高壓板翅式換熱器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

聶德平

一板翅式換熱器的發(fā)展現(xiàn)狀
　　
/ @, ]* Y) l" |+ e　　板翅式換熱器首先應(yīng)用于汽車(chē)和航空工業(yè)，20世紀(jì)50年代開(kāi)始在空分設(shè)備中應(yīng)用。冶金,、化學(xué)工業(yè)對(duì)空分設(shè)備的大量需求,，有力推動(dòng)了板翅式換熱器的技術(shù)進(jìn)步,。在我國(guó),，鋁制板翅式換熱器由杭州制氧機(jī)集團(tuán)公司(以下簡(jiǎn)稱：杭氧)等在20世紀(jì)60年代中期開(kāi)發(fā)成功,，使我國(guó)成為繼英國(guó),、美國(guó)和日本之后第四個(gè)能夠生產(chǎn)這種換熱器的國(guó)家。但杭氧當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)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(jì)壓力提高,。尤其進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來(lái),，隨著我國(guó)內(nèi)地和沿海油田的不斷開(kāi)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(guó)內(nèi)無(wú)法制造中、高壓力的板翅式換熱器,，當(dāng)時(shí)我國(guó)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(jìn)口。
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　　1992年杭氧從美國(guó)S．w公司引進(jìn)大型真空釬焊爐的同時(shí),，引進(jìn)了該公司的設(shè)計(jì)程序和工藝文件,。通過(guò)技術(shù)引進(jìn)，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(guó)產(chǎn)品進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)提供了技術(shù)保證。同時(shí),，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)人員的努力研發(fā),，杭氧中、高壓板翅式換熱器的設(shè)計(jì)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(tái)，且運(yùn)行情況良好,，從未發(fā)生過(guò)安全事故,。
　　
　　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(duì)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(cè)u(píng)G一101的規(guī)定,，凡容器或容器部件的強(qiáng)度難以準(zhǔn)確計(jì)算時(shí)，其最大許用工作壓力可按試樣爆破壓力來(lái)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(jìn)行無(wú)損檢測(cè)和其他檢查,，也無(wú)法做強(qiáng)度核算,，所以只能通過(guò)試樣的爆破試驗(yàn)來(lái)確定。按ASME規(guī)范規(guī)定,，試樣的爆破試驗(yàn)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(duì)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(dá)到這一要求，應(yīng)選擇性能較好的翅片材料,，同時(shí)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(jiàn)表1。

　　三設(shè)計(jì)計(jì)算
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# k7 r/ d8 @. |% |  q　　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(shè)計(jì)時(shí)一般都選用多孔形翅片,。隨著空分設(shè)備設(shè)計(jì)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(jì)越來(lái)越復(fù)雜,，流體之間的壓力等級(jí)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(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表2,。
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: |( |$ y/ u* U　　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(duì)于高壓流體只能選擇多孔形翅片(到目前為止,，國(guó)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(duì)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(huì)選擇鋸齒形翅片，這樣在流體傳熱計(jì)算中就很難設(shè)計(jì)板式的外形尺寸(計(jì)算長(zhǎng)度不匹配)，同時(shí)翅片選擇不當(dāng)也給制造帶來(lái)很多問(wèn)題,。
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0 M- T8 P5 u7 Q7 Y% h　　經(jīng)過(guò)杭氧技術(shù)人員的努力研究,，終于克服了這一設(shè)計(jì)上的難關(guān)。對(duì)于高壓流道采用最先進(jìn)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(duì)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(shí)適當(dāng)增加低壓翅片的翅片厚度,，以提高整個(gè)芯體的剛性,，提高釬焊的成功率。
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6 |, e* z) d+ ~' [7 i/ u% M　　3．2 流道布置
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. B$ M# U& N- \# J. J　　板翅式換熱器可以通過(guò)流道的不同組合,，布置成逆流,、錯(cuò)流、順流和多程流等多種形式,。對(duì)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(shí)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(gè)熱流體通道與1個(gè)冷流體通道相間布置；其二是復(fù)疊布置,，即2個(gè)冷流體通道與1個(gè)熱流體通道相間或者2個(gè)熱流體通道與1個(gè)冷流體通道相間布置,。對(duì)于高壓板翅式換熱器，這兩種流道布置方式都可運(yùn)用,，但需根據(jù)具體情況來(lái)確定,。

　　
( F" }! g! x) o& @: o8 I, [　　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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5 D9 W" y+ _; E" N, }0 a1 ]　　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(jì)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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　　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(gè)通道的翅片效率及表面效率的計(jì)算方法與單疊布置的相同,。
　　
　　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(gè)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(jì)算：

　
8 u: [  J8 ?. @5 p7 L( l- d+ u　　3．5氣流均勻分配問(wèn)題
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　　對(duì)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(huì)很高(對(duì)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(duì)流體的均勻分配影響很大,，流體的偏流問(wèn)題比較嚴(yán)重，應(yīng)引起足夠的重視,，并適當(dāng)增加設(shè)計(jì)余量,；而對(duì)于低壓側(cè)流體，由于流速相對(duì)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(dòng),，達(dá)到最好的換熱效果。
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　　四高壓板翅式換熱器的特點(diǎn)
　　
' x/ P0 _. Y& l' a1 v' O　　(1)傳熱效率高,。由于翅片對(duì)流體的擾動(dòng),，使邊界層不斷破裂，從而具有很大的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),；同時(shí)由于鋁具有很強(qiáng)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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  \+ q" R% s+ V; B& {- h' 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(shí)現(xiàn),�,？辗衷O(shè)備是耗能較大的設(shè)備，對(duì)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,。
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0 j4 x/ S, W) o$ [9 C, `: d& ?6 Q　　(3)結(jié)構(gòu)緊湊。由于翅片具有擴(kuò)展的二次表面,，使得板翅式換熱器的比表面積可達(dá)1000～2500m2／m3,。
　　
　　(4)設(shè)備輕巧，適應(yīng)性大,。
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3 J8 Y) t3 p7 Q　　五應(yīng)用前景
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　　近年來(lái)鋁制板翅式換熱器在我國(guó)發(fā)展很快,，在不斷吸取國(guó)外先進(jìn)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(yàn)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(jì)發(fā)展推動(dòng)著空分行業(yè)的進(jìn)步，也推動(dòng)著高壓鋁制板翅式換熱器的發(fā)展和前進(jìn)，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(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家,。杭氧高壓板翅式換熱器的設(shè)計(jì)與制造水平已達(dá)到20世紀(jì)90年代末期國(guó)際先進(jìn)水平，為參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和高壓板翅式換熱器翅片形式及翅片材料的不斷開(kāi)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(shuō)不過(guò)去。

mssy10086

就目前國(guó)內(nèi)同行業(yè)的技術(shù)水平來(lái)說(shuō)杭氧相當(dāng)牛B的,，

老梅meikainian

好文章,，學(xué)習(xí)了