哈雷钎焊板式换热器
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浅谈板式换热器

点击:2094 日期:[ 2014-04-26 21:35:42 ]
        浅谈板式换热器                                     张晓峰                      (山西省化工设计院,山西太原,030024)     摘要:介绍了板式换热器的特点、结构以及板式换热器的各种形式。     关键词:板式换热器;壳管式换热器;钎焊式板式换热器     中图分类号:TU832.2文献标识码:A     文章编号:1005-6033(2009)10-0222-03     板式换热器[1]是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。换热器的各板片之间形成许多小流通断面的流道,通过板片进行热量交换,它与常规的壳管式换热器相比,在相同的流动阻力和泵功率消耗情况下,其传热系数要高出很多,在适用范围内有取代壳管式换热器的趋势。国外自20世纪60年代开始,板式换热器的应用已非常普遍。国内对板式换热器的应用远不及国外,这与人们对板式换热器的了解程度、使用习惯及国内产品的水平有关。20世纪70年代,我国板式换热器大多用在食品、轻工、机械等部门;20世纪80年代初期,扩大到民用建筑的集中供热;20世纪80年代中期,随着高层建筑集中空调的增多和空调制冷设备产品的更新换代,板式换热器在空调制冷领域里的应用已名列前茅。近年来,板式换热器技术日益成熟,其传热效率高、体积小、重量轻、污垢系数低、拆卸方便、板片品种多、适用范围广,在供热行业得到了广泛应用。本文将对板式换热器及其各种形式进行简单介绍。     1·板式换热器的特点     1.1技术特点     20世纪90年代板式换热器技术的主要特点有:第一,板式换热器单元和单片面积大型化。第二,采用垫片无胶连接技术,使板式换热器安装和维护的时间节约80%。第三,由一种规格的板片设计两种不同波形夹角,以满足有不同压力降要求的场合,从而扩大了应用范围。第四,板片材料多样化,已使用了不锈钢、高铬镍合金、蒙乃尔哈氏合金等,还推出了石墨式换热器。     1.2结构特点     板式热交换器主要由传热板片、密封垫圈、压紧装置及其他一些部件(如轴、接管等)组成,传热板片是板式换热器的关键元件,常用的有以下几种:人字形板、水平平直波纹板、锯齿形板;密封垫圈是板式换热器的一个关键的零件,是为了防止流体的外漏和两流体之间内漏,它安装于密封槽中,运行中承受压力和温度,而且受着工作流体的侵蚀;压紧装置包括固定与活动的压紧板、压紧螺栓,它用于将垫圈压紧,产生足够的密封力,使热交换器在工作时不发生泄漏,通过旋紧螺栓来产生压紧力。     2·各种形式的板式换热器     2.1可拆式板式换热器     可拆式板式换热器是将薄的金属板片(一般0.4 mm~0.8mm)冲压成为凸凹状,周边张贴合成橡胶类的密封垫片,每一枚传热板片为一个传热单元,必要的传热板组合成传热部,高温流体或低温流体流过各传热板形成流路时进行热交换,通过上下两根拉杆将传热部分固定在固定板(框架板)和可动板(游动板、挤压板)之间,并用长的螺栓紧固。可拆式板式换热器便于拆卸清洗,增减换热器面积灵活,在供热工程中使用较多。可拆式板式换热器受橡胶密封垫耐热温度的限制,适用于水—水传热。但是,一般的可拆卸式板式换热器由于本身结构的局限性,使用压力不超过2.5 MPa,使用温度不超过250℃,此外还存在流体与密封垫片的相容性问题。对于可拆卸式板式换热器,垫片的密封性决定了整个换热器的性能。垫片经多次松开和压紧容易损坏,需要更换,同时垫片是用机械或黏结的方式嵌入沟槽的,当使用压缩石棉垫片时,必须在表面涂上防黏剂,以防粘在换热板槽中。     2.2焊接板式换热器     焊接板式换热器可分为半焊式、组件式及全焊式。常规板式换热器的总体结构为散装式,其特点是两侧流道可全部打开进行清洗,缺点是两侧流体压差不能太大,温度不宣过高。半焊式是采用专门的焊接工艺将每两张板片沿密封槽焊在一起,然后再将每对焊好的板片用垫片组装起来,这样可使密封周边减少一半,但组焊板片内部不能用机械方法清洗,可用化学方法清洗;组件式是将若干板片预焊在一起,再用密封垫片组装起来,该结构可用于2.5 MPa,400℃和洁净介质的换热;全焊式是将所有板片焊成一个整体,只能用于不易结垢的介质进行换热,最大优点是可承受较高温度和压力,没有垫片泄漏的顾虑。以下就半焊式板式换热器及全焊式板式换热器作一简单介绍。     2.2.1半焊式板式换热器     半焊式是相对于全焊式而言的。传热板片对是焊接式换热器的核心元件,由于板片对表面扰流结构优化设计和合理装配,可使工质在较低流速下即可激起强烈的湍流,有力地破坏热边界层,消除界面热阻,强化传热过程,这正是焊接式换热器具有高效、紧凑等多种优良性能的原因。每两张板片沿密封槽采用特殊焊接方法(如激光焊)焊接成板片对,相邻板片间形成网状触点并互相支撑,明显地增强了板片的刚度。板片对的腔内即为一种工质的通道;板片对与板片对之间采用耐蚀、耐高温、耐高压且形状较简单的密封圈实现密封,组成另一种通道;两种工质在相邻的通道内均匀地逆向流动,从而完成充分的热交换过程。半焊式组装的板式换热器可以提高焊接板片对腔内介质的压力(清洁介质侧)。此外,半焊式组装的灵活程度不亚于常规板式换热器,同样可用于两种单相液体或冷凝换热。焊接通道侧可以专门用来处理具有腐蚀性的介质,对过去专用于管壳式和其他焊接结构的换热器的各种介质而言,这种结构是一种最佳的代用设备。随着板式蒸发器的开发,半焊式板式换热器可作为蒸发器或者冷凝器取代常规的降膜式设备,它使结构紧凑且又提高效益,其采用的深通道、大角孔和激光焊允许水介质及有机系统在真空和低压下蒸发及冷凝。     2.2.2全焊式板式换热器     一般情况下,板式换热器总传热系数比列管式换热器大1~3倍以上;在相同换热面积时板式换热器流通面积比列管换热器大5倍,压降小;紧凑度方面:列管式换热器为78 m2/m3,板式换热器为220 m2/m3;最小传热温差:列管式换热器为3℃~5℃,板式换热器为1℃~3℃。与列管式换热器相比,全焊式板式换热器在传热性能方面更具优势,这主要是由于:     (1)传热板片沿流体流动方向的流道断面形状不断变化,大大加强了流动的扰动,因而能在很低的雷诺数下形成湍流,从而增强了流体的传热性能。通常情况下,同一种流体在列管式换热器内当雷诺数为4 000~6 000时,才能达到湍流状态,而在全焊式板式换热器内当雷诺数为100~300时,就可达到湍流状态。     (2)板式传热元件没有管内膜阻放大效应,同时由于其光滑的传热表面、均匀的流动场及不锈钢材质,使其具有更小的污垢热阻。通常其污垢热阻仅为列管式换热器污垢热阻的1/5~1/4,可以确认的是无论在什么情况下,污垢系数不超过0.000 50 m2h℃/kJ。板式换热器不存在像列管式换热器那样的液体滞留部位,在板面上的污染附着也少,因此维修检查工作量大大减少。由于焊接型与垫片型不同,板片不能一块块地分解。从内部检及维修的必要性出发,对于小型装置在头部做成法兰结构,对于大型装置可在头部设置人孔进行内部检查。从设计上考虑,污染大的流体需要在板侧流动时,可把装置设计成竖型。实际上由于该结构本身紧凑,不需要更换垫片,没有管束的抽出,因而维修的间隔及维修的时间均可大大减少。该种换热器不仅用于液—液、液—气和气—气的单相流,也可用于蒸发、冷凝等伴有相变的热交换。这种全焊式板式换热器已使用的最大传热面积为1 900 m2,最高使用温度为72℃(传热面积290 m)2,最高使用压力4.5MPa。     全焊式板式换热器的板型结构设计合理,使传热与流体阻力特性匹配合理,故传热效率高、压降低、综合性能较佳,消除了管壳式换热器和可拆卸板式换热器存在的死区现象。采用周边组焊的板束形式,取消了密封垫片,故耐热、耐压性能优于可拆卸板式换热器。同时板片系模块化结构,可根据不同的工艺要求改变流程形式和流道面积的大小。     全焊式板式换热器体积小,传热系数高(比传统的管壳式换热器高2~4倍,比板式换热器高1.2倍),而且内部是完全焊接金属板片,独特的外壳结构能使换热器承受较高的压力和温度。     2.3钎焊式板式换热器     钎焊板式换热器由带高效传热表面的不锈钢板片组成。不锈钢板片在高温下用纯度为99%的铜钎焊而得到紧密不漏和坚固的换热器。紧凑钎焊板式换热器设计上最多由20个不锈钢波形板片组成,每个第二终板片倒转过来,以便在所有板片之间形成大量的接触点。钎焊时接触点亦焊在一起,则形成紧凑的板块,使几乎所有板材结构材料(约94%的表面)都能用于传热。板型形成2个分隔的通道,介质在其中形成对流运动,在通道系统中导致高湍流,得到优良的传热特性,即使在低速下,结垢也会保持在绝对最低状态。     钎焊板式换热器具有不用垫片、不产生泄漏、重量轻、体积小、价格较低、拆卸安装容易、传热效率高等优点。该结构对蒸汽、水或工艺流体都能适用并能在两种流体温度差异极小等状况下使用。     钎焊板式换热器可用于供热、工业冷却、油压机及压缩机油冷却、空调、冷冻食品、化工冷藏、水冷却、饮用水处理、废水处理、热回收等方面。在操作维护上,如果水中有带粒子物质,应采用过滤器,用水反向洗涤可去掉大部分软的微粒物质。对紧凑钎焊板式换热器应每隔3~5年用柠檬酸或其他不侵蚀铜及不锈钢的酸液进行反向洗涤。     2.4板壳式板式换热器     板壳式换热器的基本结构与板式换热器相似,但板间距增大,取消了垫片,改用焊接法连接各板,形成通道。由此产生了不同于板式换热器的特点:     (1)板的厚度增加,以便焊接。加上板间距的增加,使换热器单位体积的换热面积小于板式换热器,但大于列管式换热器。     (2)采用焊接后,换热器能承受的压力和温度大大增加,密封性能良好。     (3)板间距的增大使换热器被堵塞的可能性大大减少,换热器能处理的物料范围较广。     (4)物料在换热器内的流动途径与板式换热器相似,属严格的逆流。     板壳式换热器由压力容器外壳与传热板束两部分组成,压力容器外壳承受操作介质压力,没有管壳换热器上常用的设备大法兰;板束由数百个板片焊接而成。板片流道设计成波纹状,人字形排列。相邻板片走向相反,板片间相互交叉的波纹顶端形成接触点,用以承受冷热流换热介质的压差。板片流道可根据操作要求和介质的性质,设计成各种当量直径和形状。单台换热面积一般大于800 m2,最大已达1 500 m2,板片单片面积10 m2以上,采用水下爆炸成型。由板片焊接组装而成的板束固定于壳体内部的支架上,并用波纹膨胀节与壳体接管相连接。传统的板式换热器因其结构上的缺陷而使操作条件受到限制,压力上限一般为2.5 MPa,温度上限一般为200℃。板壳式换热器受压外壳承受操作压力,采用焊接结构的板束,较好地解决了高效与耐压之间的矛盾。     板壳式换热器已在制糖工业和城市集中供热中得到较多应用。城市集中供热工程是我国“十五”期间重点发展的城市基础建设之一,其目的除了给城市提供稳定可靠的高品位热源,改善人民生活环境外,还可节约能源,减少城市污染。集中供热的热源主要是热电站,其首站的热媒(抽汽式或背压式汽轮机)抽汽或者背压排汽温度一般在300℃左右,压力为0.3 MPa~1.0 MPa,根据用户用热需要,通过高峰加热器间接换热,给用户热力站提供热媒。高峰加热器是热电站给用户供热系统中的关键设备。过去国内主要选用管壳式换热器,由于存在着传热效率低、占地面积大、容易结垢、运行噪声大及同种材料制造成本高等缺点,严格影响着供热品质和系统的正常运行,并且投资和维修费用较高。板壳式换热器最适合于介质清洁、换热量大和压降小的场合,在国内外供热工程应用较广泛。     3·结语     现代板式换热器的使用已遍及食品、酿造、化工、机械、冶金、发电、交通运输等各个行业,而且与传统的管壳式换热器相竞争。作为一种高效紧凑式换热器,在加热、冷却、冷凝、蒸发和热回收过程中,除了高温、高压和特殊介质条件外,板式换热器均已替代管壳式换热器。经试验证明在板式换热器适用范围内,在绝大多数工况时,用不锈钢板式换热器比一般碳钢换热器投资低得多,而且可以预见在这个范围内板式换热器与管壳式换热器的竞争会更加激烈。此外,不论何种形式的板式换热器,其产品技术水平、质量、品种规格等方面与国外先进水平相比仍存在很大差距,所以我们仍需进一步改进板式换热器现行结构、扩大其应用范围。     参考文献     [1]杨崇麟.板式换热器工程设计手册[M].北京:机械工业出版社,1998.(实习编辑:薛艳)
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