板翅式换热器在空分设备中的应用情况

                                                      朱平   骆剑峰
                                                    杭州杭氧股份有限公司设计院

    摘要：简单介绍了板翅式换热器的发展过程及现状，对板翅式换热器的结构和基本元件，以 及在空分设备中的具体应用进行了详细叙述。

    关键词：板翅式换热器;翅片;空分设备;应用

    1.板翅式换热器简介

    板翅式换热器作为一种紧凑式换热器具有结构紧凑、质量小和传热效率高等优点。由于板翅式 换热器技术要求高，生产难度大，目前只有英国、美国、法国、中国、日本和德国6个国家从事板 翅式换热器工业化生产。在我国，板翅式换热器已在空气分离、石油化工(乙烯、合成氨、天然气 分离和液化)、动力机械及航天等领域得到广泛应用。 国外从20世纪30年代开始研制板翅式换热器，50年代开始在空分设备中应用。自60年代以来， 随着冶金、化学工业对空分设备的大量需要，板翅式换热器的研究、设计和制造也得到了迅速的发展。 在我国，铝制板翅式换热器由杭氧等单位在20世纪60年代中期研制成功，并首先在空分设备上 得到应用。20世纪90年代初，杭氧引进国外某公司大型真空钎焊炉和板翅式换热器的制造技术，使 杭氧在板翅式换热器制造技术上得到飞速发展。杭氧现在不仅能生产低压换热器，还能生产高压换 热器(最高设计压力达8.OMPa)。2003年5月，杭氧新建一座大型真空钎焊炉，可生产尺寸规格为 7500mmx1300mmx1300mm的超大型板翅式换热器，生产技术水平跃上一个新台阶。

    2.板翅式换热器结构与基本元件

    2.1板翅式换热器结构

    在板翅式换热器的芯体部分由翅片、封条和隔板组成(如图l所示)。在相邻两隔板之间放t翅 片、导流片和封条，组成一个夹层，称为通道。将这样的夹层根据各换热流体的不同流动方式适当 地排列叠置，钎焊成一个整体，便组成了板翅式换热器的芯体。芯体部分是板翅式换热器进行换热 的核心部分，再配置必要的封头、接管和支承就组成了板翅式换热器。

                       

    2.2甚本元件

    2.2.1翅片

    翅片是板翅式换热器最基本的元件，翅片的选择对于设计有很大的影响，板翅式换热器中的传 热过程主要是通过翅片的热传导以及翅片与流体之间的对流换热来完成的。翅片的作用:

    (l)扩大传热面积。作为隔板的延伸和扩展，获得二次传热面，使换热器结构更紧凑。

    (2)提高传热效率。由于翅片的特殊结构，流体在通道中形成强烈扰动，使边界层不断破 裂、更新，从而有效地降低了热阻，提高了传热效率。曾经对平直形和锯齿形两种翅片形式的板翅 式换热器的微小通道进行了CFD技术模拟，得到了流体在通道中流动与传热的特性，并对两种翅片 结构的换热性能进行比较，从微观角度证明了锯齿形翅片高换热效率的根本原因。

    (3)提高强度和承压能力。翅片起到了支撑两隔板和加强肋的作用，尽管翅片很薄，却能承 受较大压力。

    不同的工质、工况下应采用不同结构形式的翅片，常用翅片形式主要有平直、多孔、锯齿和波 纹4种。除此以外，还有数十种异形翅片结构形式。

    对温差和压差比较大的情况，选用平直形翅片为宜;反之，则应选用锯齿形翅片;多孔形翅片 多用于有相变的情况。有文献提出在同样翅片高度的情况下，翅片的节距变小，其翅片性能有提高的趋势，所以所有形式的翅片应向节距缩小的方向发展;同时还指出，适当高度和节距的多孔形翅片，其性能不亚于锯齿形翅片，尤其在层流的使用条件下性能更显著。

    2.2.2月板和封条

    隔板的作用是分隔并形成通道，承受压力的同时还起着一次传热面的作用。通常采用两面涂祖铝硅合金的复合板，其厚度应根据所受压力的大小确定。

封条位于通道的四周，起到分割、封闭通道的作用，其厚度也应根据所受压力的大小确定。 板翅式换热器在制造时可能会在局部出现泄漏的情况。当损坏发生在换热器外表面或封条附近位置的钎焊面时，通常采用氢弧焊或低温钎料进行修补。在条件不允许焊接修补的情况下，可采用聚氨醋猫结剂修补;当因芯体内部深处隔板出现裂纹和融蚀产生泄漏，造成修补困难或无法修补 时，可采用堵塞通道的方法。

    2.2.争导流片和封头

    导流片一般布置在流道进出口的部位，其作用是使进人芯体的流体能够均匀分布。导流片主要 采用多孔形翅片，其节距、厚度和小孔直径均比普通多孔形翅片大。

    封头的作用是集聚介质、连接芯体和工艺管道，其结构有多种形式。有文献提出运用有限元分 析软件对3种常见的封头结构形式进行模拟，并根据ASME规范进行了强度校核，发现3种封头结构 的最薄弱部位都位于半圆柱与端板截交的区域。

    3.板翅式换热器在空分设备中的应用

铝制板翅式换热器在空分设备中有着广泛的应用，主要有进行多股流换热的主换热器、过冷器 等，还有作为上下塔、粗氨塔和精氢塔的冷凝器、蒸发器以及制叙系统中的液化器等。

    3.1主换热器

    主换热器的作用是实现作为原料气的空气、增压空气和氧气、氮气、污氮气等返流气体之间的 热交换。空气由常温冷却到1OOK左右，增压空气由常温冷却至膨胀机前温度，各返流气体由低温复热至常温。

    主换热器流道布置主要采用复叠布置，即一层热流对应两层冷流。但在特殊情况下(如高压流 体或有相变的情况下)，也可以不必严格遵循热、冷通道1:2的比例。某些高压热流或有相变的冷流 可以采用单益布置，即一层热流对应一层冷流。如何布置流道还是应该根据具体情况来确定。 在通道排布时，应考虑各流体在芯体中尽可能均匀、分散地排布。在整体热平衡的前提下，兼 顾局部的热平衡，避免出现一个芯体中冷热不均的现象。这里需要注意的是空分设备开车启动时， 返流氧气、氮气还未产生，只有返流污氮气能够提供冷量。为了加快启动速度，使增压空气尽快降 温进人透平膨胀机，理论上可将污氮气布置在增压空气的旁边，但还是应该注意综合考虑局部热平 衡状况，在合适的情况下多采用这样布置。

    3.2液空液氮过冷器

    液空液氮过冷器是利用冷流氮气、污氮气使液空、液氮等过冷，以减少汽化率，增加上塔回 流，改善精馏工况。一般液侧采用换热系数大、低而疏的锯齿形翅片，气侧则采用高而密的锯齿形 翅片。由于空分设备等级提高致使板翅式换热器尺寸加大，也可选用其他类型翅片，从而在不加大 阻力的情况下减小芯体截面尺寸，方便了生产制造。

3.3冷凝燕发器

冷凝蒸发器(以下简称:主冷)的作用是使下塔顶部氮气冷凝，上塔底部液氧蒸发，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为:与上、下塔连接整体的冷凝燕发器，换 热器单元一般采用星形单层布置，方便与精馏塔组装。在需要较大换热面积时，会采用立式双层的 形式。随着杭氧生产的空分设备等级不断提高，板翅式换热器尺寸也不断增加，立式单层甚至双层 都已无法满足要求。考虑运输极限，近年一些特大型空分设备的主冷已开始采用卧式。 除以上形式外，还有高热流管壳式主冷和膜式主冷等形式，有文献对大型空分设备中主冷的典 型结构进行了介绍和总结，并重点介绍了杭氧与西安交通大学合作开发的狭缝微膜双层冷凝蒸发器。

    板翅式主冷的两侧均为相变换热，换热系数较大，故采用翅片高度相对小的多孔形翅片。液氧 蒸发通道上下两端敞开，液氧蒸发形成上塔的上升蒸汽。氮气由下塔顶部引出进人芯体单元，冷凝 液氮在芯体下部的封头汇集由出口管导出。考虑到液氧操作的安全性，液氧侧采用全浸方式并采用 较大的翅片节距。

    3.4制妞系统各换热器

    带氢系统的空分设备除了主换热器、主冷和过冷器外，还包括粗氢冷凝器、粗氢液化器、精姐 冷凝器和精氢蒸发器等换热器。

    3.4.，粗妞冷凝舰

    粗氢冷凝器位于粗氮塔顶部，将粗氢塔上部氢含量为%%左右的粗缸气冷凝;从下塔底部抽出的液空经节流进人粗氢冷凝器蒸发。板式芯体通常为1个单元，其中液空蒸发通道上下两端敞开， 粗氢气由粗氨塔顶部经过桥管和上封头进人板式单元，冷凝成的液氢再回流到最上一块塔板上参与 精馏。粗氢气冷凝通道与液空蒸发通道为错流或逆流单叠布置方式。

    3.4.2粗妞液化器

    根据工艺流程的不同，有时需设置粗氢液化器。从精氢冷凝器中抽出的部分液氮进人粗氢液化 器进行蒸发，从粗氢冷凝器粗氢侧中抽出的部分不凝性气体进人粗氢液化器进行再度冷凝，冷凝后的粗液 氢进人精氢塔。板式芯体通常为1个单元，其中液氮蒸发通道翅片尺寸规格为6.决沂即x1.7mmxQZ”m; 粗氢气冷凝通道翅片尺寸规格为6.35mmx2.Ommx0.2mm，粗氢气冷凝通道与液氮蒸发通道为单处布方式。

    3.4.3精盆冷凝器

    精叔冷凝器位于精氢塔顶部，将精氢塔上部纯氢气冷凝液化;来自主冷的液氮蒸发。板式芯体 通常为l个单元，其中液氮蒸发通道上下两端敞开，纯氢气由精氢塔顶部经桥管和上封头进人板式 单元，冷凝成的液氢再回流到最上一块塔板参与精馏。精氢气冷凝通道与液氮蒸发通道为逆流单益 布置方式。

    3.4.4精妞燕发舒

    精氢蒸发器位于精氛塔底部，将精氛塔底部的液氢蒸发，来自下塔的氮气冷凝液化。板式芯体 通常为，个单元，其中液氢蒸发通道上下两端敞开，精氢气冷凝通道与液氮蒸发通道为逆流单盛布 置方式。

    4.结束语

    近年来，随着CFD技术的应用，板翅式换热器的设计、研究进人了一个新的发展时期。但是目前CFD技术进行的研究与工程实际需求还相差较远，还需要理论分析、实验研究和CDF数值模拟三者紧密的结合起来，互相补充。 在空分以及石化行业，板翘式换热器已经得到广泛的应用。随着板翘式换热器技术的不断进步和新材料、新工艺的不断开发，可以预期板翘式换热器的应用领域将不断扩展，板翘式换热器在国民经济发展中将起到更大的作用。