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板式换热器如何工作？
换热器是将热能从一种介质传递到另一种介质的设备。根据应用领域的不同，这可以指液体、气体或处于气液过渡状态的介质。在此过程中，热量总是从较热的介质流向较冷的介质，而两种介质不会直接接触。通过这种方式，这些介质在价值链的各个工艺阶段中被冷却或加热。
板式换热器的核心是由两块板反向排列形成的板包，构成通道。两种介质通过这些交替的通道流动而不会混合。特殊的板设计确保各介质的分布和流速达到最佳状态，从而最大化热传递。
如果流动的流体以有序的层流形式移动，则称为层流。然而，在板式换热器中应避免层流，因为此时热传递效果非常差。层流会对整体传热系数产生不利影响。相反，湍流是非常理想的，在换热器设计中通过板框式换热器中的特殊板排列来实现。这确保了即使在低流速下，流体也能被搅动成湍流，从而提高热传递效果并增加板式换热器的热输出。
选择合适的板材料对于确保良好的导热性也非常重要。对于高压要求或特别具有挑战性的介质等特殊应用，板式换热器需要单独配置并配备适当的板材料。通过一系列选项，如垫片式、钎焊板式或平板式换热器设计，以及不同尺寸的焊接设备，总能找到适合当前应用的完美解决方案。
板式换热器是氢能经济的关键组成部分
不同类型的板式换热器被用于氢能经济的整个价值链中。它们既用于从可再生能源发电的过程中，也用于通过电解生产氢气的过程，有时还用于所需的水处理。通过电解产生的氢气随后通过分配网络运输，并被最终用户用作能源和进一步生产过程的原料。例如，氢气是化学生产过程中的重要组成部分，同时也是工业、建筑和交通领域的重要能源。
氢能经济中的板式换热器
板式换热器如何用于海水淡化？
生产 1 公斤氢气需要约 15 升去离子水，其质量要求与饮用水相当。为了保护饮用水资源，在沿海地区使用处理过的海水是一种可持续的解决方案。经过过滤后，水通过淡化厂为电解槽工艺做准备。在真空蒸发过程中，电解槽的废热用于去除水中的矿物质。淡水发生器作为蒸发器和冷凝器，将盐分子与水分子分离，并将淡化后的水作为冷凝水收集。如有必要，这些水在进一步的步骤中去离子化，并可用于电解槽工艺。
通过利用电解过程中的废热进行海水淡化，这种效率提升在海上应用中尤为有用。
为什么换热器在氢气生产过程中对电解质冷却至关重要？
在氢气电解过程中，通过电极上的电流诱导的化学反应会产生热量。一个输出效率为 65% 的系统会以热量的形式释放 35% 的输入电能。这些热量可以通过板式换热器从过程中移除，从而在最佳条件下生产氢气，并确保不超过最高允许温度。电解质在聚合物电解质膜电解（PEM）中是去离子水，在碱性电解（AEL）中是氢氧化钾-水混合物，通过另一种冷却介质进行冷却。通过使用集成到回路中并确保工艺流体持续冷却的具有特殊设计板的换热器，可以实现最大效率。在这种情况下，板的材料至关重要。应防止腐蚀，并优化氢气质量和电解槽的使用寿命。
如果电解过程中产生的废热可以输入区域供热网络或在其他地方（如上述海水淡化厂）返回到过程中，则可以降低整体能源成本。
哪种类型的电解槽应使用哪种类型的换热器？
1. 质子交换膜（PEM）电解槽的换热器：
在 PEM 电解中使用不锈钢（合金 316）板式换热器，以防止板材料的氢脆。紧凑型全焊接换热器适用于高达约 1 兆瓦的小型工厂，而垫片式换热器则用于大型工厂。
半焊接和焊接板式换热器具有高耐压性，并在氢气生产中提供多种优势。例如，电解槽可以在超过 30 bar 的压力下运行。这对氢气储存有利，因为后续需要较少的压缩工作，从而提高了工厂的整体效率。
2. AEL 电解槽的换热器：
AEL 电解需要使用由耐腐蚀材料（如镍）制成的板式换热器，以承受氢氧化钾-水混合物。通常在此使用半焊接板式换热器，在氢氧化钾侧焊接以防止泄漏。在服务介质侧使用垫片。
3. 高温电解槽的换热器：
作为一种相对较新的技术，高温电解（HTE）仍在开发中。氢气生产过程在约 800°C 下进行，这种高温需要气液换热器（GTL）。热回收降低了 HTE 的成本。气液换热器具有特殊设计的板和不对称的通道容积，可最大限度地减少压降。与管壳式换热器相比，它们具有更高的热效率，并且占地面积最多可减少 75%。
板式换热器如何用于分配应用？
氢气和氧气的冷却对于这些气体的运输至关重要，因为氢气在常压和常温下的密度非常低，约为 0.09 克/升。通过使用板式换热器压缩和冷却气体，可以增加密度，并在给定的运输体积内增加运输质量。焊接不锈钢板式换热器由于其耐压性，最适合用于此目的。
为什么换热器能优化氢气加注？
在车辆加注过程中，氢气必须冷却到约-40°C，以防止气体过热。这需要能够承受极端压力（如 350 bar 或 700 bar）的换热器，这些压力通常在氢气加注应用中出现。
印刷电路换热器（PCHE）由于其特殊的焊接技术而具有极高的耐用性，非常适合此用途。使用此类换热器的氢气加注站可以在加注操作之间无需等待（背靠背加注）。由于其极其紧凑的设计，这些换热器可以轻松集成到加注设备中，安装成本低。
板式换热器与燃料电池结合使用的作用是什么？
在燃料电池中，氢气与氧气反应产生电能和热量，以及副产品水。在转换过程中，必须持续冷却燃料电池电堆，以确保燃料电池的最大效率。燃料电池电极的电能可以直接使用，而通过冷凝过程产生的废热（以水蒸气的形式）可以通过板式换热器用于建筑物的供暖。主要用于此目的的是熔焊气液板式换热器。
传统的热电联产系统与内燃机在未来可以被新的环保燃料电池技术所取代。
内容由 Alfa Laval 提供
Alfa Laval 是一家国际瑞典公司，活跃于能源、船舶、食品和水领域，为约 100 个国家的广泛行业提供专业知识、产品和服务。凭借我们广泛的热和分离技术组合，我们为绿色氢的转型提供解决方案。在电解槽生产（PEM、碱性或 SOEC）中，我们提供用于冷却电解质、氢气和氧气的高效板式换热器。我们的板式换热器产品组合还包括淡化技术，允许您在生产中使用海水或河水，这对于海上工厂尤为理想。我们的热传递解决方案使得从电解槽中回收和再利用废热成为可能，用于淡化水或其他可持续用途，如区域供热。我们在生产和储存领域都有涉及，提供独特的压缩和冷却解决方案，以及用于加注站的创新印刷电路换热器。Alfa Laval 数十年来一直致力于开发高效且耐用的板式换热器技术。从我们的熔焊技术（可在极高温度下实现可靠性能）到能够处理极端不均匀流量要求的气液解决方案，我们可以提供适合燃料电池开发的独特技术。
最后更新：2023 年 1 月 15 日