第九章 板翅式换热器.ppt

CRYOGENICS低温实验室第九章 板翅式换热器第一节 板翅式换热器概述 一、板翅式换热器的发展板翅式换热器首先使用于汽车与航空工业中，最 早生产的是铜墙质浸焊的板翅式换热器本世纪四十年代中期出现了更轻巧的铝质浸焊板 翅式换热器五十年代开始在空气分离设备中应用板翅式换热 器目前，板翅式换热器正在低温技术、化工、制冷等 一些工业部门推广使用 CRYOGENICS低温实验室v二十世纪四十年代，美国诺利斯以及美国海军研究 署、船舶局、航空局等在板翅式换热器的传热机理 及设计依据方面做了大量的研究工作，后来凯斯和 伦敦二人编著了《紧凑式换热器》，较系统地总结 了研究成果，在目前这已成为设计板翅式换热器的 基本参考文献v板翅式换热器发展中的另一方面问题是制造工艺 主要是局部脱焊（即在钎焊过程中局部没有烛牢而 形成薄弱的环节），这导致板翅式换热器承压能力 下降，或在承受交变负载的切换式换热器中产生疲 劳破坏这个问题经历了一个漫长而曲折的过程才 得到解决 CRYOGENICS低温实验室v我国板翅式换变器的研制开始于六十年代 的中期v1972年9月，机械工业部在开封召开的“板 翅式换热器制造技术攻关经验交流会”系统 地总结了前一阶段的研制与攻关经验，制 定了有关的技术文件，为我国的板翅式换 变器的设计及制造打下了一个良好的基础 。

CRYOGENICS低温实验室二、板翅式换热器在低温技术中的应用 v1．板翅式换热器在气体分离中的应用v目前，板翅式换热器已被广泛应用在空气分离设备 中空气分离设备使用板翅式换热器所带来的好处 是：（1）铝制板翅换热器可以在低温下工作，取代了 昂贵的铜制换热器；（2）由于高效率、紧凑和轻巧等特点，使得空气 分离设备采用板翅式换热器之后外形尺寸缩小，跑 冷损失减少，膨胀空气量减少、经济指标提高；同 时由于整个设备热容量的减少，启动时间缩短； CRYOGENICS低温实验室（3）采用切换式板翅式换热器代替蓄冷器之后，由 于尺寸缩小、切换周期延长，可以减少切换时的空 气放空损失，降低电耗，使空气分离设备的运行工 况更加稳定但是板翅式换热器并不能完全取代蓄冷器因板翅 式换热器受焊接容量的限制，单元尺寸不能很大； 而使用多单元的板翅式换热器的组合时，单元之间 与流道之间气流难以均匀分配，外部管网连接又较 复杂因此在特大容量的空气分离设备中，板翅式 热器还得让位于蓄冷器 CRYOGENICS低温实验室v除了空气分离以外，板翅式换热器还广泛 地应用于天然气及合成氨尾气的分离设备 中CRYOGENICS低温实验室2．板翅式换热器在深低温领域中的应用v板翅式换热器可以在200℃到绝对零度的温度区 间工作。

v对于液氢和以液氢精馏生产重水的装置，板翅式 换热器在氢纯化工艺中获得满意的使用效果v六十年代以后，在大型氦液化器与氦制冷装置中 ，板翅式换热器也得到广泛的应用板翅式换热 器结构的特点，比较适合于在低、中压范围内工 作，故对于深低温领域用的板翅式换热器需要进 一步研究，以提高其承压能力CRYOGENICS低温实验室三、板翅式换热器的特点v1．传热效率高 由于翅片对流体的扰动，使边界层 不断破裂，因而具有较大的换热系数；同时由于制 造板翅式换热器金属的高导热性，所以使得板翅式 换热器可以达到很高的效率v2．紧凑 由于板翅式换热器具有扩展的二次表面， 使得它的比表面积可达1000~2500m2/m3v3．轻巧 由于紧凑且多由铝合金制造，所以显得轻 巧 CRYOGENICS低温实验室v4．适应性大 板翅式换热器可以适用气一气、气 一液、液一液间各种不同流体的换热，以及发生 集态变化间的相变换热通过流道的布置和组合 能够适应逆流、错流、多股流、多程流等不同的 换热工况通过单元间串联、并联、串并联的组 俣可以满足不同的换热需要工业上可以定型成 批生产，以降低成本，扩大互换性v5．板翅式换热器制造工艺复杂，要求严格。

v6．容易堵塞，不耐腐蚀，清洗检修较困难CRYOGENICS低温实验室第二节 板翅式换热器的结构v一、翅片的结构参数v翅片的几何尺寸常用图9—1所示的符号表示CRYOGENICS低温实验室v根据几何尺寸、翅片结构参数的计算公式如下：v水力半径v （9—1）v当量直径v （9—2）v每层通道自由截面积 v （9—3） CRYOGENICS低温实验室v每层通道传热表面积v （9—4）v板束n层通道自由截面积v （9—5） v板束n层通道传热表面积v （9—6） CRYOGENICS低温实验室v一次表面面积v （9—7）v二次表面面积v （9—8） CRYOGENICS低温实验室表9—1 国产标准翅片的结构参数 翅片 型式 翅 高(mm) 翅 厚(mm) 翅 距(mm) 通道截 面积① (m2) 传热 面积 ② (m2)当量 直径(m2 ) 二次表 面所点 的面积 比例 平直 形 9.5 6.54.7 0.2 0.30.3 1.7 2.12.0 0.00821 0.00531 0.00374 12.7 7.616.1 2.58 2.792.45 0.861 0.7750.722 锯齿 形 9.5 6.5 4.73.2 0.2 0.3 0.30.3 1.7 2.1 2.03.5 0.00821 0.00531 0.003740.00265 12.7 7.61 6.13.49 2.58 2.79 2.453.04 0.861 0.775 0.7220.476 打孔 形 6.5 4.7 3.2 0.3 0.3 0.3 2.1 2.0 3.5 0.00531 0.00374 0.00265 7.61 5.6 3.3 2.79 2.45 3.04 0.775 0.696 0.445 CRYOGENICS低温实验室v①通道截面积是指有效宽度W=1m时每层 通道的Ai值。

v②传热面积是指有效宽度W=1m、有效长 度L=1m时每层通道的Fi值CRYOGENICS低温实验室二、板翅式换热器的基本元件v板翅式换热器板束的基本结构及基本元件，见图9 —2，它是由隔板、翅片、封条、导流板等组成v在相邻两隔板之间放置翅片及封条，组成一夹层 ，称为通道将这样的夹层根据流体的不同流动 方式叠置起来，钎焊成一整体，便组织板束板 束是板翅式换热器的核心部分，配以必要的封头 、接管、支承就组成了板翅式换热器 CRYOGENICS低温实验室CRYOGENICS低温实验室v（一）翅片v翅片是板翅式换热器的基本元件，板翅式 换热器中的传热过程主要是通过翅片的热 传导以及翅片与流体之间的对流换热来完 成的v翅片的作用是：v（1）扩大传热面积，提高换热器的紧凑性 ，翅片可看做是隔板的延伸和扩大，同时 由于翅片具有比隔板大得多的表面积，因 而使紧凑性明显增大 CRYOGENICS低温实验室v（2）提高传热效率，由于翅片的特殊结构，流体 在通道中形成强烈的扰动，使边界层不断地破裂 或更新，从而有效地降低了热阻，提高了传热效 率v（3）提高换热器的强度和承压能力，由于翅片的 支撑加固，使板束形成牢固的整体，所以尽管隔 板起翅片都很薄，但却能承爱一定的压力。

v根据不同的工质和不同的传热情况，可以采用不 同结构型式的翅片常用的几种翅片结构型式见 图9—2CRYOGENICS低温实验室v锯齿形翅片 锯齿形翅片可看做平直翅片切成许多 短小的片段并相互错开一定间隔而形成的间断式 翅片这种翅片对促进流体的湍动，破坏热阻边 界层十分有效，属于高效率翅片但流体通过锯 齿形翘片时其流动阻力相应增大锯齿形翅片普 遍用在需要强化传热（尤其是气侧）的场合 v多孔翅片 多孔翅片系先在薄金金属片上冲孔，然 后再冲压或滚轧成形翅片上密布的小孔使热阻 边界层不断地破裂，从而提高了传热性能也有 利于流体均布，但在冲孔的同时，也使翅片传热 面积减少，翅片强度降低多孔翅片主要用作层 流板以及流体中夹杂着颗粒或相变换热的场合 CRYOGENICS低温实验室v波纹翅片 波纹翅片是将薄金属板冲压或滚 轧成一定的波形，形成弯曲流道，不断改 变流体的流动方向，以促进流体的湍动， 分离和破坏热阻边界层，其效果相当于翅 片的折断波纹愈密、波幅愈大，越能强 化传热 CRYOGENICS低温实验室小结v通过多种多孔翅片表面的传热、压降的实验研究 ，Shah总结出以下几点：若由于打孔使隔板的裸 露面积增加20％，则在层流区，小孔多孔翅片（ 孔径小于等于0.8mm）能强化传热，而大孔多孔 翅片（大于1mm）则不能强化；多孔翅片能使流 动提前发生流型转变，而在过渡区j=f(RE), f=f(Re)的关系十分复杂，不易预测，且往往是f的 增加比j的增加来得快；在紊流区，j和f都比平直 翅片高得多；方形多孔翅片的性能略优于圆形多 孔翅片；由于打孔损失了一定数量的换热面积， 因而多孔翅片的表面特性并不象预计的那么好， 所以一般在气－气换热中并不采用。

对波纹翅片 还没有特定的关系式来拟合j和f因子 CRYOGENICS低温实验室v（二）隔板v隔板的作用在于分隔并形成流道，同时承受压力 隔板尚卢一次传热表面的作用，故其厚度应有 满足承压的条件下尽可能减薄隔板通常使用两 面涂覆铝硅合金薄层的复合板隔板与翅片、隔 板与封条之间的钎焊边接就是依靠这一薄层的铝 硅作为焊料钎焊成牢固整体的CRYOGENICS低温实验室（三）封条v封条出叫侧条，它位于通道的四周，起到分隔、封 闭流道的作用v板翅式换热器的封条有多种形式，常用的有如图9 —3所示的燕尾槽型、矩形截面型等封条上、下 两面向两侧具有斜度为3%的斜率，这是为了在与 隔板组合成板束时形成缝隙，便于钎接焊料渗入而 形成饱满的钎接焊缝隙 CRYOGENICS低温实验室v封条与封条之间采用图9—4所示的连接方式CRYOGENICS低温实验室v （四）导流板与封头v导流板位于流道的两端，其作用是为了引导由进 口管经封头流入板束的流体，使之均匀地分布于 流道之中；或是汇集从流道流出的流体，使之经 过封头由出口管排出此外，导流板尚有保护翅 片与避免通道堵塞的作用。

v导流板结构设计的原则可以概括为：（1）保证流 道中流体的均匀分析，流体由进、出口管到流道 之间的顺利过渡；v（2）在导流板中流体阻力与传热应保持在最小的 恒定值（在板翅式换热器的设计计算中，有效长 度通常均采用板束全长扣除导流板长度以后的数 值）；v（3）导流板的耐压强度应该与整个板束的承压能 力匹配；v（4）便于制造 CRYOGENICS低温实验室v导流板的布置形式与封头及换热器的结构密切相关 ，如图9—5所示CRYOGENICS低温实验室v封头的结构设计主要取决于工作压力、气 流数、换热器的流道布置以及是否切换等 等v对于工作压力较高的板翅式换热器以及频 繁切换的切换热器，其封头的结构设计尤 应注意。