板翅式換熱器在空分設備中的應用情況

                                                      朱平   駱劍峰
                                                    杭州杭氧股份有限公司設計院

    摘要：簡單介紹了板翅式換熱器的發(fā)展過程及現(xiàn)狀，對板翅式換熱器的結構和基本元件，以 及在空分設備中的具體應用進行了詳細敘述。

    關鍵詞：板翅式換熱器;翅片;空分設備;應用

    1.板翅式換熱器簡介

    板翅式換熱器作為一種緊湊式換熱器具有結構緊湊、質量小和傳熱效率高等優(yōu)點。由于板翅式 換熱器技術要求高，生產(chǎn)難度大，目前只有英國、美國、法國、中國、日本和德國6個國家從事板 翅式換熱器工業(yè)化生產(chǎn)。在我國，板翅式換熱器已在空氣分離、石油化工(乙烯、合成氨、天然氣 分離和液化)、動力機械及航天等領域得到廣泛應用。 國外從20世紀30年代開始研制板翅式換熱器，50年代開始在空分設備中應用。自60年代以來， 隨著冶金、化學工業(yè)對空分設備的大量需要，板翅式換熱器的研究、設計和制造也得到了迅速的發(fā)展。 在我國，鋁制板翅式換熱器由杭氧等單位在20世紀60年代中期研制成功，并首先在空分設備上 得到應用。20世紀90年代初，杭氧引進國外某公司大型真空釬焊爐和板翅式換熱器的制造技術，使 杭氧在板翅式換熱器制造技術上得到飛速發(fā)展。杭氧現(xiàn)在不僅能生產(chǎn)低壓換熱器，還能生產(chǎn)高壓換 熱器(最高設計壓力達8.OMPa)。2003年5月，杭氧新建一座大型真空釬焊爐，可生產(chǎn)尺寸規(guī)格為 7500mmx1300mmx1300mm的超大型板翅式換熱器，生產(chǎn)技術水平躍上一個新臺階。

    2.板翅式換熱器結構與基本元件

    2.1板翅式換熱器結構

    在板翅式換熱器的芯體部分由翅片、封條和隔板組成(如圖l所示)。在相鄰兩隔板之間放t翅 片、導流片和封條，組成一個夾層，稱為通道。將這樣的夾層根據(jù)各換熱流體的不同流動方式適當 地排列疊置，釬焊成一個整體，便組成了板翅式換熱器的芯體。芯體部分是板翅式換熱器進行換熱 的核心部分，再配置必要的封頭、接管和支承就組成了板翅式換熱器。

                       

    2.2甚本元件

    2.2.1翅片

    翅片是板翅式換熱器最基本的元件，翅片的選擇對于設計有很大的影響，板翅式換熱器中的傳 熱過程主要是通過翅片的熱傳導以及翅片與流體之間的對流換熱來完成的。翅片的作用:

    (l)擴大傳熱面積。作為隔板的延伸和擴展，獲得二次傳熱面，使換熱器結構更緊湊。

    (2)提高傳熱效率。由于翅片的特殊結構，流體在通道中形成強烈擾動，使邊界層不斷破 裂、更新，從而有效地降低了熱阻，提高了傳熱效率。曾經(jīng)對平直形和鋸齒形兩種翅片形式的板翅 式換熱器的微小通道進行了CFD技術模擬，得到了流體在通道中流動與傳熱的特性，并對兩種翅片 結構的換熱性能進行比較，從微觀角度證明了鋸齒形翅片高換熱效率的根本原因。

    (3)提高強度和承壓能力。翅片起到了支撐兩隔板和加強肋的作用，盡管翅片很薄，卻能承 受較大壓力。

    不同的工質、工況下應采用不同結構形式的翅片，常用翅片形式主要有平直、多孔、鋸齒和波 紋4種。除此以外，還有數(shù)十種異形翅片結構形式。

    對溫差和壓差比較大的情況，選用平直形翅片為宜;反之，則應選用鋸齒形翅片;多孔形翅片 多用于有相變的情況。有文獻提出在同樣翅片高度的情況下，翅片的節(jié)距變小，其翅片性能有提高的趨勢，所以所有形式的翅片應向節(jié)距縮小的方向發(fā)展;同時還指出，適當高度和節(jié)距的多孔形翅片，其性能不亞于鋸齒形翅片，尤其在層流的使用條件下性能更顯著。

    2.2.2月板和封條

    隔板的作用是分隔并形成通道，承受壓力的同時還起著一次傳熱面的作用。通常采用兩面涂祖鋁硅合金的復合板，其厚度應根據(jù)所受壓力的大小確定。

封條位于通道的四周，起到分割、封閉通道的作用，其厚度也應根據(jù)所受壓力的大小確定。 板翅式換熱器在制造時可能會在局部出現(xiàn)泄漏的情況。當損壞發(fā)生在換熱器外表面或封條附近位置的釬焊面時，通常采用氫弧焊或低溫釬料進行修補。在條件不允許焊接修補的情況下，可采用聚氨醋貓結劑修補;當因芯體內(nèi)部深處隔板出現(xiàn)裂紋和融蝕產(chǎn)生泄漏，造成修補困難或無法修補 時，可采用堵塞通道的方法。

    2.2.爭導流片和封頭

    導流片一般布置在流道進出口的部位，其作用是使進人芯體的流體能夠均勻分布。導流片主要 采用多孔形翅片，其節(jié)距、厚度和小孔直徑均比普通多孔形翅片大。

    封頭的作用是集聚介質、連接芯體和工藝管道，其結構有多種形式。有文獻提出運用有限元分 析軟件對3種常見的封頭結構形式進行模擬，并根據(jù)ASME規(guī)范進行了強度校核，發(fā)現(xiàn)3種封頭結構 的最薄弱部位都位于半圓柱與端板截交的區(qū)域。

    3.板翅式換熱器在空分設備中的應用

鋁制板翅式換熱器在空分設備中有著廣泛的應用，主要有進行多股流換熱的主換熱器、過冷器 等，還有作為上下塔、粗氨塔和精氫塔的冷凝器、蒸發(fā)器以及制敘系統(tǒng)中的液化器等。

    3.1主換熱器

    主換熱器的作用是實現(xiàn)作為原料氣的空氣、增壓空氣和氧氣、氮氣、污氮氣等返流氣體之間的 熱交換?？諝庥沙乩鋮s到1OOK左右，增壓空氣由常溫冷卻至膨脹機前溫度，各返流氣體由低溫復熱至常溫。

    主換熱器流道布置主要采用復疊布置，即一層熱流對應兩層冷流。但在特殊情況下(如高壓流 體或有相變的情況下)，也可以不必嚴格遵循熱、冷通道1:2的比例。某些高壓熱流或有相變的冷流 可以采用單益布置，即一層熱流對應一層冷流。如何布置流道還是應該根據(jù)具體情況來確定。 在通道排布時，應考慮各流體在芯體中盡可能均勻、分散地排布。在整體熱平衡的前提下，兼 顧局部的熱平衡，避免出現(xiàn)一個芯體中冷熱不均的現(xiàn)象。這里需要注意的是空分設備開車啟動時， 返流氧氣、氮氣還未產(chǎn)生，只有返流污氮氣能夠提供冷量。為了加快啟動速度，使增壓空氣盡快降 溫進人透平膨脹機，理論上可將污氮氣布置在增壓空氣的旁邊，但還是應該注意綜合考慮局部熱平 衡狀況，在合適的情況下多采用這樣布置。

    3.2液空液氮過冷器

    液空液氮過冷器是利用冷流氮氣、污氮氣使液空、液氮等過冷，以減少汽化率，增加上塔回 流，改善精餾工況。一般液側采用換熱系數(shù)大、低而疏的鋸齒形翅片，氣側則采用高而密的鋸齒形 翅片。由于空分設備等級提高致使板翅式換熱器尺寸加大，也可選用其他類型翅片，從而在不加大 阻力的情況下減小芯體截面尺寸，方便了生產(chǎn)制造。

3.3冷凝燕發(fā)器

冷凝蒸發(fā)器(以下簡稱:主冷)的作用是使下塔頂部氮氣冷凝，上塔底部液氧蒸發(fā)，以提供下 塔的回流和上塔的上升蒸汽。杭氧主要采用的主冷形式為:與上、下塔連接整體的冷凝燕發(fā)器，換 熱器單元一般采用星形單層布置，方便與精餾塔組裝。在需要較大換熱面積時，會采用立式雙層的 形式。隨著杭氧生產(chǎn)的空分設備等級不斷提高，板翅式換熱器尺寸也不斷增加，立式單層甚至雙層 都已無法滿足要求。考慮運輸極限，近年一些特大型空分設備的主冷已開始采用臥式。 除以上形式外，還有高熱流管殼式主冷和膜式主冷等形式，有文獻對大型空分設備中主冷的典 型結構進行了介紹和總結，并重點介紹了杭氧與西安交通大學合作開發(fā)的狹縫微膜雙層冷凝蒸發(fā)器。

    板翅式主冷的兩側均為相變換熱，換熱系數(shù)較大，故采用翅片高度相對小的多孔形翅片。液氧 蒸發(fā)通道上下兩端敞開，液氧蒸發(fā)形成上塔的上升蒸汽。氮氣由下塔頂部引出進人芯體單元，冷凝 液氮在芯體下部的封頭匯集由出口管導出。考慮到液氧操作的安全性，液氧側采用全浸方式并采用 較大的翅片節(jié)距。

    3.4制妞系統(tǒng)各換熱器

    帶氫系統(tǒng)的空分設備除了主換熱器、主冷和過冷器外，還包括粗氫冷凝器、粗氫液化器、精姐 冷凝器和精氫蒸發(fā)器等換熱器。

    3.4.，粗妞冷凝艦

    粗氫冷凝器位于粗氮塔頂部，將粗氫塔上部氫含量為%%左右的粗缸氣冷凝;從下塔底部抽出的液空經(jīng)節(jié)流進人粗氫冷凝器蒸發(fā)。板式芯體通常為1個單元，其中液空蒸發(fā)通道上下兩端敞開， 粗氫氣由粗氨塔頂部經(jīng)過橋管和上封頭進人板式單元，冷凝成的液氫再回流到最上一塊塔板上參與 精餾。粗氫氣冷凝通道與液空蒸發(fā)通道為錯流或逆流單疊布置方式。

    3.4.2粗妞液化器

    根據(jù)工藝流程的不同，有時需設置粗氫液化器。從精氫冷凝器中抽出的部分液氮進人粗氫液化 器進行蒸發(fā)，從粗氫冷凝器粗氫側中抽出的部分不凝性氣體進人粗氫液化器進行再度冷凝，冷凝后的粗液 氫進人精氫塔。板式芯體通常為1個單元，其中液氮蒸發(fā)通道翅片尺寸規(guī)格為6.決沂即x1.7mmxQZ”m; 粗氫氣冷凝通道翅片尺寸規(guī)格為6.35mmx2.Ommx0.2mm，粗氫氣冷凝通道與液氮蒸發(fā)通道為單處布方式。

    3.4.3精盆冷凝器

    精叔冷凝器位于精氫塔頂部，將精氫塔上部純氫氣冷凝液化;來自主冷的液氮蒸發(fā)。板式芯體 通常為l個單元，其中液氮蒸發(fā)通道上下兩端敞開，純氫氣由精氫塔頂部經(jīng)橋管和上封頭進人板式 單元，冷凝成的液氫再回流到最上一塊塔板參與精餾。精氫氣冷凝通道與液氮蒸發(fā)通道為逆流單益 布置方式。

    3.4.4精妞燕發(fā)舒

    精氫蒸發(fā)器位于精氛塔底部，將精氛塔底部的液氫蒸發(fā)，來自下塔的氮氣冷凝液化。板式芯體 通常為，個單元，其中液氫蒸發(fā)通道上下兩端敞開，精氫氣冷凝通道與液氮蒸發(fā)通道為逆流單盛布 置方式。

    4.結束語

    近年來，隨著CFD技術的應用，板翅式換熱器的設計、研究進人了一個新的發(fā)展時期。但是目前CFD技術進行的研究與工程實際需求還相差較遠，還需要理論分析、實驗研究和CDF數(shù)值模擬三者緊密的結合起來，互相補充。 在空分以及石化行業(yè)，板翹式換熱器已經(jīng)得到廣泛的應用。隨著板翹式換熱器技術的不斷進步和新材料、新工藝的不斷開發(fā)，可以預期板翹式換熱器的應用領域將不斷擴展，板翹式換熱器在國民經(jīng)濟發(fā)展中將起到更大的作用。