第九章板翅式换热器 第一节板翅式换热器概述 、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
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。 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
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
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 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
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
、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 h (9-1) U 2(x+y) 当量直径 4A 2xy (9—2) 每层通道自由截面积 A 每层通道传热表面积 图0-1翅片的几何尺寸 片高度h;短片厚度d姐片间距与翅片有效 2(x+ y)wL 宽度w片有效长度L通道层数n两板厚度d 片内距x=5一6矩片内高y=hr-0y (9-4) 板束n层通道自由截面积 A yn (9-5) 板束n层通道传热表面积 F=2(x+y)wLn 6 S 一次表面面积
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 (x y) xy U A rh + = = 2 （9—1） 当量直径 x y xy U A d r e h + = = = 4 2 4 （9—2） 每层通道自由截面积 f i s xyw A = （9—3） 每层通道传热表面积 f i s x y wL F 2( + ) = ` （9—4） 板束 n 层通道自由截面积 f s xywn A = （9—5） 板束 n 层通道传热表面积 f s x y wLn F 2( + ) = （9—6） 一次表面面积
Fh (9—7) x 二次表面面积 9—8) y 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 翅翅 翅 通道截传热当量二次表面 翅片高/厚|距 面积4面积直径所点的面 型式|(mm ①F②a.积比例 (mm(m (m)(m2)(mm)5/F m 0.0082 平直95021.7 650.3/21/00053 272.580.86 7612790.775 形4.70320 0.0037 6.1|245 0.722 4 0.0082 锯齿9502170051273238085 470.32.0000376.12450.722 320.33.5 4 3493.040.476 0.0026 0.0053 打孔650.32.117612.790775 470.3200.0037562450.696 形32033.54333:040445 0.0026
F x y x Fb + = （9—7） 二次表面面积 F x y y Ff + = （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 f h (mm ) 翅 厚 f (mm ) 翅 距 f s (m m) 通道截 面积 Ai ① (m2 ) 传 热 面积 Fi ② (m2 ) 当 量 直径 e d (mm) 二次表面 所点的面 积比例 Ff / F 平 直 形 9.5 6.5 4.7 0.2 0.3 0.3 1.7 2.1 2.0 0.0082 1 0.0053 1 0.0037 4 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 0.0082 1 0.0053 1 0.0037 4 0.0026 5 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 0.0053 1 0.0037 4 0.0026 7.61 5.6 3.3 2.79 2.45 3.04 0.775 0.696 0.445
积趸指 W=1m、有效长度=imn时莓层 通道的F 、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)提髙传热效率,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
5 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。 板 b)平直题片 翅片 c)锯内形想片 封条 a)扳束结构 4)打孔翅片 e)波放翅片 图-2板知式换热器的板束结构及翅片型式 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
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。隔板商尾型 燕尾槽型 矩形截面型 图9-3封条结构形式 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93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
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 复合层 封条之间采 9,14 用图9—4 所示的连接 图9-4封条的连接结构 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 翅片 与避 NN观 免通 图9-5导流板的布置形式 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
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