哈雷钎焊板式换热器
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板式换热器在制冷技术中的应用与发展

点击:2132 日期:[ 2014-04-26 22:00:48 ]
                            板式换热器在制冷技术中的应用与发展                                    何国庚 包相继 郑 泠                                   华中理工大学动力工程系     介绍了板式换热器的结构与特点,分析了制冷系统对板式换热器的特殊要求,介 绍了制冷用板式换热器的结构及其特点,对板式换热器在制冷技术中的应用与发展进行了探讨。     关键词:板式换热器 焊接式     1 前言     板式换热器是一种高效、紧凑的换热设备。 19世纪80年代它是首先作为连续低温杀菌器研制成功的,到本世纪20年代开始应用于食品工业。由于板式换热器在制造和使用上都有一些独特之处,因此一旦在工业上应用成功,其发展就异常迅速,应用范围不断扩大。目前,板式换热器已经广泛地应用于石油、化工、轻工、电力、冶金、机械、能源动力等工业领域,成为换热器家族中一种极有竞争力的品种,甚至在某些应用领域已经开始取代传统的管壳式换热器,显示出极其强劲的发展势头。在制冷技术中,换热器是不可缺少的制冷 设备,冷凝器、蒸发器、回热器以及中间冷却器等换热设备,不仅在重量、体积和金属耗量上占整个制冷装置的50%以上,而且对制冷性 能也会产生重大影响。因此,强化制冷换热器的传热,减少重量和体积,降低金属消耗量一直是制冷技术的重要研究方向。近年来,随着板式换热器制造技术的发展,出现了一种新型的、全焊接式的板式换热器,开始了板式换热器在制冷技术中的应用,并且表现出强劲的发展潜力。     2 板式换热器的结构与特点     一般地,板式换热器主要是指板框式换热器(PHE)。它主要由若干长方形的薄金属片(即传热板片)相互叠置压紧而成。最初的传热板片是在金属平板上铣出一道道沟槽,这种板片加工复杂而且笨重。1923年出现了用铸造的青铜板片组合而成的板式换热器,并投入了批 量生产。到本世纪30年代,由于用不锈钢薄板 和铜薄板压制成的波纹板片的出现,才奠定了现代板式换热器的发展基础。目前,板式换热器的传热板片都是由金属薄板冷压成形,不仅易于实现大量生产,而且大大降低了传热板片的厚度,提高了紧凑性,改善了传热性能。                       板式换热器的典型结构如图1所示。它由传热板片、密封垫片、固定压紧板、活动压紧板、上下导杆、支撑架以及压紧螺栓螺母等零件组成。密封垫片按流道设计要求粘贴在传热板片的垫片槽内,然后将传热板片按一定顺序置于活动压紧板与固定压紧板之间,用压紧螺栓将它们夹紧。由于传热板片呈凹凸波纹状,因而相邻板片间将形成许多接触点,并保持一定的间隙,形成换热流体的流道。被压紧的垫片 则可防止流体泄漏和不同换热流体相互混合。换热流体则从固定压紧板或活动压紧板上的接管中进出,并相间地在传热板片的流道中流动 换热。     与壳管式换热器相比,板式换热器具有十 分明显的优点:     (1)结构简单,制造方便     如图1所示,板式换热器的零件数量很少, 通用性很高,只需改变传热板片的数量就可以 得到不同传热面积的板式换热器,而且组装简 单方便,焊接等热加工量很少。     (2)传热效率高,有效传热温差大     目前,板式换热器传热板片的波纹形式达 二十余种,最常用的有人字形、水平平直形和锯齿形等。这些板片叠置在一起时形成的众多的接触点使得流体在狭窄的板间流动时,即使流速很低,雷诺数仅为100—500时就可产生旺盛紊流,提高传热效率。当进行水—水换热时, 在相同的雷诺数下,传热系数可达2000— 5000W/m2K,比壳管式换热器高2—5倍[1]。而且冷热流体还可实现理想的逆流换热,因而有效温差大,甚至可以处理近乎1℃的微小温差传热,这是壳管式换热器所无法实现的。     (3)体积小,重量轻,价格便宜     由于板式换热器的传热系数高,有效传热温差大,加上传热板片薄(一般在0.5mm左 右),板片间距小(一般在2—5mm之间),因而其紧凑性高达1500m2/m3,金属消耗量仅为16kg/m3[2]。在相同的热负荷下,它的体积只有壳管式换热器的1/3左右,重量则要轻2—5 倍。在相同材料情况下,板式换热器的费用也比壳管式低[1],如图2所示,在相同热负荷下, 全不锈钢的板式换热器甚至比全碳钢的壳管式换热器还要便宜。                        (4)结垢少,可靠性高     由于流体在板式换热器中流动时湍流剧烈,而且在板式换热器中几乎没有任何流动死 角和滞流区,因而难以在传热板片上结垢,其结垢系数比壳管式要小一个数量级,经久耐用, 可靠性高。     (5)可拆卸,便于清洗和维护     由于板式换热器是依靠密封垫片进行密封、用螺栓螺母夹紧的,因此在遇到故障或进行检修时,可将所有零件拆开,十分便于清洗和维护。     板式换热器的这些特点使得它在近几十年来发展迅猛,并由主要进行单相介质的传热发展到相变传热,文献[3]、[4]就国内外各种板式蒸发器和板式冷凝器的类型、结构、工作原理以及传热性能等作了详细的介绍,文献[4]还 对板式冷凝器的传热计算进行了探讨。但这些 板式蒸发器和板式冷凝器仍局限于板框式换热 器(PHE),工作压力与工作温度都较低。由于制冷系统的特殊要求,这些板式换热器并未在制冷技术中得到应用。     3 板式换热器在制冷技术中的应用与发展     3.1 制冷系统对板式换热器的要求     如前所述,板式换热器是依靠密封垫片来密封的,这样,密封垫片的承压耐温能力就决 定了板式换热器的使用范围。一般情况下,这种板式换热器最大允许压力为1MPa左右,特 殊情况下可达2MPa;最高允许温度为260℃ (压缩石棉垫片)[5]。然而,在制冷装置中,一般工作压力在1.6MPa左右,而在风冷系统中,工作压力可能在2MPa以上。因此,对于制冷换热器,为保证使用安全,国标规定其强度试验 压力为3MPa。目前还没有任何板式换热器的密封垫片能够达到这个要求。另外,制冷剂是处于一个密闭的循环系统中,不允许有任何的泄漏,否则不仅会影响制冷机的性能,导致制 冷剂泄漏产生的经济损失,还会造成不必要的环境污染。而一些常用的制冷剂如氨、R22和 R134a等都具有很强的渗透性,并且对许多橡 胶和塑料制品有膨润作用。因此,改善密封性能,提高密封能力是板式换热器应用于制冷技术中的前提条件。     3.2 制冷用板式换热器的结构与特点     为了解决板式换热器承压能力不足和密封 性能较差的问题,使其得以在制冷技术中使用, 近年来,出现了一种全焊接式的板式换热器 (CBE),受到了制冷界的重视,并开始在制冷装 置中得到应用。                             如图3所示,这种板式换热器仅由传热板 片和两端的端板组成,传热板片之间、传热板片与端板之间以及需要密封的通孔周围等所有 的密封部位都是依靠真空钎焊完成,没有了前述板式换热器的密封垫片、上下导杆、支撑架 以及螺栓螺母等零件,结构更加简单,更加紧 凑牢固。它的最高工作温度为225℃,最低工作 温度为流体的冻结温度;最大工作压力为3MPa,最小工作压力为真空,完全可以满足制冷换热器的使用条件。这种换热器通常采用不锈钢板片,耐腐蚀,不易结垢,能适应恶劣工 况,并具有足够的强度和刚度;采用人字形波纹形式,可使相邻板片间形成更多的接触点,既可增加板片之间的相互支撑,即使承受了3MPa的压力,仍可使传热板片的厚度降低,又更容易产生流动漩涡,形成旺盛紊流,提高传 热效率。     与制冷用壳管式换热器相比,除了具有板式换热器的一般特点(可拆卸性除外)外,制冷用板式换热器还具有如下特点:     (1)制冷剂充灌量少,有利于环境保护和 降低运行成本 壳管式换热器的壳侧和管侧的容积都很 大,要使制冷系统正常工作,必须充灌大量的 制冷剂,一旦发生泄漏等故障,不但会损失大 量的制冷剂,而且还可能造成环境污染。而板 式换热器一方面整个体积小,另一方面板片间 距又小,因此它的内容积很小,所能容纳的制 冷剂量很少,每1kW热负荷只需65g制冷 剂[6],其充灌量只有壳管式的1/7左右。     (2)冻结倾向少,抗冻性能高     由于水在低流速时,就能在板式换热器中 形成高度紊流,温度分布非常均匀,从而减少 了冷冻水的冻结倾向。即使发生了冻结,也更 能承受结冻所产生的压力,而不象壳管式换热 器那样容易使传热管胀裂,并且可以在结冻后 继续使用。     (3)蒸发彻底,经济性高     制冷剂在制冷用板式换热器中蒸发时很容 易实现完全蒸发,达到无液态程度,因此在大多数情况下,制冷系统无须设置气液分离器。并 且极易实现单元化,安装简单方便,维修和运 输都可节约成本。     3.3 制冷用板式换热器的应用与发展 由于与传统的壳管式换热器相比,制冷用 板式换热器具有十分明显的发展优势,自70年 代开始在制冷装置中得到应用以来,已经日益 受到人们的重视,特别是许多发达国家,如欧 洲、美国、日本、澳大利亚等都非常重视制冷 用板式换热器的研究和应用。日本在80年代初 开始研制制冷用板式换热器,并在制冷装置中 使用,收到了良好的经济效益,得到了高度的 评价[7]。瑞典SWEP公司是目前世界上最大的 板式换热器专业生产公司之一,该公司始建于 1983年,到1992年时,其营业额就高达3000 万美元,其中钎焊型板式换热器(CBE)占该公 司产品的78%上,用于制冷装置中的板式换热 器占该公司产品的一半以上,且以20%以上的 年增长率增长。世界上一些著名的制冷公司如 约克、开利、川恩、日立、前川等也都相继在 制冷装置中采用制冷用板式换热器。这种钎焊 型板式换热器由于采用纯铜作焊接剂,主要应 用在氟利昂制冷系统,不能在对铜有腐蚀作用 的氨制冷系统中使用。进入90年代后,制冷用 板式换热器又得到进一步发展,一种能够应用 于氨制冷系统的板式换热器在瑞典斯特尔公司 研制成功。这种新型的组合式板式换热器 (WPHE)结合了板框式(PHE)和钎焊式(CBE) 的特点,在氨侧采用焊接密封,在载冷剂侧仍 采用垫片密封。与氟利昂制冷系统相比,采用 这种板式换热器的氨制冷系统不仅在机组材 料、体积重量上有明显的优势,而且性能系数 也要高10%—20%。目前,这种系统已经形成 8个产品,冷量从10kW—1000kW[8]。氨用板式 换热器的开发成功不仅拓宽了板式换热器在制 冷技术中的应用范围,而且对于保护大气臭氧 层,保护环境都有重要意义,同时也必将促进 制冷技术的进一步发展[9]。     我国自60年代初开始生产板式换热器,到 1994年,以节能型产品定点的板式换热器生产 厂家即达15家,并且一些厂家还进行了板式蒸 发器及其传热特性的研究工作[10]。然而这些厂 家也仅限于生产板框式换热器(PHE)。在我 国,制冷用板式换热器的应用尚处于起步阶段, 但应用规模不断扩大,许多制冷厂家,如上海 冷气机厂、天津开利、北京万众、上海新晃等, 都在自己的产品中采用了制冷用板式换热器, 尽管要从国外进口,但其发展势头仍然十分强 劲。如上海冷气机厂1994年开发的空气-水热泵机组采用了SWEP公司的制冷用板式换热器,一投产就受到了用户的青睐,该厂以这一 产品为龙头,1995年的产值就达2.70亿元。可 以预计,随着对制冷用板式换热器的了解和认识,板式换热器以其高效传热、结构紧凑、节能节材并具环保功能等特点,必将会越来越广泛地应用于制冷装置中。     4 结束语     板式换热器是一种高效、紧凑的换热设备, 它的应用几乎涉及到所有的工业领域,而且其 类型、结构和使用范围还在不断发展。近年来, 焊接型板式换热器开始在制冷装置中作为主要 的换热设备得到应用,极大地提高了制冷装置 的紧凑性,减轻了重量,改善了制冷性能,降低 了材料和运行成本,其优越性已越来越为人们 所认识。随着我国经济的发展,制冷技术的发展前途远大,特别是各种大型的工业用制冷装置和空调用制冷装置发展迅速,这为各种制冷用板式换热器的应用提供了广阔的市场。目前,我国已有较好的板框式换热器研究、生产基础,建议尽快进行制冷用板式换热器的研究与开发工作,一方面可扩大板式换热器的应用范围和生产规模,另一方面可提高制冷装置的性能,节约换热设备的投资,促进制冷技术的发展。     参 考 文 献     1 Raju K S N, Jagdish Chand. Consider the plate heat ex- changer. Chemical Engineering, 1980, 87 (16)     2 兰州石油机械研究所主编.换热器(中).烃加工出版社, 1988.     3 江承忠.国内外板式蒸发器进展.化工装备技术, 1993, 14 (4)     4 朱曾用.板式冷凝器.化工装备技术, 1991, 12 (3)     5 Palen J W.Heat Exchanger Sourcebook.America:Hemi- sphere Publishing Corporation, 1986.     6 Jurgen Bottger.Plattenwarmeauscher in der Kaltechnik. Lalte-und  Klimatechn, 1991, 44 (9)     7 平井美敏.冷冻用ブレ-ト式热交换器.配管と装置, 1994, 34 (6)     8 Plate Heat Exchanger Boost Refrigeration.Chemical En-  gineering, 1991, 98 (10)     9 New Heat Exchange Helps Boost Ammonia Capacity. Chemical  Engineering, 1993, 100 (12)     10 江承忠.降膜式板式蒸发器的传热特性.化工装备技术, 1988, 9 (3) 
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