第九章 板翅式换热器
第一节 板翅式换热器概述
一、板翅式换热器的发展
板翅式换热器首先使用于汽车与航空工业中，最早生产的是铜墙质浸焊的板翅式换热器。本世纪四十年代中期出现了更轻巧的铝质浸焊板翅式换热器，随后研究与使用了更多结构形式的翅片，使得板翅式热热器趋于更加紧凑、轻巧。五十年代开始在空气分离设备中应用板翅式换热器，因而板翅式换热器的研究、试验、设计与制造也得到有力的推进。目前，板翅式换热器正在低温技术、化工、制冷等一些工业部门推广使用。
板翅式换热器在期初期的发展阶段，由于人们对其传热机理及设计依据缺乏认识，再加上结构与工艺方面也存在着一些问题，因此在相当长的一段时间内处于摸索阶段。二十世纪四十年代，美国诺利斯以及美国海军研究署、船舶局、航空局等在这方面做了大量的研究工作，后来凯斯和伦敦二人编著了《紧凑式换热器》，较系统地总结了研究成果，在目前这已成为设计板翅式换热器的基本参考文献。
板翅式换热器发展中的另一方面问题是制造工艺。板翅式换热器制造工艺中碰到的主要问题是局部脱焊（即在钎焊过程中局部没有烛牢而形成薄弱的环节），这导致板翅式换热器承压能力下降，或在承受交变负载的切换式换热器中产生疲劳破坏。这个问题经历了一个漫长而曲折的过程才得到解决。
我国板翅式换变器的研制开始于六十年代的中期，由杭州制氧机厂、杭州制氧机研究所、营口通风机构厂、开封空分设备厂、上海第一五金厂等单位协作，先后研制了6000、3200、10000m3/h等空气分离设备中应用的板翅式换热器。后来，机械工业部组织了攻关小组，重点解决了制造中的某些关键性问题。1972年9月，机械工业部在开封召开的“板翅式换热器制造技术攻关经验交流会”系统地总结了前一阶段的研制与攻关经验，制定了有关的技术文件，为我国的板翅式换变器的设计及制造打下了一个良好的基础。
对于无相变板翅式换热泪盈眶器的传热机理与设计数据目前已经基本掌握，但是当涉及到相变换热，特别是对于多股流、多组分的相变换热，目前进行的研究尚少，资料出较欠缺。
二、板翅式换热器在低温技术中的应用。
1．板翅式换热器在气体离中的应用
目前，板翅式换热器已被广泛应用在人气分离设备中。空气分离设备使用板翅式换热器所带来的好处是：（1）铝制板翅换热器可以在低温下工作，取代了昂贵的铜制换热器：（2）由于高效率、紧凑和轻巧等特点，使得空气分离设备采用板翅式换热器之后外形尺寸缩小，跑冷损失减少，膨胀空气量减少、经济指标提高；同时由于整个设备热容量的减少，启动时间缩短；（3）采用切换式板翅式换热器代替蓄冷器之后，由于尺寸缩小、切换周期延长，可以减少切换时的空气放空损失，降低电耗，使空气分离设备的运行工况更加稳定。
但是板翅式换热器并不能完全取代蓄冷器。因板翅式热器受钎接容量的限制，单元尺寸不能很大；而使用多单元的板翅式换热器的组合时，单元之间与流道之间气流难以均匀分配，外部管网连接又较复杂。因此在特大容量的空气分离设备中，板翅式热器还得让位于蓄冷器。
除了空气分离以后，板翅式换热器还广泛地应用于天然气及合成氧尾气的分离设备中。
2．板翅式换热器在深低温领域中的应用
板翅式换热器可以在200℃到绝对零度的温度区间工作。对于液氢和以液氢精馏生产重水的装置，板翅式换热器在氢纯化工艺中获得满意的使用效果，它能够满足在液氢温度下制水的装置，板翅式换热器在氢红化工艺中获得满意的使用效果，它难免满足在液氢温度下抽取氘的全部工艺要求。六十年代以后，板翅式换热器用于更低的温区，在大型氦液化器与氦制冷装置中，板翅式换热器也得到广泛的应用。板翅式换热器根据其地构的特点，比较适合于在低、中压范围内工作，故对于深低温领域用的板翅式换热器需要进一步研究，以提高其承压能力。
三、板翅式换热器的特点
1．传热效率高 由于翅片对流体的扰动，使边界层不断破裂，因而具有较大的换热系数；同时由于制造板翅式换热器金属的高导热性，所以使得板翅式换热器可以达到很高的效率。
2．紧凑 由于板翅式换热器具有扩展的二次表面，使得它的比表面积可达1000~2500m2/m3。
3．轻巧 由于紧凑且多由铝合金制造，所以显得轻巧。
4．适应性大 板翅式换热器可以适用气一气、气一液、液一液间各种不同流体的换热，以及发生集态变化经的相变换热。通过流道的布置和组合能够适应逆流、错流、多股流、多程流等不同的换热工况。通过单元间串联、并联、串并联的组俣可以满足不同的换热需要。工业上可以定型成批生产，以降低成本，扩大互换性。
5．板翅式换热器制造工艺复杂，要求严格。
6．容易堵塞，不耐腐蚀，清洗检修较困难。
第二节 板翅式换热器的结构
一、翅片的结构参数
翅片的几何尺寸常用图9—1所示的符号表示。
根据几何尺寸、翅片结构参数的计算公式如下：
水力半径
（9—1）
当量直径
（9—2）
每层通道自由截面积
（9—3）
每层通道传热表面积
` （9—4）
板束层通道自由截面积
（9—5）
板束层通道传热表面积
（9—6）
一次表面面积
（9—7）
二次表面面积
（9—8）
国产标准翅片的结构参数风表9—1。
在文献[2]中，提供有56种翅片的结构参数及试验数据。
表9—1 国产标准翅片的结构参数
翅片型式
翅 高
(mm)
翅 厚
(mm)
翅 距
(mm)
通道截面积①
(m2)
传热面积
②(m2)
当量直径
(mm)
二次表面所点的面积比例
平直形
9.5
6.5
4.7
0.2
0.3
0.3
1.7
2.1
2.0
0.00821
0.00531
0.00374
12.7
7.61
6.1
2.58
2.79
2.45
0.861
0.775
0.722
锯齿形
9.5
6.5
4.7
3.2
0.2
0.3
0.3
0.3
1.7
2.1
2.0
3.5
0.00821
0.00531
0.00374
0.00265
12.7
7.61
6.1
3.49
2.58
2.79
2.45
3.04
0.861
0.775
0.722
0.476
打孔形
6.5
4.7
3.2
0.3
0.3
0.3
2.1
2.0
3.5
0.00531
0.00374
0.00265
7.61
5.6
3.3
2.79
2.45
3.04
0.775
0.696
0.445
①通道截面积是指有效宽度W=1m时每层通道的Ai值。
②传热面积是指有效宽度W=1m、有效长度L=1m时每层通道的Fi值。
二、板翅式换热器的基本无件
枝翅式换热器板束的基本结构及基本元件，见图9—2，它是由隔板、翅片、封条、导流板等组成。在相邻两隔板之间放置翅片及封条，组成一夹层，称为通道。将这样的夹层根据流体的不同流动方式叠置起来，钎焊成一整体，便组织板束。板束是板翅式换热器的核心部分，配以必要的封头、接管、支承就组成了板翅式换热器。
（一）翅片
翅片是板翅式换热器的基本元件，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。翅片的作用是：（1）扩大传热面积，提高换热器的紧凑性，翅片可看做是隔板的延伸和扩大，同时由于翅片具有比隔板大得多的表面积，因而使紧凑性明显增大。（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的扰动，使边界层不断地破裂或更新，从而有效地降低了热阻，提高了传热效率。（3）提高换热器的强度和承压能力，由于翅片的支撑加固，使板束形成牢固的整体，所以尽管隔板起翅片都很薄，但却能承爱一定的压力。
根据不同的工质和不同的传热情况，可以采用不同结构型式的翅片。常用的几种翅片结构型式见图9—2。
2．锯齿形翅片 锯齿形翅片可看做平直翅片切成许多短小的片段并相互错开一定间隔而形成的间断式翅片。这种翅片对促进流体的湍动，破坏热阻边界层十分有效，属于高效率翅片。但流体通过锯齿形翘片时其流动阻力相应增大。锯齿形翅片普遍用在需要强化传热（尤其是气侧）的场合。
3．多孔翅片 多、孔翅片系先在薄金金属片上冲孔，然后再冲压或滚轧成形。翅片上密布的小孔使热阻边界层不断地破裂，从而提高了传热性能。也有利于流体均布，但在冲孔的同时，也使翅片传热面积减少，翅片强度降低。多孔翅片主要用作层流板以及流体中夹杂着颗粒或相变换热的场合。
4．波纹翅片 波纹翅片是将薄金属板冲压或滚轧成一定的波形，形成弯曲流道，不断改变流体的流动方向，以促进流体的湍动，分离和破坏热阻边界层，其效果相当于翅片的折断。波纹愈密、波幅愈大，越能强化传热。
（二）隔板
隔板的作用在于分隔并形成流道，同时承受压力。隔板尚卢一次传热表面的作用，故其厚度应有满足承压的条件下尽可能减薄。隔板通常使用两面涂覆铝硅合金薄层的复合板。隔板与翅片、隔板与封条之间的钎焊边接就是依靠这一薄层的铝硅作为焊料钎焊成牢固整体的。
（三）封条
封条出叫侧条，它位于通道的四周，起到分隔、封闭流道的作用。
板翅式换热器的封条有多种形式，常用的有如图9—3所示的燕尾槽型、矩形截面型等。封条上、下两面向两侧具有斜度为3%的斜率，这是为了在与隔板组合成板束时形成缝隙，便于钎接焊料渗入而形成饱满的钎接焊缝隙。
封条与封条之间采用图9—4所示的连接方式。
（四）导流板与封头
导流板位于流道的两端，其作用是为了引导由进口管经封头流入板束的流体，使之均匀地分布于流道之中；或是汇集从流道流出的流体，使之经过封头由出口管排出。此外，导流板尚有保护翅片与避免通道堵塞的作用。导流板结构设计的原则可以概括为：（1）保证流道中流体的均匀分析，流体由进、出口管到流道之间的顺利过渡；（2）在导流板中流体阻力与传热应保持在最小的恒定值（在板翅式换热器的设计计算中，有效长度通常均采用板束全长扣除导流板长度以后的数值）；（3）导流板的耐压强度应该与整个板束的承压能力匹配；（4）便于制造。
导流板的布置形式与封头及换热器的结构密切相关，如图9—5所示。
封头的结构设计主要取决于工作压力、气流数、换热器的流道布置以及是否切换等等。对于工作压力较高的板翅式换热器以及频繁切换的切换热器，其封头的结构设计尤应注意连接断面的强度，一般应采用小封头的结构或其它加强措施，以保证强度。
三、流道布置
板翅式换热器可以通过流道的不同组合，布置成逆流、错流、顺流、多股流、多程流，其结构示意图见图9—6。
逆流是用得最普遍，也是最其本的流道布置形式。错流一秀用在其有效温差并不明显地低于逆流显差的场合，或一侧流体的温度变化不大于冷、热流体最大浊差之半的情况。例如空气分离设备中的液化器，采用错流布置可以向低压气流提供较大自由流通截面的通道和较短的流道长度，而有效温差并不明显降低。多股流用于多种流体同时进行换热，如空气分离设备中的切换式换热器。多程式流用于压力相差很大的两种流体之间的热交换，高压侧布置成多回路、小截面以保持较高的流速。
板翅式换热器由于工艺条件的限制，单元尺寸不能做得很大（目前最大的板束单元尺寸约为1200×1200×7000mm）。大型板翅式换热器需要通过许多单元板束的串联、并联进行组合。在单元组合时，很重要的一个问题就是如何使流体在这些单元板束中均匀分配。
单元组合基本上有如图9—7所示的三种方式。从流体均匀角度应尽量采用对称形，避免并流形。同时由于各单元气体阻力可能不相等，组俣时应注意匹配得当。工艺管道布置也要注意这一点。
串联组装、并联组装及串联混合组装的示意图见图9—8至9—10。
五、空气分离设备中的板翅式换热器
板翅式换热器的基本结构已如前述，作为应用例子仅举出在空气分离设备中普遍应用的中种换热器。
1．切换式换热器 空气分离设备中的切换式换热器是用来实现空气与污氮及氮、氧等产品气体之间的热交换，并使空气中的水分、二氧化碳冻结清除。老的6000m3/h空气分离设备的切换式换热器的热段见图9—11，它共有两大组，每大组有5小组并联，每小组有两个单元板束串联组成。
新的6000m3/h空分设备的切换式换热器分为两组，每组4个单元；冷段、热段各为一个单元，即冷段、热段串联成为一列，两列并联为一组，两组组成整个切换式换热器。单元尺寸为3300×1000×1140mm，每个单元有101个通道。
新老结构对比，新结构的主要改进在于：通道排列方式有了改进；冷段适当加长，提高了环流出口温度，并使CO2冻结清除的条件得到改善；单元尺寸加大，单元数减少，有利于气流均布并使管网系统简化。而且新结构的切换式换热器的翅片成型、钎接质量、焊接结构、寿命等都有明显提高，因而被列为国家优质产品。
切换式换热器的特点是：（1）气一气换热 由于换热系数较小，所以采用相对高而薄的（9.5×0.2×1.7mm或9.5×0.2×1.4mm）锯齿形翅片；（2）为冻结清除空气中的H2O、CO2，空气与污氮通道数相等，气流定期切换；（3）多股流换热 热段4股、冷段5股（冷段增加一股环流，以保证不冻结性）。
2．冷凝蒸发器 冷凝蒸发器的作用是使下塔顶部氮气凝结，上塔底部液氧蒸发，以提供下塔的回流液和上塔的上长江蒸气。老的6000m3/h空气分离设备冷凝蒸发器的结构见图9—12。
新的6000m3/h空分设备的冷凝蒸发器由5个单元组成，星形排列，单元尺寸为2100×750×560mm。每个单元81层通道，其中奇数41层为氧通道，偶数40层为氮通道。与老结构相比，其主要改进在于：改善了板束的冷凝蒸发器中的分布，还有利于传热与流体动力工况。
冷凝蒸发器采用板翅式的特点是：（1）两侧均匀相变换热，换热系数较大，故采用相对低而厚的（6.5×0.3×2.1mm）打孔翅片或平直翅片；（2）一般采用星形单层或多层排列结构，便于与精馏塔一起组装。
3．液化器 液化器主要用来调节切换式换热器冷端温差，保证不冻结性以及产生与积累液空。在液化器中空气被冷却液化，污氮（或氧、氮）则被加热。6000m3/h空气分离设备的液化器如图9—13所示。液化器采用板翅式的特点是：（1）采用错流布置，液空一侧温度基本维持不变；（2）液空侧发生相变，换热系数液侧比气侧大得多，所以除液侧采用低而厚的翅片，气侧采用高而薄的翅片以外，尚采用复叠式布置，气侧通道数为液侧的两部。
4．过冷器 过冷器用于使液空、液氮过冷，以减少气比率，增加上塔回流液，改善精馏工况。6000m3/h空气分离设备的液空过冷器见图9—14。
