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哈雷釬焊板式換熱器
專業生產:換熱器;分水器;過水熱;冷卻器
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淺談板式換熱器

點擊:1578 日期:[ 2014-04-26 21:35:42 ]
        淺談板式換熱器                                     張曉峰                      (山西省化工設計院,山西太原,030024)     摘要:介紹了板式換熱器的特點、結構以及板式換熱器的各種形式。     關鍵詞:板式換熱器;殼管式換熱器;釬焊式板式換熱器     中圖分類號:TU832.2文獻標識碼:A     文章編號:1005-6033(2009)10-0222-03     板式換熱器[1]是由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成的一種新型高效換熱器。換熱器的各板片之間形成許多小流通斷面的流道,通過板片進行熱量交換,它與常規的殼管式換熱器相比,在相同的流動阻力和泵功率消耗情況下,其傳熱系數要高出很多,在適用范圍內有取代殼管式換熱器的趨勢。國外自20世紀60年代開始,板式換熱器的應用已非常普遍。國內對板式換熱器的應用遠不及國外,這與人們對板式換熱器的了解程度、使用習慣及國內產品的水平有關。20世紀70年代,我國板式換熱器大多用在食品、輕工、機械等部門;20世紀80年代初期,擴大到民用建筑的集中供熱;20世紀80年代中期,隨著高層建筑集中空調的增多和空調制冷設備產品的更新換代,板式換熱器在空調制冷領域里的應用已名列前茅。近年來,板式換熱器技術日益成熟,其傳熱效率高、體積小、重量輕、污垢系數低、拆卸方便、板片品種多、適用范圍廣,在供熱行業得到了廣泛應用。本文將對板式換熱器及其各種形式進行簡單介紹。     1·板式換熱器的特點     1.1技術特點     20世紀90年代板式換熱器技術的主要特點有:第一,板式換熱器單元和單片面積大型化。第二,采用墊片無膠連接技術,使板式換熱器安裝和維護的時間節約80%。第三,由一種規格的板片設計兩種不同波形夾角,以滿足有不同壓力降要求的場合,從而擴大了應用范圍。第四,板片材料多樣化,已使用了不銹鋼、高鉻鎳合金、蒙乃爾哈氏合金等,還推出了石墨式換熱器。     1.2結構特點     板式熱交換器主要由傳熱板片、密封墊圈、壓緊裝置及其他一些部件(如軸、接管等)組成,傳熱板片是板式換熱器的關鍵元件,常用的有以下幾種:人字形板、水平平直波紋板、鋸齒形板;密封墊圈是板式換熱器的一個關鍵的零件,是為了防止流體的外漏和兩流體之間內漏,它安裝于密封槽中,運行中承受壓力和溫度,而且受著工作流體的侵蝕;壓緊裝置包括固定與活動的壓緊板、壓緊螺栓,它用于將墊圈壓緊,產生足夠的密封力,使熱交換器在工作時不發生泄漏,通過旋緊螺栓來產生壓緊力。     2·各種形式的板式換熱器     2.1可拆式板式換熱器     可拆式板式換熱器是將薄的金屬板片(一般0.4 mm~0.8mm)沖壓成為凸凹狀,周邊張貼合成橡膠類的密封墊片,每一枚傳熱板片為一個傳熱單元,必要的傳熱板組合成傳熱部,高溫流體或低溫流體流過各傳熱板形成流路時進行熱交換,通過上下兩根拉桿將傳熱部分固定在固定板(框架板)和可動板(游動板、擠壓板)之間,并用長的螺栓緊固。可拆式板式換熱器便于拆卸清洗,增減換熱器面積靈活,在供熱工程中使用較多。可拆式板式換熱器受橡膠密封墊耐熱溫度的限制,適用于水—水傳熱。但是,一般的可拆卸式板式換熱器由于本身結構的局限性,使用壓力不超過2.5 MPa,使用溫度不超過250℃,此外還存在流體與密封墊片的相容性問題。對于可拆卸式板式換熱器,墊片的密封性決定了整個換熱器的性能。墊片經多次松開和壓緊容易損壞,需要更換,同時墊片是用機械或黏結的方式嵌入溝槽的,當使用壓縮石棉墊片時,必須在表面涂上防黏劑,以防粘在換熱板槽中。     2.2焊接板式換熱器     焊接板式換熱器可分為半焊式、組件式及全焊式。常規板式換熱器的總體結構為散裝式,其特點是兩側流道可全部打開進行清洗,缺點是兩側流體壓差不能太大,溫度不宣過高。半焊式是采用專門的焊接工藝將每兩張板片沿密封槽焊在一起,然后再將每對焊好的板片用墊片組裝起來,這樣可使密封周邊減少一半,但組焊板片內部不能用機械方法清洗,可用化學方法清洗;組件式是將若干板片預焊在一起,再用密封墊片組裝起來,該結構可用于2.5 MPa,400℃和潔凈介質的換熱;全焊式是將所有板片焊成一個整體,只能用于不易結垢的介質進行換熱,最大優點是可承受較高溫度和壓力,沒有墊片泄漏的顧慮。以下就半焊式板式換熱器及全焊式板式換熱器作一簡單介紹。     2.2.1半焊式板式換熱器     半焊式是相對于全焊式而言的。傳熱板片對是焊接式換熱器的核心元件,由于板片對表面擾流結構優化設計和合理裝配,可使工質在較低流速下即可激起強烈的湍流,有力地破壞熱邊界層,消除界面熱阻,強化傳熱過程,這正是焊接式換熱器具有高效、緊湊等多種優良性能的原因。每兩張板片沿密封槽采用特殊焊接方法(如激光焊)焊接成板片對,相鄰板片間形成網狀觸點并互相支撐,明顯地增強了板片的剛度。板片對的腔內即為一種工質的通道;板片對與板片對之間采用耐蝕、耐高溫、耐高壓且形狀較簡單的密封圈實現密封,組成另一種通道;兩種工質在相鄰的通道內均勻地逆向流動,從而完成充分的熱交換過程。半焊式組裝的板式換熱器可以提高焊接板片對腔內介質的壓力(清潔介質側)。此外,半焊式組裝的靈活程度不亞于常規板式換熱器,同樣可用于兩種單相液體或冷凝換熱。焊接通道側可以專門用來處理具有腐蝕性的介質,對過去專用于管殼式和其他焊接結構的換熱器的各種介質而言,這種結構是一種最佳的代用設備。隨著板式蒸發器的開發,半焊式板式換熱器可作為蒸發器或者冷凝器取代常規的降膜式設備,它使結構緊湊且又提高效益,其采用的深通道、大角孔和激光焊允許水介質及有機系統在真空和低壓下蒸發及冷凝。     2.2.2全焊式板式換熱器     一般情況下,板式換熱器總傳熱系數比列管式換熱器大1~3倍以上;在相同換熱面積時板式換熱器流通面積比列管換熱器大5倍,壓降小;緊湊度方面:列管式換熱器為78 m2/m3,板式換熱器為220 m2/m3;最小傳熱溫差:列管式換熱器為3℃~5℃,板式換熱器為1℃~3℃。與列管式換熱器相比,全焊式板式換熱器在傳熱性能方面更具優勢,這主要是由于:     (1)傳熱板片沿流體流動方向的流道斷面形狀不斷變化,大大加強了流動的擾動,因而能在很低的雷諾數下形成湍流,從而增強了流體的傳熱性能。通常情況下,同一種流體在列管式換熱器內當雷諾數為4 000~6 000時,才能達到湍流狀態,而在全焊式板式換熱器內當雷諾數為100~300時,就可達到湍流狀態。     (2)板式傳熱元件沒有管內膜阻放大效應,同時由于其光滑的傳熱表面、均勻的流動場及不銹鋼材質,使其具有更小的污垢熱阻。通常其污垢熱阻僅為列管式換熱器污垢熱阻的1/5~1/4,可以確認的是無論在什么情況下,污垢系數不超過0.000 50 m2h℃/kJ。板式換熱器不存在像列管式換熱器那樣的液體滯留部位,在板面上的污染附著也少,因此維修檢查工作量大大減少。由于焊接型與墊片型不同,板片不能一塊塊地分解。從內部檢及維修的必要性出發,對于小型裝置在頭部做成法蘭結構,對于大型裝置可在頭部設置人孔進行內部檢查。從設計上考慮,污染大的流體需要在板側流動時,可把裝置設計成豎型。實際上由于該結構本身緊湊,不需要更換墊片,沒有管束的抽出,因而維修的間隔及維修的時間均可大大減少。該種換熱器不僅用于液—液、液—氣和氣—氣的單相流,也可用于蒸發、冷凝等伴有相變的熱交換。這種全焊式板式換熱器已使用的最大傳熱面積為1 900 m2,最高使用溫度為72℃(傳熱面積290 m)2,最高使用壓力4.5MPa。     全焊式板式換熱器的板型結構設計合理,使傳熱與流體阻力特性匹配合理,故傳熱效率高、壓降低、綜合性能較佳,消除了管殼式換熱器和可拆卸板式換熱器存在的死區現象。采用周邊組焊的板束形式,取消了密封墊片,故耐熱、耐壓性能優于可拆卸板式換熱器。同時板片系模塊化結構,可根據不同的工藝要求改變流程形式和流道面積的大小。     全焊式板式換熱器體積小,傳熱系數高(比傳統的管殼式換熱器高2~4倍,比板式換熱器高1.2倍),而且內部是完全焊接金屬板片,獨特的外殼結構能使換熱器承受較高的壓力和溫度。     2.3釬焊式板式換熱器     釬焊板式換熱器由帶高效傳熱表面的不銹鋼板片組成。不銹鋼板片在高溫下用純度為99%的銅釬焊而得到緊密不漏和堅固的換熱器。緊湊釬焊板式換熱器設計上最多由20個不銹鋼波形板片組成,每個第二終板片倒轉過來,以便在所有板片之間形成大量的接觸點。釬焊時接觸點亦焊在一起,則形成緊湊的板塊,使幾乎所有板材結構材料(約94%的表面)都能用于傳熱。板型形成2個分隔的通道,介質在其中形成對流運動,在通道系統中導致高湍流,得到優良的傳熱特性,即使在低速下,結垢也會保持在絕對最低狀態。     釬焊板式換熱器具有不用墊片、不產生泄漏、重量輕、體積小、價格較低、拆卸安裝容易、傳熱效率高等優點。該結構對蒸汽、水或工藝流體都能適用并能在兩種流體溫度差異極小等狀況下使用。     釬焊板式換熱器可用于供熱、工業冷卻、油壓機及壓縮機油冷卻、空調、冷凍食品、化工冷藏、水冷卻、飲用水處理、廢水處理、熱回收等方面。在操作維護上,如果水中有帶粒子物質,應采用過濾器,用水反向洗滌可去掉大部分軟的微粒物質。對緊湊釬焊板式換熱器應每隔3~5年用檸檬酸或其他不侵蝕銅及不銹鋼的酸液進行反向洗滌。     2.4板殼式板式換熱器     板殼式換熱器的基本結構與板式換熱器相似,但板間距增大,取消了墊片,改用焊接法連接各板,形成通道。由此產生了不同于板式換熱器的特點:     (1)板的厚度增加,以便焊接。加上板間距的增加,使換熱器單位體積的換熱面積小于板式換熱器,但大于列管式換熱器。     (2)采用焊接后,換熱器能承受的壓力和溫度大大增加,密封性能良好。     (3)板間距的增大使換熱器被堵塞的可能性大大減少,換熱器能處理的物料范圍較廣。     (4)物料在換熱器內的流動途徑與板式換熱器相似,屬嚴格的逆流。     板殼式換熱器由壓力容器外殼與傳熱板束兩部分組成,壓力容器外殼承受操作介質壓力,沒有管殼換熱器上常用的設備大法蘭;板束由數百個板片焊接而成。板片流道設計成波紋狀,人字形排列。相鄰板片走向相反,板片間相互交叉的波紋頂端形成接觸點,用以承受冷熱流換熱介質的壓差。板片流道可根據操作要求和介質的性質,設計成各種當量直徑和形狀。單臺換熱面積一般大于800 m2,最大已達1 500 m2,板片單片面積10 m2以上,采用水下爆炸成型。由板片焊接組裝而成的板束固定于殼體內部的支架上,并用波紋膨脹節與殼體接管相連接。傳統的板式換熱器因其結構上的缺陷而使操作條件受到限制,壓力上限一般為2.5 MPa,溫度上限一般為200℃。板殼式換熱器受壓外殼承受操作壓力,采用焊接結構的板束,較好地解決了高效與耐壓之間的矛盾。     板殼式換熱器已在制糖工業和城市集中供熱中得到較多應用。城市集中供熱工程是我國“十五”期間重點發展的城市基礎建設之一,其目的除了給城市提供穩定可靠的高品位熱源,改善人民生活環境外,還可節約能源,減少城市污染。集中供熱的熱源主要是熱電站,其首站的熱媒(抽汽式或背壓式汽輪機)抽汽或者背壓排汽溫度一般在300℃左右,壓力為0.3 MPa~1.0 MPa,根據用戶用熱需要,通過高峰加熱器間接換熱,給用戶熱力站提供熱媒。高峰加熱器是熱電站給用戶供熱系統中的關鍵設備。過去國內主要選用管殼式換熱器,由于存在著傳熱效率低、占地面積大、容易結垢、運行噪聲大及同種材料制造成本高等缺點,嚴格影響著供熱品質和系統的正常運行,并且投資和維修費用較高。板殼式換熱器最適合于介質清潔、換熱量大和壓降小的場合,在國內外供熱工程應用較廣泛。     3·結語     現代板式換熱器的使用已遍及食品、釀造、化工、機械、冶金、發電、交通運輸等各個行業,而且與傳統的管殼式換熱器相競爭。作為一種高效緊湊式換熱器,在加熱、冷卻、冷凝、蒸發和熱回收過程中,除了高溫、高壓和特殊介質條件外,板式換熱器均已替代管殼式換熱器。經試驗證明在板式換熱器適用范圍內,在絕大多數工況時,用不銹鋼板式換熱器比一般碳鋼換熱器投資低得多,而且可以預見在這個范圍內板式換熱器與管殼式換熱器的競爭會更加激烈。此外,不論何種形式的板式換熱器,其產品技術水平、質量、品種規格等方面與國外先進水平相比仍存在很大差距,所以我們仍需進一步改進板式換熱器現行結構、擴大其應用范圍。     參考文獻     [1]楊崇麟.板式換熱器工程設計手冊[M].北京:機械工業出版社,1998.(實習編輯:薛艷)
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