華科大低溫技術(shù)原理與設(shè)備講義09板翅式換熱器

第九章板翅式換熱器第一節(jié)板翅式換熱器概述一、板翅式換熱器的發(fā)展板翅式換熱器首先使用于汽車與航空工業(yè)中，最早生產(chǎn)的是銅墻質(zhì)浸焊的板翅式換熱器。本世紀(jì)四十年代中期出現(xiàn)了更輕巧的鋁質(zhì)浸焊板翅式換熱器，隨后研究與使用了更多結(jié)構(gòu)形式的翅片，使得板翅式熱熱器趨于更加緊湊、輕巧。五十年代開始在空氣分離設(shè)備中應(yīng)用板翅式換熱器，因而板翅式換熱器的研究、試驗(yàn)、設(shè)計(jì)與制造也得到有力的推進(jìn)。目前，板翅式換熱器正在低溫技術(shù)、化工、制冷等一些工業(yè)部門推廣使用。板翅式換熱器在期初期的發(fā)展階段，由于人們對其傳熱機(jī)理及設(shè)計(jì)依據(jù)缺乏認(rèn)識，再加上結(jié)構(gòu)與工藝方面也存在著一些問題，因此在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)處于摸索階段。二十世紀(jì)四十年代，美國諾利斯以及美國海軍研究署、船舶局、航空局等在這方面做了大量的研究工作，后來凱斯和倫敦二人編著了《緊湊式換熱器》，較系統(tǒng)地總結(jié)了研究成果，在目前這已成為設(shè)計(jì)板翅式換熱器的基本參考文獻(xiàn)。板翅式換熱器發(fā)展中的另一方面問題是制造工藝。板翅式換熱器制造工藝中碰到的主要問題是局部脫焊（即在釬焊過程中局部沒有燭牢而形成薄弱的環(huán)節(jié)），這導(dǎo)致板翅式換熱器承壓能力下降，或在承受交變負(fù)載的切換式換熱器中產(chǎn)生疲勞破壞。這個(gè)問題經(jīng)歷了一個(gè)漫長而曲折的過程才得到解決。我國板翅式換變器的研制開始于六十年代的中期，由杭州制氧機(jī)廠、杭州制氧機(jī)研究所、營口通風(fēng)機(jī)構(gòu)廠、開封空分設(shè)備廠、上海第一五金廠等單位協(xié)作，先后研制了6000、3200、10000m3/h等空氣分離設(shè)備中應(yīng)用的板翅式換熱器。后來，機(jī)械工業(yè)部組織了攻關(guān)小組，重點(diǎn)解決了制造中的某些關(guān)鍵性問題。1972年9月，機(jī)械工業(yè)部在開封召開的“板翅式換熱器制造技術(shù)攻關(guān)經(jīng)驗(yàn)交流會”系統(tǒng)地總結(jié)了前一階段的研制與攻關(guān)經(jīng)驗(yàn)，制定了有關(guān)的技術(shù)文件，為我國的板翅式換變器的設(shè)計(jì)及制造打下了一個(gè)良好的基礎(chǔ)。對于無相變板翅式換熱淚盈眶器的傳熱機(jī)理與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)目前已經(jīng)基本掌握，但是當(dāng)涉及到相變換熱，特別是對于多股流、多組分的相變換熱，目前進(jìn)行的研究尚少，資料出較欠缺。二、板翅式換熱器在低溫技術(shù)中的應(yīng)用。1．板翅式換熱器在氣體離中的應(yīng)用目前，板翅式換熱器已被廣泛應(yīng)用在人氣分離設(shè)備中。空氣分離設(shè)備使用板翅式換熱器所帶來的好處是：（1）鋁制板翅換熱器可以在低溫下工作，取代了昂貴的銅制換熱器：（2）由于高效率、緊湊和輕巧等特點(diǎn)，使得空氣分離設(shè)備采用板翅式換熱器之后外形尺寸縮小，跑冷損失減少，膨脹空氣量減少、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)提高；同時(shí)由于整個(gè)設(shè)備熱容量的減少，啟動時(shí)間縮短；（3）采用切換式板翅式換熱器代替蓄冷器之后，由于尺寸縮小、切換周期延長，可以減少切換時(shí)的空氣放空損失，降低電耗，使空氣分離設(shè)備的運(yùn)行工況更加穩(wěn)定。但是板翅式換熱器并不能完全取代蓄冷器。因板翅式熱器受釬接容量的限制，單元尺寸不能很大；而使用多單元的板翅式換熱器的組合時(shí)，單元之間與流道之間氣流難以均勻分配，外部管網(wǎng)連接又較復(fù)雜。因此在特大容量的空氣分離設(shè)備中，板翅式熱器還得讓位于蓄冷器。除了空氣分離以后，板翅式換熱器還廣泛地應(yīng)用于天然氣及合成氧尾氣的分離設(shè)備中。2．板翅式換熱器在深低溫領(lǐng)域中的應(yīng)用板翅式換熱器可以在200℃到絕對零度的溫度區(qū)間工作。對于液氫和以液氫精餾生產(chǎn)重水的裝置，板翅式換熱器在氫純化工藝中獲得滿意的使用效果，它能夠滿足在液氫溫度下制水的裝置，板翅式換熱器在氫紅化工藝中獲得滿意的使用效果，它難免滿足在液氫溫度下抽取氘的全部工藝要求。六十年代以后，板翅式換熱器用于更低的溫區(qū)，在大型氦液化器與氦制冷裝置中，板翅式換熱器也得到廣泛的應(yīng)用。板翅式換熱器根據(jù)其地構(gòu)的特點(diǎn)，比較適合于在低、中壓范圍內(nèi)工作，故對于深低溫領(lǐng)域用的板翅式換熱器需要進(jìn)一步研究，以提高其承壓能力。三、板翅式換熱器的特點(diǎn)1．傳熱效率高由于翅片對流體的擾動，使邊界層不斷破裂，因而具有較大的換熱系數(shù)；同時(shí)由于制造板翅式換熱器金屬的高導(dǎo)熱性，所以使得板翅式換熱器可以達(dá)到很高的效率。2．緊湊由于板翅式換熱器具有擴(kuò)展的二次表面，使得它的比表面積可達(dá)1000~2500m2/m3。3．輕巧由于緊湊且多由鋁合金制造，所以顯得輕巧。4．適應(yīng)性大板翅式換熱器可以適用氣一氣、氣一液、液一液間各種不同流體的換熱，以及發(fā)生集態(tài)變化經(jīng)的相變換熱。通過流道的布置和組合能夠適應(yīng)逆流、錯(cuò)流、多股流、多程流等不同的換熱工況。通過單元間串聯(lián)、并聯(lián)、串并聯(lián)的組俁可以滿足不同的換熱需要。工業(yè)上可以定型成批生產(chǎn)，以降低成本，擴(kuò)大互換性。5．板翅式換熱器制造工藝復(fù)雜，要求嚴(yán)格。6．容易堵塞，不耐腐蝕，清洗檢修較困難。第二節(jié)板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)一、翅片的結(jié)構(gòu)參數(shù)翅片的幾何尺寸常用圖9—1所示的符號表示。根據(jù)幾何尺寸、翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算公式如下：水力半徑 （9—1）當(dāng)量直徑 （9—2）每層通道自由截面積 （9—3）每層通道傳熱表面積` （9—4）板束層通道自由截面積 （9—5）板束層通道傳熱表面積 （9—6）一次表面面積 （9—7）二次表面面積 （9—8）國產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)翅片的結(jié)構(gòu)參數(shù)風(fēng)表9—1。在文獻(xiàn)[2]中，提供有56種翅片的結(jié)構(gòu)參數(shù)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)。表9—1國產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)翅片的結(jié)構(gòu)參數(shù)翅片型式翅高(mm)翅厚(mm)翅距(mm)通道截面積①(m2)傳熱面積②(m2)當(dāng)量直徑(mm)二次表面所點(diǎn)的面積比例平直形9.56.54.70.20.30.31.72.12.00.008210.005310.0037412.77.616.12.582.792.450.8610.7750.722鋸齒形9.56.54.73.20.20.30.30.31.72.12.03.50.008210.005310.003740.0026512.77.616.13.492.582.792.453.040.8610.7750.7220.476打孔形6.54.73.20.30.30.32.12.03.50.005310.003740.002657.615.63.32.792.453.040.7750.6960.445①通道截面積是指有效寬度W=1m時(shí)每層通道的Ai值。②傳熱面積是指有效寬度W=1m、有效長度L=1m時(shí)每層通道的Fi值。二、板翅式換熱器的基本無件枝翅式換熱器板束的基本結(jié)構(gòu)及基本元件，見圖9—2，它是由隔板、翅片、封條、導(dǎo)流板等組成。在相鄰兩隔板之間放置翅片及封條，組成一夾層，稱為通道。將這樣的夾層根據(jù)流體的不同流動方式疊置起來，釬焊成一整體，便組織板束。板束是板翅式換熱器的核心部分，配以必要的封頭、接管、支承就組成了板翅式換熱器。（一）翅片翅片是板翅式換熱器的基本元件，板翅式換熱器中的傳熱過程主要是通過翅片的熱傳導(dǎo)以及翅片與流體之間的對流換熱來完成的。翅片的作用是：（1）擴(kuò)大傳熱面積，提高換熱器的緊湊性，翅片可看做是隔板的延伸和擴(kuò)大，同時(shí)由于翅片具有比隔板大得多的表面積，因而使緊湊性明顯增大。（2）提高傳熱效率，由于翅片的特殊結(jié)構(gòu)，流體在通道中形成強(qiáng)烈的擾動，使邊界層不斷地破裂或更新，從而有效地降低了熱阻，提高了傳熱效率。（3）提高換熱器的強(qiáng)度和承壓能力，由于翅片的支撐加固，使板束形成牢固的整體，所以盡管隔板起翅片都很薄，但卻能承愛一定的壓力。根據(jù)不同的工質(zhì)和不同的傳熱情況，可以采用不同結(jié)構(gòu)型式的翅片。常用的幾種翅片結(jié)構(gòu)型式見圖9—2。2．鋸齒形翅片鋸齒形翅片可看做平直翅片切成許多短小的片段并相互錯(cuò)開一定間隔而形成的間斷式翅片。這種翅片對促進(jìn)流體的湍動，破壞熱阻邊界層十分有效，屬于高效率翅片。但流體通過鋸齒形翹片時(shí)其流動阻力相應(yīng)增大。鋸齒形翅片普遍用在需要強(qiáng)化傳熱（尤其是氣側(cè)）的場合。3．多孔翅片多、孔翅片系先在薄金金屬片上沖孔，然后再沖壓或滾軋成形。翅片上密布的小孔使熱阻邊界層不斷地破裂，從而提高了傳熱性能。也有利于流體均布，但在沖孔的同時(shí)，也使翅片傳熱面積減少，翅片強(qiáng)度降低。多孔翅片主要用作層流板以及流體中夾雜著顆?；蛳嘧儞Q熱的場合。4．波紋翅片波紋翅片是將薄金屬板沖壓或滾軋成一定的波形，形成彎曲流道，不斷改變流體的流動方向，以促進(jìn)流體的湍動，分離和破壞熱阻邊界層，其效果相當(dāng)于翅片的折斷。波紋愈密、波幅愈大，越能強(qiáng)化傳熱。（二）隔板隔板的作用在于分隔并形成流道，同時(shí)承受壓力。隔板尚盧一次傳熱表面的作用，故其厚度應(yīng)有滿足承壓的條件下盡可能減薄。隔板通常使用兩面涂覆鋁硅合金薄層的復(fù)合板。隔板與翅片、隔板與封條之間的釬焊邊接就是依靠這一薄層的鋁硅作為焊料釬焊成牢固整體的。（三）封條封條出叫側(cè)條，它位于通道的四周，起到分隔、封閉流道的作用。板翅式換熱器的封條有多種形式，常用的有如圖9—3所示的燕尾槽型、矩形截面型等。封條上、下兩面向兩側(cè)具有斜度為3%的斜率，這是為了在與隔板組合成板束時(shí)形成縫隙，便于釬接焊料滲入而形成飽滿的釬接焊縫隙。封條與封條之間采用圖9—4所示的連接方式。（四）導(dǎo)流板與封頭導(dǎo)流板位于流道的兩端，其作用是為了引導(dǎo)由進(jìn)口管經(jīng)封頭流入板束的流體，使之均勻地分布于流道之中；或是匯集從流道流出的流體，使之經(jīng)過封頭由出口管排出。此外，導(dǎo)流板尚有保護(hù)翅片與避免通道堵塞的作用。導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則可以概括為：（1）保證流道中流體的均勻分析，流體由進(jìn)、出口管到流道之間的順利過渡；（2）在導(dǎo)流板中流體阻力與傳熱應(yīng)保持在最小的恒定值（在板翅式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算中，有效長度通常均采用板束全長扣除導(dǎo)流板長度以后的數(shù)值）；（3）導(dǎo)流板的耐壓強(qiáng)度應(yīng)該與整個(gè)板束的承壓能力匹配；（4）便于制造。導(dǎo)流板的布置形式與封頭及換熱器的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，如圖9—5所示。封頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要取決于工作壓力、氣流數(shù)、換熱器的流道布置以及是否切換等等。對于工作壓力較高的板翅式換熱器以及頻繁切換的切換熱器，其封頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤應(yīng)注意連接斷面的強(qiáng)度，一般應(yīng)采用小封頭的結(jié)構(gòu)或其它加強(qiáng)措施，以保證強(qiáng)度。三、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(cuò)流、順流、多股流、多程流，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖9—6。逆流是用得最普遍，也是最其本的流道布置形式。錯(cuò)流一秀用在其有效溫差并不明顯地低于逆流顯差的場合，或一側(cè)流體的溫度變化不大于冷、熱流體最大濁差之半的情況。例如空氣分離設(shè)備中的液化器，采用錯(cuò)流布置可以向低壓氣流提供較大自由流通截面的通道和較短的流道長度，而有效溫差并不明顯降低。多股流用于多種流體同時(shí)進(jìn)行換熱，如空氣分離設(shè)備中的切換式換熱器。多程式流用于壓力相差很大的兩種流體之間的熱交換，高壓側(cè)布置成多回路、小截面以保持較高的流速。板翅式換熱器由于工藝條件的限制，單元尺寸不能做得很大（目前最大的板束單元尺寸約為1200×1200×7000mm）。大型板翅式換熱器需要通過許多單元板束的串聯(lián)、并聯(lián)進(jìn)行組合。在單元組合時(shí)，很重要的一個(gè)問題就是如何使流體在這些單元板束中均勻分配。單元組合基本上有如圖9—7所示的三種方式。從流體均勻角度應(yīng)盡量采用對稱形，避免并流形。同時(shí)由于各單元?dú)怏w阻力可能不相等，組俁時(shí)應(yīng)注意匹配得當(dāng)。工藝管道布置也要注意這一點(diǎn)。串聯(lián)組裝、并聯(lián)組裝及串聯(lián)混合組裝的示意圖見圖9—8至9—10。五、空氣分離設(shè)備中的板翅式換熱器板翅式換熱器的基本結(jié)構(gòu)已如前述，作為應(yīng)用例子僅舉出在空氣分離設(shè)備中普遍應(yīng)用的中種換熱器。1．切換式換熱器空氣分離設(shè)備中的切換式換熱器是用來實(shí)現(xiàn)空氣與污氮及氮、氧等產(chǎn)品氣體之間的熱交換，并使空氣中的水分、二氧化碳凍結(jié)清除。老的6000m3/h空氣分離設(shè)備的切換式換熱器的熱段見圖9—11，它共有兩大組，每大組有5小組并聯(lián)，每小組有兩個(gè)單元板束串聯(lián)組成。新的6000m3/h空分設(shè)備的切換式換熱器分為兩組，每組4個(gè)單元；冷段、熱段各為一個(gè)單元，即冷段、熱段串聯(lián)成為一列，兩列并聯(lián)為一組，兩組組成整個(gè)切換式換熱器。單元尺寸為3300×1000×1140mm，每個(gè)單元有101個(gè)通道。新老結(jié)構(gòu)對比，新結(jié)構(gòu)的主要改進(jìn)在于：通道排列方式有了改進(jìn)；冷段適當(dāng)加長，提高了環(huán)流出口溫度，并使CO2凍結(jié)清除的條件得到改善；單元尺寸加大，單元數(shù)減少，有利于氣流均布并使管網(wǎng)系統(tǒng)簡化。而且新結(jié)構(gòu)的切換式換熱器的翅片成型、釬接質(zhì)量、焊接結(jié)構(gòu)、壽命等都有明顯提高，因而被列為國家優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。切換式換熱器的特點(diǎn)是：（1）氣一氣換熱由于換熱系數(shù)較小，所以采用相對高而薄的（9.5×0.2×1.7mm或9.5×0.2×1.4mm）鋸齒形翅片；（2）為凍結(jié)清除空氣中的H2O、CO2，空氣與污氮通道數(shù)相等，氣流定期切換；（3）多股流換熱熱段4股、冷段5股（冷段增加一股環(huán)流，以保證不凍結(jié)性）。2．冷凝蒸發(fā)器冷凝蒸發(fā)器的作用是使下塔頂部氮?dú)饽Y(jié)，上塔底部液氧蒸發(fā)，以提供下塔的回流液和上塔的上長江蒸氣。老的6000m3/h空氣分離設(shè)備冷凝蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)見圖9—12。新的6000m3/h空分設(shè)備的冷凝蒸發(fā)器由5個(gè)單元組成，星形排列，單元尺寸為2100×750×560mm。每個(gè)單元81層通道，其中奇數(shù)41層為氧通道，偶數(shù)40層為氮通道。與老結(jié)構(gòu)相比，其主要改進(jìn)在于：改善了板束的冷凝蒸發(fā)器中的分布，還有利于傳熱與流體動力工況。冷凝蒸發(fā)器采用板翅式的特點(diǎn)是：（1）兩側(cè)均勻相變換熱，換熱系數(shù)較大，故采用相對低而厚的（6.5×0.3×2.1mm）打孔翅片或平直翅片；（2）一般采用星形單層或多層排