高壓板翅式換熱器的設計及應用

聶德平

一板翅式換熱器的發展現狀
　　
' Z- o$ i8 j5 L4 `　　板翅式換熱器首先應用于汽車和航空工業，20世紀50年代開始在空分設備中應用。冶金、化學工業對空分設備的大量需求，有力推動了板翅式換熱器的技術進步。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60年代中期開發成功，使我國成為繼英國、美國和日本之后第四個能夠生產這種換熱器的國家。但杭氧當時設計生產的鋁制板翅式換熱器多以低壓換熱器為主(<2．0MPa)。隨著空分技術的不斷發展，尤其是內壓縮流程的不斷成熟和應用，要求板翅式換熱器的設計壓力提高。尤其進入20世紀80年代以來，隨著我國內地和沿海油田的不斷開發和石油化工行業的快速發展，承受中、高壓的板翅式換熱器應用日趨廣泛，由于國內無法制造中、高壓力的板翅式換熱器，當時我國用于大型空分設備和石油化工設備中的中、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，引進了該公司的設計程序和工藝文件。通過技術引進，使杭氧在板翅式換熱器制造技術上不僅能生產低壓換熱器，而且還能生產高壓換熱器，為我國產品進入國際市場提供了技術保證。同時，經過設計人員的努力研發，杭氧中、高壓板翅式換熱器的設計和制造技術有了很大的發展和完善，技術更加成熟，制造工藝更加完善。到目前為止，杭氧生產的中、高壓板翅式換熱器(3．8MPa以上)已有200多臺，且運行情況良好，從未發生過安全事故。
　　
　　二高壓板翅式換熱器整體結構
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　　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，隔板的復合層要比低壓換熱器隔板的復合層厚，封條的寬度也需相應增加。按，ASME規范第Ⅷ卷第一分冊uG一101的規定，凡容器或容器部件的強度難以準確計算時，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構復雜，釬焊縫的檢查受到結構限制，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規范規定，試樣的爆破試驗壓力應是最大許用工作應力的3～5倍，且以翅片母材拉伸斷裂為合格標準。對于高壓板翅式換熱器，其翅片的最大許用工作壓力相應提高。為了達到這一要求，應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見表1。

6 k2 W( m: Q$ g9 E7 C% O　　三設計計算
　　
4 |. W2 f5 e4 v# p5 f5 c　　3．1高壓翅片的選擇
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　　高壓板翅式換熱器由于流體的壓力很高，杭氧在設計時一般都選用多孔形翅片。隨著空分設備設計水平的不斷提高及內壓縮流程和高壓板翅式換熱器在石油化工行業中的普遍應用，高壓板翅式換熱器的設計越來越復雜，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。某一內壓縮流程空分設備主換熱器的運行參數見表2。
　　
　　

　　
: ?/ z3 w" h3 y　　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，國內還生產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計板式的外形尺寸(計算長度不匹配)，同時翅片選擇不當也給制造帶來很多問題。
　　
　　經過杭氧技術人員的努力研究，終于克服了這一設計上的難關。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距較大的鋸齒形翅片以降低其阻力損失，同時適當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。
　　
( V% Z: q6 A1 t9 e　　3．2 流道布置
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　　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，但需根據具體情況來確定。

　　
　　3．3高壓板翅式換熱器中表面傳熱系數及流體阻力的準則關系
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& f1 u6 T& Y8 M' g* m) U　　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，其計算方法也有區別。
; c/ d! d8 G- i, ~' I; @" x    3．4．1 單疊布置的翅片效率與表面效率


　　3．4．2復疊布置的翅片效率與表面效率
　　
: C0 y4 p. D; r9 \. I　　復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。
　　
; N3 ]- t- e, h) K　　復疊布置中復疊通道應按下述方法處理。有效傳熱面為：
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　　只是其中傳導距離z應取為翅片高度h。其中復疊的兩個通道只有一半的隔板表面作為一次表面，而另一半亦應作為二次表面參加傳熱，其相應的效率璣按式(7)計算：

　
　　3．5氣流均勻分配問題
　　
　　對于高壓板翅式換熱器的高壓側流體，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重，應引起足夠的重視，并適當增加設計余量；而對于低壓側流體，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。
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' t  q) K8 G: X1 x, y3 I8 c* [3 B　　四高壓板翅式換熱器的特點
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1 x1 f5 f; o& |# J/ b, ]　　(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傳熱系數；同時由于鋁具有很強的導熱性、高密度翅片具有更小的當量直徑，使得高壓板翅式換熱器具有很高的傳熱效率。
　　
8 d5 S* J* b4 y　　(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。空分設備是耗能較大的設備，對于大型鋼鐵企業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，其節能效果十分明顯。
　　
" `9 B6 q- J4 p. c# b　　(3)結構緊湊。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。
　　
! y& \) y) I9 z& e2 x4 i5 S* }　　(4)設備輕巧，適應性大。
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  X: z; D* p- \, f/ T. f5 V　　五應用前景
　　
+ ?4 y4 ^9 y' m　　近年來鋁制板翅式換熱器在我國發展很快，在不斷吸取國外先進技術的條件下，生產工藝更趨成熟，產品質量顯著提高，檢驗手段更加完善，杭氧生產的板翅式換熱器的使用壽命一般都在20年左右。經濟發展推動著空分行業的進步，也推動著高壓鋁制板翅式換熱器的發展和前進，目前杭氧生產的高壓板翅式換熱器已經廣泛應用于空分及石油化工行業，而且大量出口到美國等發達國家。杭氧高壓板翅式換熱器的設計與制造水平已達到20世紀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。隨著科學技術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，高壓板翅式換熱器將在更多行業中發揮更大的作用。

江邊明月

好文章，的頂一下，不然說不過去。

mssy10086

就目前國內同行業的技術水平來說杭氧相當牛B的，

老梅meikainian

好文章，學習了