板翅式換熱器在空分設(shè)備中的應(yīng)用情況

                                                      朱平   駱劍峰
                                                    杭州杭氧股份有限公司設(shè)計(jì)院

    摘要：簡(jiǎn)單介紹了板翅式換熱器的發(fā)展過程及現(xiàn)狀，對(duì)板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)和基本元件，以 及在空分設(shè)備中的具體應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)敘述。

    關(guān)鍵詞：板翅式換熱器;翅片;空分設(shè)備;應(yīng)用

    1.板翅式換熱器簡(jiǎn)介

    板翅式換熱器作為一種緊湊式換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量小和傳熱效率高等優(yōu)點(diǎn)。由于板翅式 換熱器技術(shù)要求高，生產(chǎn)難度大，目前只有英國(guó)、美國(guó)、法國(guó)、中國(guó)、日本和德國(guó)6個(gè)國(guó)家從事板 翅式換熱器工業(yè)化生產(chǎn)。在我國(guó)，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(dòng)力機(jī)械及航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 國(guó)外從20世紀(jì)30年代開始研制板翅式換熱器，50年代開始在空分設(shè)備中應(yīng)用。自60年代以來， 隨著冶金、化學(xué)工業(yè)對(duì)空分設(shè)備的大量需要，板翅式換熱器的研究、設(shè)計(jì)和制造也得到了迅速的發(fā)展。 在我國(guó)，鋁制板翅式換熱器由杭氧等單位在20世紀(jì)60年代中期研制成功，并首先在空分設(shè)備上 得到應(yīng)用。20世紀(jì)90年代初，杭氧引進(jìn)國(guó)外某公司大型真空釬焊爐和板翅式換熱器的制造技術(shù)，使 杭氧在板翅式換熱器制造技術(shù)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(shè)計(jì)壓力達(dá)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(shù)水平躍上一個(gè)新臺(tái)階。

    2.板翅式換熱器結(jié)構(gòu)與基本元件

    2.1板翅式換熱器結(jié)構(gòu)

    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(dǎo)流片和封條，組成一個(gè)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(dòng)方式適當(dāng) 地排列疊置，釬焊成一個(gè)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(jìn)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(duì)于設(shè)計(jì)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(dǎo)以及翅片與流體之間的對(duì)流換熱來完成的。翅片的作用:

    (l)擴(kuò)大傳熱面積。作為隔板的延伸和擴(kuò)展，獲得二次傳熱面，使換熱器結(jié)構(gòu)更緊湊。

    (2)提高傳熱效率。由于翅片的特殊結(jié)構(gòu)，流體在通道中形成強(qiáng)烈擾動(dòng)，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(duì)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(jìn)行了CFD技術(shù)模擬，得到了流體在通道中流動(dòng)與傳熱的特性，并對(duì)兩種翅片 結(jié)構(gòu)的換熱性能進(jìn)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(qiáng)度和承壓能力。翅片起到了支撐兩隔板和加強(qiáng)肋的作用，盡管翅片很薄，卻能承 受較大壓力。

    不同的工質(zhì)、工況下應(yīng)采用不同結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)形式。

    對(duì)溫差和壓差比較大的情況，選用平直形翅片為宜;反之，則應(yīng)選用鋸齒形翅片;多孔形翅片 多用于有相變的情況。有文獻(xiàn)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(shì)，所以所有形式的翅片應(yīng)向節(jié)距縮小的方向發(fā)展;同時(shí)還指出，適當(dāng)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(shí)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(fù)合板，其厚度應(yīng)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(yīng)根據(jù)所受壓力的大小確定。 板翅式換熱器在制造時(shí)可能會(huì)在局部出現(xiàn)泄漏的情況。當(dāng)損壞發(fā)生在換熱器外表面或封條附近位置的釬焊面時(shí)，通常采用氫弧焊或低溫釬料進(jìn)行修補(bǔ)。在條件不允許焊接修補(bǔ)的情況下，可采用聚氨醋貓結(jié)劑修補(bǔ);當(dāng)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(bǔ)困難或無法修補(bǔ) 時(shí)，可采用堵塞通道的方法。

    2.2.爭(zhēng)導(dǎo)流片和封頭

    導(dǎo)流片一般布置在流道進(jìn)出口的部位，其作用是使進(jìn)人芯體的流體能夠均勻分布。導(dǎo)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(zhì)、連接芯體和工藝管道，其結(jié)構(gòu)有多種形式。有文獻(xiàn)提出運(yùn)用有限元分 析軟件對(duì)3種常見的封頭結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行模擬，并根據(jù)ASME規(guī)范進(jìn)行了強(qiáng)度校核，發(fā)現(xiàn)3種封頭結(jié)構(gòu) 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(shè)備中的應(yīng)用

鋁制板翅式換熱器在空分設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用，主要有進(jìn)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(shí)現(xiàn)作為原料氣的空氣、增壓空氣和氧氣、氮?dú)?、污氮?dú)獾确盗鳉怏w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(jī)前溫度，各返流氣體由低溫復(fù)熱至常溫。

    主換熱器流道布置主要采用復(fù)疊布置，即一層熱流對(duì)應(yīng)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(yán)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(duì)應(yīng)一層冷流。如何布置流道還是應(yīng)該根據(jù)具體情況來確定。 在通道排布時(shí)，應(yīng)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(gè)芯體中冷熱不均的現(xiàn)象。這里需要注意的是空分設(shè)備開車啟動(dòng)時(shí)， 返流氧氣、氮?dú)膺€未產(chǎn)生，只有返流污氮?dú)饽軌蛱峁├淞?。為了加快啟?dòng)速度，使增壓空氣盡快降 溫進(jìn)人透平膨脹機(jī)，理論上可將污氮?dú)獠贾迷谠鰤嚎諝獾呐赃?，但還是應(yīng)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?dú)狻⑽鄣獨(dú)馐挂嚎?、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(cè)采用換熱系數(shù)大、低而疏的鋸齒形翅片，氣側(cè)則采用高而密的鋸齒形 翅片。由于空分設(shè)備等級(jí)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(jiǎn)稱:主冷)的作用是使下塔頂部氮?dú)饫淠?，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(shí)，會(huì)采用立式雙層的 形式。隨著杭氧生產(chǎn)的空分設(shè)備等級(jí)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?？紤]運(yùn)輸極限，近年一些特大型空分設(shè)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(xiàn)對(duì)大型空分設(shè)備中主冷的典 型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹和總結(jié)，并重點(diǎn)介紹了杭氧與西安交通大學(xué)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(cè)均為相變換熱，換熱系數(shù)較大，故采用翅片高度相對(duì)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?dú)庥上滤敳恳鲞M(jìn)人芯體單元，冷凝 液氮在芯體下部的封頭匯集由出口管導(dǎo)出。考慮到液氧操作的安全性，液氧側(cè)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(shè)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(jìn)人粗氫冷凝器蒸發(fā)。板式芯體通常為1個(gè)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(jìn)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(cuò)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(shí)需設(shè)置粗氫液化器。從精氫冷凝器中抽出的部分液氮進(jìn)人粗氫液化 器進(jìn)行蒸發(fā)，從粗氫冷凝器粗氫側(cè)中抽出的部分不凝性氣體進(jìn)人粗氫液化器進(jìn)行再度冷凝，冷凝后的粗液 氫進(jìn)人精氫塔。板式芯體通常為1個(gè)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(gè)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(jìn)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?dú)饫淠夯０迨叫倔w 通常為，個(gè)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(jié)束語

    近年來，隨著CFD技術(shù)的應(yīng)用，板翅式換熱器的設(shè)計(jì)、研究進(jìn)人了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期。但是目前CFD技術(shù)進(jìn)行的研究與工程實(shí)際需求還相差較遠(yuǎn)，還需要理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和CDF數(shù)值模擬三者緊密的結(jié)合起來，互相補(bǔ)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(yīng)用。隨著板翹式換熱器技術(shù)的不斷進(jìn)步和新材料、新工藝的不斷開發(fā)，可以預(yù)期板翹式換熱器的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U(kuò)展，板翹式換熱器在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中將起到更大的作用。