激光圈焊技術(shù)在板式降膜蒸發(fā)器加熱板片制造中的應(yīng)用

趙云松 胡海軍 張 丹

(上海神農(nóng)節(jié)能環(huán)保裝備有限公司，上海，201300)

板式降膜蒸發(fā)器作為一種先進(jìn)的降膜蒸發(fā)設(shè)備，于1987年在國內(nèi)研發(fā)成功，這些年來，板式降膜蒸發(fā)器以它特有的性能，在制漿造紙、氧化鋁、食品行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。

板式降膜蒸發(fā)器中的關(guān)鍵元件——加熱板片最初采用的是點(diǎn)焊生產(chǎn)工藝，此工藝一直延續(xù)至今。除了傳統(tǒng)的點(diǎn)焊技術(shù)，國外還廣泛采用激光圈焊技術(shù)來生產(chǎn)這種加熱板片，主要用于各類換熱器設(shè)備、蜂窩夾套等。寧波象山某廠在21世紀(jì)初已采用激光圈焊技術(shù)制造啤酒發(fā)酵罐、食品化工加熱器、反應(yīng)釜等設(shè)備。安德里茨公司現(xiàn)在也采用激光圈焊技術(shù)生產(chǎn)加熱板片，并在湛江晨鳴紙廠的蒸發(fā)站上首次使用。

上海神農(nóng)節(jié)能環(huán)保裝備有限公司于2012年引入世界領(lǐng)先的全自動(dòng)激光圈焊機(jī)，并首次將激光圈焊技術(shù)用于板式降膜蒸發(fā)器加熱板片的制造，目前最大可以生產(chǎn)1800 mm×12000 mm的加熱板片，滿足大型板式降膜蒸發(fā)器的制造需要。本文介紹了激光圈焊技術(shù)在板式降膜蒸發(fā)器加熱板片制造中的應(yīng)用。

1 板式降膜蒸發(fā)器的工作原理

板式降膜蒸發(fā)器主要由板片組、分配器、除沫器和外殼等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

(1)板片組。板片組由若干張加熱板片組成，每張加熱板片由兩張不銹鋼薄鋼板經(jīng)焊接、鼓壓成形等工藝制成。工作時(shí)蒸汽在板腔內(nèi)流動(dòng)并冷凝放出熱量;溶液在板片外呈膜狀向下流動(dòng)，同時(shí)吸收熱量而蒸發(fā)。

(2)分配器。分配器的作用是將一定量的循環(huán)溶液均勻、穩(wěn)定地分配到每一張加熱板片上。

(3)除沫器。除沫器的作用是對(duì)二次蒸汽中夾帶的霧沫進(jìn)行分離。

(4)循環(huán)泵。循環(huán)泵提供足夠的溶液循環(huán)，滿足板片表面均勻布膜所需。

2 板式降膜蒸發(fā)器的主要特點(diǎn)

板式降膜蒸發(fā)器的最大特點(diǎn)為加熱面表面凹凸及板外液膜蒸發(fā)，具體如下:

(1)加熱板片特殊的凹凸表面，非常有利于易結(jié)垢液體的濃縮。

·液膜在板片表面的流速及流向不斷變化，強(qiáng)化了傳熱，并且液膜不斷地再分配，使布膜更均勻，不易結(jié)垢。

·液膜的沖刷及板片的微量變形，促使了板片結(jié)垢的剝落。

·板外即使有結(jié)垢，也使除垢工作變得簡(jiǎn)單，清洗時(shí)間短。

(2)根據(jù)不同料液性質(zhì)，差別化設(shè)計(jì)各效的分配器，確保溶液均勻分布到所有板片并不易堵塞，形成均勻一致的液膜。

(3)特殊設(shè)計(jì)的除沫器裝置，將二次蒸汽的霧沫夾帶降到最低。汽室經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，以獲得二次蒸汽通過除沫器時(shí)的最佳汽流分布。

(4)如果溶液含有不凝結(jié)氣體包括硫化氫氣體，則板片可以采用自汽提設(shè)計(jì)，將不同效內(nèi)二次冷凝水進(jìn)行輕濁分流，滿足工廠對(duì)輕、濁冷凝水回用或外排處理的不同要求。

(5)用彈性支座安裝循環(huán)泵，從而避免在循環(huán)管上設(shè)置膨脹節(jié) (膨脹節(jié)常常會(huì)導(dǎo)致泄漏和固形物結(jié)垢堵塞)。

3 加熱板片的強(qiáng)度計(jì)算

加熱板片是板式降膜蒸發(fā)器的核心組件，它的設(shè)計(jì)及制造質(zhì)量直接影響設(shè)備的使用壽命及使用效果。

為確保加熱板片的承壓能力，每張板片均勻分布了大量連接點(diǎn)，通常情況下，這些連接點(diǎn)按棱形布置，如圖2所示。

假設(shè):

B1為長(zhǎng)度方向點(diǎn)焊間距，mm;

B2為寬度方向點(diǎn)焊間距，mm;

D為點(diǎn)焊溶核或激光圈焊圓的直徑，mm;

T為板片板厚，mm;

［σ］為設(shè)計(jì)溫度條件下材料許用應(yīng)力，對(duì)SS304材質(zhì)，按137MPa計(jì);

η為焊接接頭系數(shù)，按0.6計(jì)。

如圖2所示，在板片上取一個(gè)區(qū)域，每個(gè)連接點(diǎn)承受的拉力等于內(nèi)壓對(duì)該區(qū)域的作用力，并且假設(shè)板片破壞形式是連接點(diǎn)外圓母材撕裂破壞，由此可以推導(dǎo)出板片的許用壓力P(MPa):

圖2 板片焊點(diǎn)布置示圖

以目前常用的連接點(diǎn)布置間距及板厚進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表1。

表1 連接點(diǎn)布置間距及板厚計(jì)算結(jié)果

表2 激光圈焊板片與點(diǎn)焊板片的對(duì)比

4 激光圈焊與點(diǎn)焊的技術(shù)對(duì)比

點(diǎn)焊是用兩電極將兩張薄鋼板壓緊，并施加一定電流，使兩板接觸部分發(fā)熱并熔化，形成熔核。通常情況下，在焊接條件良好情況下，熔核直徑在5～7 mm。

激光圈焊采用的是激光疊加焊，首先將兩張薄鋼疊加在一起并壓緊，然后激光束在板表面焊一個(gè)圈焊，焊縫的熔深超過單張板厚但又小于兩張板厚，從而將兩張鋼板連接在一起。焊圈的直徑相當(dāng)于點(diǎn)焊板片的溶核直徑，圈焊直徑與焊接工藝無關(guān)，由設(shè)計(jì)者根據(jù)工藝計(jì)算確定。

激光圈焊板片與點(diǎn)焊板片的主要對(duì)比見表2。

5 結(jié)論

5.1 通過合理設(shè)計(jì)圈焊直徑及圈焊間距，即使采用較薄的鋼板，也能設(shè)計(jì)出承壓能力遠(yuǎn)超點(diǎn)焊技術(shù)生產(chǎn)的板片，這一方面降低了設(shè)備成本，另一方面也有利于傳熱。

5.2 對(duì)于板式蒸發(fā)器的后幾效蒸發(fā)器，由于壓力不高，設(shè)計(jì)時(shí)可以采用較薄板，采用較大焊圈直徑設(shè)計(jì)，保證板片受力的同時(shí)，適當(dāng)減少焊圈分布密度，這樣可以減少板片內(nèi)蒸汽流動(dòng)阻力，減少溫差損失。

總之，激光圈焊技術(shù)的引入，為加熱板片的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)注入了新的活力，可大大拓展加熱板片的應(yīng)用范圍。在滿足工況的條件下，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以減少鋼材厚度，從而節(jié)約大量金屬資源，這在資源日趨匱乏的今天，具有重要意義。

［1］Xu Yaorun，Zhou weibiao.Characteristics of Heat Transfer in an Out-Flow Plate Type Falling Film Evaporator［J］.China Pulp ＆ Paper，1998，17(6):29.

徐堯潤(rùn)，Weibiao Zhou.外流板式降膜蒸發(fā)器的傳熱性能——人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法研究［J］.中國造紙，1998，17(6):29.

［2］Wei Xubin，Huang Kangquan，Qing Zhou Zao Zhi Chang Ban Shi Jiang Mo Zheng Fa Zhan Ji Qi Shi Yun Xing［J］.China Pulp ＆ Paper，1993，12(5):3.

魏學(xué)彬，黃康全.青州造紙廠板式降膜蒸發(fā)站及其試運(yùn)行［J］.中國造紙，1993，12(5):3.

［3］劉寶慶，厲 鵬，林興華，等.激光焊蜂窩夾套壓力鼓脹的實(shí)驗(yàn)與有限元分析［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，45(3):571. CPP