提升凝结水。
- 凝结水出口和管道要按最大凝结水量选型，而不是只按正常工况。
4. 失速：为什么蒸汽加热器在低负荷时会积水
大多数蒸汽换热器用蒸汽入口上的调节阀控制出口温度。负荷下降时，阀门关小，换热器内的压力随之下降。Spirax Sarco 对失速（stall）的定义是：当换热器内的压力等于或低于疏水阀承受的总背压时，凝结水流量减少或停止。这时凝结水就会倒灌进换热器。
以下情况更容易出现失速：
- 负荷下降时，二次侧流体的进口温度升高，或流量减少；
- 出口温度设定值调低；
- 凝结水需要提升，或要回到有压力的凝结水管网；
- 换热器面积大于实际需要。Spirax Sarco 指出，由于安全系数和标准规格的原因，换热器的加热面积往往比需要的大，这会让低负荷时的蒸汽压力降得更低。
Spirax Sarco 介绍了三种应对失速的基本方法：
| 方法 | 原理 | 适用情况 |
|---|---|---|
| 真空破坏器加重力排水 | 在调节阀后装真空破坏器，让空气进入，凝结水靠重力流到出口下方 0.5 到 1 m 处的浮球式疏水阀，排向大气或通大气的凝结水箱 | 凝结水可以自由流入开式排水或通大气的水箱 |
| 泵式疏水阀 | 由压力驱动的泵和浮球式疏水阀组合，即使蒸汽压力低于背压也能排出凝结水 | 凝结水需要提升，或要回到有压管网 |
| 保持蒸汽压力稳定 | 在二次侧控制温度，使蒸汽空间的压力始终高于背压 | 工艺允许在水侧或物料侧控制 |
这些规则对板式和管式换热器同样适用。采购时要明确：调节阀、疏水阀组和凝结水回收由谁设计和供货，是换热器供应商、撬装集成商，还是你自己的施工方。很多报价只包含换热器本身。
5. 热循环和启动
蒸汽加热冷态板束的速度非常快。温度大幅、频繁的变化会对垫片造成应力；对钎焊板式换热器来说，时间长了还可能让钎焊接头疲劳。在工艺允许的情况下，启动时缓慢打开蒸汽阀，避免对蒸汽进行开关式控制，并问供应商是否对启动速度或循环次数有限制。还要告诉供应商换热器多久启停一次：一天循环很多次的热水系统，和连续运行的工艺加热器是完全不同的工况。
6. 不同蒸汽工况适合哪种结构
| 结构 | 适用场合 | 需要确认 |
|---|---|---|
| 可拆式板式换热器 | 低压饱和蒸汽加热水或清洁液体，蒸汽温度在垫片额定范围内 | 垫片牌号和寿命、蒸汽接口尺寸、凝结水排放 |
| 钎焊板式换热器 | 小型蒸汽加热器和紧凑型撬装设备 | 不能拆开清洗；热循环；钎料与两侧流体是否相容 |
| 焊接板式换热器（板块式） | 温度、压力较高，不能用垫片的场合 | 清洗方式、设计压力和设计温度、检验 |
| 板壳式换热器 | 高压或高温，同时要求结构紧凑 | 哪种流体走壳程、清洗方式 |
| 管壳式换热器 | 高压或过热蒸汽、大负荷、负荷波动大或凝结水较脏 | 占地和重量更大；端差通常比板式大 |
作为参考，本站的产品数据中，HT-BLOC 焊接板式换热器最高可到 4.0 MPa 和 400 °C，兰石板壳式换热器最高可到 6.0 MPa 和 580 °C。这是产品系列的上限，具体某台设备的参数取决于它的设计和材料。
7. 蒸汽工况询价要提供什么
| 项目 | 需要给出的内容 |
|---|---|
| 换热器入口蒸汽压力 | 调节阀后的最低、正常和最高压力 |
| 蒸汽状态 | 饱和蒸汽，或过热蒸汽及其温度 |
| 热负荷或蒸汽流量 | 设计负荷和最低负荷 |
| 二次侧流体 | 介质、流量、进出口温度 |
| 凝结水出口 | 背压、疏水阀后的提升高度、回水系统类型 |
| 控制方式 | 蒸汽侧调节阀，还是二次侧控制 |
| 运行方式 | 连续运行，还是每天启停的次数 |
| 设计数据 | 设计压力、设计温度和规范，例如 PED 或 ASME |
| 供货范围 | 只要换热器，还是包括调节阀、疏水阀组和撬座 |
最低负荷和设计负荷同样重要。只按峰值选型的设备，可能大部分时间都在接近失速的状态下运行。
8. 对采购的意义
当蒸汽温度在垫片额定范围内且留有余量、凝结水在各种负荷下都能排出、负荷也不会一天多次开开停停时，板式换热器是很好的蒸汽加热器。如果蒸汽压力更高、蒸汽是过热的，或者凝结水系统没法设计成避免失速，焊接板式、板壳式或管壳式结构往往更稳妥。请供应商写明所报设备蒸汽侧的限制，并说明在类似项目里是怎么处理凝结水排放的。准备询价时，可以参考询价前应提供哪些数据和板式与管壳式换热器选型指南。
资料来源和相关页面
- Spirax Sarco，换热器与失速：https://www.spiraxsarco.com/learn-about-steam/condensate-removal/heat-exchangers-and-stall
- Spirax Sarco，防止失速的实用方法：https://www.spiraxsarco.com/learn-about-steam/condensate-removal/practical-methods-of-preventing-stall
- Spirax Sarco 水蒸气表，干饱和蒸汽线：https://www.spiraxsarco.com/resources-and-design-tools/steam-tables/dry-saturated-steam-line
- Heat Exchanger World，板式换热器垫片指南：https://heat-exchanger-world.com/?p=69916
- Process Engineering（2006），阿法拉伐 EPDMP 垫片可用到 180 °C：https://processengineering.co.uk/article/1294851/enhanced-temperature-performance-takes-gaskets-to-new-levels
- HeatEx Direct 可拆式板式换热器：https://heatexdirect.com/zh/products/shanghai-heat-transfer-equipment-co-ltd/gasketed-plate-heat-exchanger
- HeatEx Direct HT-BLOC 焊接板式换热器：https://heatexdirect.com/zh/products/shanghai-heat-transfer-equipment-co-ltd/ht-bloc-welded-plate-heat-exchanger
- HeatEx Direct 管壳式换热器：https://heatexdirect.com/zh/products/siping-viex-heat-exchange-equipment-co-ltd/tubular-heat-exchanger