高壓板翅式換熱器的設(shè)計及應(yīng)用

聶德平

一板翅式換熱器的發(fā)展現(xiàn)狀
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  x( }2 S: |- \9 }8 ?& _  v　　板翅式換熱器首先應(yīng)用于汽車和航空工業(yè)，20世紀(jì)50年代開始在空分設(shè)備中應(yīng)用。冶金、化學(xué)工業(yè)對空分設(shè)備的大量需求，有力推動了板翅式換熱器的技術(shù)進步。在我國，鋁制板翅式換熱器由杭州制氧機集團公司(以下簡稱：杭氧)等在20世紀(jì)60年代中期開發(fā)成功，使我國成為繼英國、美國和日本之后第四個能夠生產(chǎn)這種換熱器的國家。但杭氧當(dāng)時設(shè)計生產(chǎn)的鋁制板翅式換熱器多以低壓換熱器為主(<2．0MPa)。隨著空分技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是內(nèi)壓縮流程的不斷成熟和應(yīng)用，要求板翅式換熱器的設(shè)計壓力提高。尤其進入20世紀(jì)80年代以來，隨著我國內(nèi)地和沿海油田的不斷開發(fā)和石油化工行業(yè)的快速發(fā)展，承受中、高壓的板翅式換熱器應(yīng)用日趨廣泛，由于國內(nèi)無法制造中、高壓力的板翅式換熱器，當(dāng)時我國用于大型空分設(shè)備和石油化工設(shè)備中的中、高壓板翅式換熱器全部依賴進口。
　　
　　1992年杭氧從美國S．w公司引進大型真空釬焊爐的同時，引進了該公司的設(shè)計程序和工藝文件。通過技術(shù)引進，使杭氧在板翅式換熱器制造技術(shù)上不僅能生產(chǎn)低壓換熱器，而且還能生產(chǎn)高壓換熱器，為我國產(chǎn)品進入國際市場提供了技術(shù)保證。同時，經(jīng)過設(shè)計人員的努力研發(fā)，杭氧中、高壓板翅式換熱器的設(shè)計和制造技術(shù)有了很大的發(fā)展和完善，技術(shù)更加成熟，制造工藝更加完善。到目前為止，杭氧生產(chǎn)的中、高壓板翅式換熱器(3．8MPa以上)已有200多臺，且運行情況良好，從未發(fā)生過安全事故。
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8 S0 s0 I7 T! n6 k) w- t- K0 c$ @　　二高壓板翅式換熱器整體結(jié)構(gòu)
　　
　　高壓板翅式換熱器芯體由隔板、翅片和封條3部分組成。在相鄰兩隔板之間放置翅片及封條，組成一夾層，稱之為通道。對于高壓板翅式換熱器，由于承受的壓力較高，隔板與翅片、封條的釬焊要求也比較高，隔板的復(fù)合層要比低壓換熱器隔板的復(fù)合層厚，封條的寬度也需相應(yīng)增加。按，ASME規(guī)范第Ⅷ卷第一分冊uG一101的規(guī)定，凡容器或容器部件的強度難以準(zhǔn)確計算時，其最大許用工作壓力可按試樣爆破壓力來確定。板翅式換熱器芯體由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，釬焊縫的檢查受到結(jié)構(gòu)限制，不可能進行無損檢測和其他檢查，也無法做強度核算，所以只能通過試樣的爆破試驗來確定。按ASME規(guī)范規(guī)定，試樣的爆破試驗壓力應(yīng)是最大許用工作應(yīng)力的3～5倍，且以翅片母材拉伸斷裂為合格標(biāo)準(zhǔn)。對于高壓板翅式換熱器，其翅片的最大許用工作壓力相應(yīng)提高。為了達到這一要求，應(yīng)選擇性能較好的翅片材料，同時增加翅片的厚度。杭氧最常用的兩種高壓翅片特性參數(shù)見表1。

　　三設(shè)計計算
　　
; Y" }( L5 s% j6 r9 f) _　　3．1高壓翅片的選擇
　　
- o7 C! M! P. L9 v+ I$ I4 O1 }7 j　　高壓板翅式換熱器由于流體的壓力很高，杭氧在設(shè)計時一般都選用多孔形翅片。隨著空分設(shè)備設(shè)計水平的不斷提高及內(nèi)壓縮流程和高壓板翅式換熱器在石油化工行業(yè)中的普遍應(yīng)用，高壓板翅式換熱器的設(shè)計越來越復(fù)雜，流體之間的壓力等級往往差別很大，這給翅片的選擇造成了一定的難度。某一內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備主換熱器的運行參數(shù)見表2。
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　　從表2可知高壓流體的工作壓力很高，而低壓流體的工作壓力又很低。顯然對于高壓流體只能選擇多孔形翅片(到目前為止，國內(nèi)還生產(chǎn)不出最大許用工作壓力在8．0MPa以上的鋁制鋸齒形翅片)；而對于低壓流體，從翅片的傳熱面積及翅片的傳熱因子(．)方面考慮，多數(shù)情況下會選擇鋸齒形翅片，這樣在流體傳熱計算中就很難設(shè)計板式的外形尺寸(計算長度不匹配)，同時翅片選擇不當(dāng)也給制造帶來很多問題。
　　
　　經(jīng)過杭氧技術(shù)人員的努力研究，終于克服了這一設(shè)計上的難關(guān)。對于高壓流道采用最先進的高密度多孔形翅片，以增加其傳熱面積并盡量增大其傳熱因子；對于低壓流道采用節(jié)距較大的鋸齒形翅片以降低其阻力損失，同時適當(dāng)增加低壓翅片的翅片厚度，以提高整個芯體的剛性，提高釬焊的成功率。
　　
　　3．2 流道布置
　　
　　板翅式換熱器可以通過流道的不同組合，布置成逆流、錯流、順流和多程流等多種形式。對于高壓板翅式換熱器，杭氧一般都采用逆流，多股流高壓板翅式換熱器有時也采用多程流。流道的布置方式有兩種：其一是單疊布置，即1個熱流體通道與1個冷流體通道相間布置；其二是復(fù)疊布置，即2個冷流體通道與1個熱流體通道相間或者2個熱流體通道與1個冷流體通道相間布置。對于高壓板翅式換熱器，這兩種流道布置方式都可運用，但需根據(jù)具體情況來確定。

　　
( }4 r" e( W7 v# |# w" N　　3．3高壓板翅式換熱器中表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)及流體阻力的準(zhǔn)則關(guān)系
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: E: O- W" X1 \6 a% `8 u7 F　　3．4 翅片效率與表面效率
    高壓板翅式換熱器的翅片效率與表面效率由于流道布置方式的不同，其計算方法也有區(qū)別。
    3．4．1 單疊布置的翅片效率與表面效率
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1 T( h: G! K6 H6 A  g/ o　　3．4．2復(fù)疊布置的翅片效率與表面效率
　　
　　復(fù)疊布置中的單個通道的翅片效率及表面效率的計算方法與單疊布置的相同。
　　
2 R. E: Q. r( M; X3 [6 F5 `) Z( ?2 F　　復(fù)疊布置中復(fù)疊通道應(yīng)按下述方法處理。有效傳熱面為：
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　　只是其中傳導(dǎo)距離z應(yīng)取為翅片高度h。其中復(fù)疊的兩個通道只有一半的隔板表面作為一次表面，而另一半亦應(yīng)作為二次表面參加傳熱，其相應(yīng)的效率璣按式(7)計算：

　
3 |- M% N, x8 k* O; @) Z　　3．5氣流均勻分配問題
　　
　　對于高壓板翅式換熱器的高壓側(cè)流體，由于流體的壓力較高，流體在板翅式換熱器中的流速一般不會很高(對于高壓流體與低壓流體換熱的高壓換熱器)，且多采用多孔形翅片，阻力損失一般對流體的均勻分配影響很大，流體的偏流問題比較嚴(yán)重，應(yīng)引起足夠的重視，并適當(dāng)增加設(shè)計余量；而對于低壓側(cè)流體，由于流速相對于低壓換熱器流速較高，流體的阻力損失相應(yīng)增大，從而使流體在板翅式換熱器中更為均勻地流動，達到最好的換熱效果。
　　
　　四高壓板翅式換熱器的特點
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, z; |; |+ S8 g7 a　　(1)傳熱效率高。由于翅片對流體的擾動，使邊界層不斷破裂，從而具有很大的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；同時由于鋁具有很強的導(dǎo)熱性、高密度翅片具有更小的當(dāng)量直徑，使得高壓板翅式換熱器具有很高的傳熱效率。
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7 z, X& n0 w- F. i( {/ M' `　　(2)承受壓力高，降低能耗。以往高壓換熱器大多采用繞管式換熱器，因繞管式換熱器的單位體積傳熱面積小，換熱器的溫差較大，使小溫差換熱難以實現(xiàn)。空分設(shè)備是耗能較大的設(shè)備，對于大型鋼鐵企業(yè)而言每年的耗電量很可觀，一般占其總耗電量的12%，而換熱器的溫差每減小1oC，能耗可降低約2％。而高壓板翅式換熱器由于可以承受8．0MPa以上的壓力，且傳熱效果好，熱端溫差甚至可以小于2oC，其節(jié)能效果十分明顯。
　　
) L$ D2 K# u/ Z' H5 G　　(3)結(jié)構(gòu)緊湊。由于翅片具有擴展的二次表面，使得板翅式換熱器的比表面積可達1000～2500m2／m3。
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/ w, A! t8 z8 f, p) S- o　　(4)設(shè)備輕巧，適應(yīng)性大。
　　
  d5 P, y- H2 z& z0 C4 l　　五應(yīng)用前景
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2 {, K, r( D0 P+ ?/ h" d　　近年來鋁制板翅式換熱器在我國發(fā)展很快，在不斷吸取國外先進技術(shù)的條件下，生產(chǎn)工藝更趨成熟，產(chǎn)品質(zhì)量顯著提高，檢驗手段更加完善，杭氧生產(chǎn)的板翅式換熱器的使用壽命一般都在20年左右。經(jīng)濟發(fā)展推動著空分行業(yè)的進步，也推動著高壓鋁制板翅式換熱器的發(fā)展和前進，目前杭氧生產(chǎn)的高壓板翅式換熱器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于空分及石油化工行業(yè)，而且大量出口到美國等發(fā)達國家。杭氧高壓板翅式換熱器的設(shè)計與制造水平已達到20世紀(jì)90年代末期國際先進水平，為參與國際競爭奠定了堅實的基礎(chǔ)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步和高壓板翅式換熱器翅片形式及翅片材料的不斷開發(fā)，高壓板翅式換熱器將在更多行業(yè)中發(fā)揮更大的作用。

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江邊明月

好文章，的頂一下，不然說不過去。

mssy10086

就目前國內(nèi)同行業(yè)的技術(shù)水平來說杭氧相當(dāng)牛B的，

老梅meikainian

好文章，學(xué)習(xí)了