板翅式換熱器應(yīng)用研究

新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 張愛民

板翅式換熱器應(yīng)用研究

新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 張愛民

隨著我國機(jī)械、化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，板翅式換熱器制造技術(shù)日漸成熟并得到了廣泛的推廣和應(yīng)用，進(jìn)入批量生產(chǎn)階段。有必要對(duì)板翅式換熱器的發(fā)展?fàn)顩r、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、適用范圍等做一個(gè)全面的了解，以更好地應(yīng)用。

板翅式換熱器 翅片 流道 通道

一、概述

板翅式換熱器是由隔板、翅片、封條、導(dǎo)流片、封頭、接口等組成的一種換熱設(shè)備，它通過隔板和封條將流體分割為內(nèi)外兩個(gè)通道，通過隔板把熱量從一種介質(zhì)傳遞給另一種介質(zhì)，以達(dá)到對(duì)其中一種流體加熱或降溫的目的。

20世紀(jì)90年代，板翅式換熱器制造技術(shù)日漸成熟，換熱器的可靠性、散熱性能及使用壽命都大大提高，進(jìn)入批量生產(chǎn)應(yīng)用階段，并逐漸從航空、空分、石化等傳統(tǒng)領(lǐng)域向汽車、工程機(jī)械等領(lǐng)域擴(kuò)展。

二、板翅式換熱器結(jié)構(gòu)組成

板翅式換熱器是由芯體配以封頭、接管和支撐等組成。

在板翅式換熱器相鄰兩隔板之間放置翅片、導(dǎo)流片和封條組成的夾層就是通道，如下圖所示即為芯體的三個(gè)通道。將一定數(shù)量的通道按一定方式排列在一起的組件，就是板束。

將多個(gè)板束根據(jù)流體的不同流動(dòng)形式疊置起來釬焊即構(gòu)成成芯體，如下圖示。

翅片是板翅式換熱器的基本元件，傳熱過程主要通過翅片熱傳導(dǎo)及翅片與流體之間的對(duì)流換熱來完成。翅片的作用是：①擴(kuò)大傳熱面積，提高緊湊性。翅片可看做是隔板的延伸和擴(kuò)展。②提高傳熱效力。由于翅片的分割，流體在通道中形成強(qiáng)烈的擾動(dòng)，使邊界層不斷地破裂和再生，從而有效地降低熱阻，提高傳熱效率。③提高換熱器的強(qiáng)度和承壓能力。由于翅片的支撐加固作用，使得芯體更加牢固，能夠承受很大的的壓力。

隔板的作用是分割形成通道，承受壓力，同時(shí)起一次傳熱表面的作用。隔板是兩面涂覆鋁硅合金的復(fù)合板，隔板與翅片及封條之間的釬焊就是依靠鋁硅合金做釬料，釬焊成牢固整體的。

封條位于通道的四周，起分割、封閉流道、加強(qiáng)的作用。

導(dǎo)流片位于流道的兩端，作用是引導(dǎo)由進(jìn)口管經(jīng)封頭流入板束的流體，使其均勻的分布于流道中，還有保護(hù)翅片，避免通道堵塞的作用。

三、板翅式換熱器的特點(diǎn)

由于翅片對(duì)流體的擾動(dòng)使邊界層不斷破裂，使換熱器具有較大的傳熱系數(shù)；而且隔板、翅片的厚度很薄，具有高導(dǎo)熱性，所以板翅式換熱器具有很高的傳熱效率。

板翅式換熱器具有擴(kuò)展的二次表面，比表面積可達(dá)6000m2/ m3，單位體積容納的換熱面積大。由于鋁的比重是銅的比重的32.7%，同等體積的鋁質(zhì)板翅式換熱器的重量是銅質(zhì)的1/3左右，而其傳熱面積卻是銅質(zhì)的數(shù)倍，鋁質(zhì)單位體積容納的換熱面積更大。

板翅式換熱器廣泛用于氣-氣、氣-液、液-液等多種流體間的換熱。通過流道的布置和組合能夠適應(yīng)逆流、順流、多股流、叉流等不同的換熱工況。通過單元間的串、并聯(lián)組合能滿足石化、空分等設(shè)備的換熱需要?？梢远ㄐ汀⑴可a(chǎn)以降低成本，通過積木式組合擴(kuò)大互換性與適用性。

換熱器制造工藝要求嚴(yán)格，釬焊工藝復(fù)雜，材料、模具及真空釬焊設(shè)備的制造、研究和開發(fā)費(fèi)用高。換熱器易堵塞，不耐腐蝕，清洗檢修困難。只能用于傳熱介質(zhì)比較潔凈、無腐蝕、不易結(jié)垢、沉積、堵塞的場(chǎng)合。其使用溫度一般不大于300℃，使用壓力不大于3Mpa，以保證換熱器運(yùn)行的可靠性和安全性。

四、板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1. 流道布置。

板翅式換熱器可通過流道的不同組合，布置成逆流、順流、多股流、叉流等型式（如下圖示）。

逆流是用得最普遍的流道布置型式,它能夠?qū)崿F(xiàn)兩種流體的充分熱交換；順流一般用在有效溫差不明顯低于逆流，或一側(cè)流體的溫度變化不大于冷熱流體最大溫差一半的場(chǎng)合；多股流用于多種流體同時(shí)進(jìn)行換熱，多用于石化、空分設(shè)備等壓力相差懸殊的流體間的換熱。叉流是一種常見的換熱器流到布置型式，它便于充分利用空間，合理布置各進(jìn)出接管。

應(yīng)盡可能做到局部熱負(fù)荷平衡，沿?fù)Q熱器橫向各通道的熱負(fù)荷在盡可能小的范圍內(nèi)達(dá)到平衡，以減小過剩熱負(fù)荷的傳導(dǎo)距離，使同一橫截面的壁面溫度盡可能接近；通道分配應(yīng)使各個(gè)通道的長度基本相近；并使流體均布，使同一股流體的各個(gè)通道阻力基本相同；通道排列應(yīng)避免溫度交叉，減小熱量內(nèi)耗；通道排列原則上對(duì)稱，以便于制造和安裝。

大型板翅式換熱器需要通過許多單元板束的串并、聯(lián)組合，以克服單元尺寸不能做得太大的工藝問題。在單元組合中，關(guān)鍵是使流體在單元板束中均勻分配，各單元流體阻力基本相同，各工藝管道在布置與組合時(shí)匹配得當(dāng)。

2. 翅片的選擇。

翅片是板翅式換熱器的重要散熱元件和支撐元件，它直接影響到換熱器的散熱效果、流體阻力及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。常用的翅片型式主要有平直型、鋸齒形型、多孔型和波紋型，如下圖所示。

平直型鋸齒型

多孔型波紋型

平直型翅片是由薄金屬片沖壓而成，其換熱和流動(dòng)阻力特性與管內(nèi)流動(dòng)相似，特點(diǎn)是傳熱系數(shù)較小，壓降與換熱都小。該翅片一般用于流動(dòng)阻力要求較小而其傳熱系數(shù)又較大（如液側(cè)或相變）的場(chǎng)合，它具有較高的承壓強(qiáng)度。

鋸齒型翅片可看做是平直型翅片切成許多短小的片段，并相互錯(cuò)開一定間隔而形成的間斷式翅片。這種翅片對(duì)促進(jìn)流體的湍動(dòng)、破壞熱阻邊界層十分有效，屬高效能翅片，但流動(dòng)阻力大。該翅片多用于需強(qiáng)化換熱（尤其是氣側(cè)）的場(chǎng)合，特別是流量小而效率高的空分設(shè)備。

多孔型翅片是在薄金屬片上沖孔，再?zèng)_壓成形。翅片上密布的小孔使熱阻邊界層不斷破裂，從而提高傳熱性能。多孔有利于流體均勻分布，但也使翅片的傳熱面積減小，強(qiáng)度降低。它多用于流體中夾雜著顆粒或相變換熱的場(chǎng)合。

波紋翅片是將金屬片沖壓成波形，形成彎曲流道，不斷改變流體的流動(dòng)方向，促進(jìn)流體的湍動(dòng)、分離和破壞熱阻邊界層，相當(dāng)于翅片的折斷。波紋愈密，波幅愈大，越能強(qiáng)化傳熱。

3. 隔板的選擇。

隔板是換熱器重要的散熱元件和壓力支撐元件，換熱器不同流體間的換熱過程是通過隔板的熱傳遞實(shí)現(xiàn)的，其厚度直接關(guān)系到換熱器的承壓能力。

在同等條件下，隔板的厚度與傳熱效率成反比，與換熱器強(qiáng)度成正比。隔板越厚，傳熱效率越低，換熱器強(qiáng)度越高。隔板常用的厚度有（單位：毫米）0.6、0.8、1.2，較薄的隔板常用于中冷器等壓力較小介質(zhì)較清潔的換熱場(chǎng)合，較厚的隔板常用于油散、空分設(shè)備等承壓較大介質(zhì)腐蝕性強(qiáng)的場(chǎng)合。

目前，我國已掌握了板翅式換熱器的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)，并擁有成熟的設(shè)計(jì)軟件，板翅式換熱器得到了廣泛的應(yīng)用，其范圍還在不斷的擴(kuò)大。

[1] 涂善東,凌祥，陸衛(wèi)權(quán).非金屬板翅式換熱器制造工藝.南京化工大學(xué)研究報(bào)告CAE-PFHE9801,1998

[2] 路文江等.甘肅非晶態(tài)合金釬料真空釬焊接頭組織研究.甘肅工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).1999,25(1)：1～5

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