板殼式換熱器的應(yīng)用和進(jìn)展

蔡麗萍 郭國義 陳定岳 肖云曉

（寧波連通設(shè)備制造有限公司)

換熱技術(shù)

板殼式換熱器的應(yīng)用和進(jìn)展

蔡麗萍*郭國義 陳定岳 肖云曉

（寧波連通設(shè)備制造有限公司)

評(píng)述了近年來有關(guān)板殼式換熱器的研究進(jìn)展，著重介紹了板殼式換熱器的結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)和制造技術(shù)。還介紹了板殼式換熱器的工業(yè)應(yīng)用情況。

板殼式換熱器 板管 板束 管板 制造技術(shù)

Abstract:In thispaper,reviewed the latest research developmentof the plate and shellheatexchanger,emphasized on the structure,performance characteristicsandmanufacturing of the plate and shellheatexchanger.The industrialapplicationsof the plate and shellheatexchangeralso have been introduced.

Keywords:Plateand shellheatexchanger；Sheet-tube；Bundleofsheet-tube；Tube plate； Manufacturing technology

板殼式換熱器是介于板式換熱器和管殼式換熱器之間的產(chǎn)品，它具有板式換熱器和管殼式換熱器兩者的優(yōu)點(diǎn)。目前，普遍使用的管殼式換熱器已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足大型化、現(xiàn)代化裝置的需要。為實(shí)現(xiàn)煉油化工裝置的大型化、現(xiàn)代化，必須解決原有關(guān)鍵換熱設(shè)備占地面積大、單臺(tái)設(shè)備重量大、資金投入大以及能耗高的不足。大型板殼式換熱器適應(yīng)了煉油化工技術(shù)發(fā)展和煉油化工裝置增效節(jié)能的需要，是新一代換熱設(shè)備。本文就板殼式換熱器的結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)和工業(yè)應(yīng)用等方面做了簡述，可供板殼式換熱器生產(chǎn)管理人員和技術(shù)人員參考。

1 板殼式換熱器的結(jié)構(gòu)

目前板殼式換熱器結(jié)構(gòu)樣式繁多，但大體上分為導(dǎo)孔型結(jié)構(gòu)和板管型結(jié)構(gòu)兩大類。導(dǎo)孔型板殼式換熱器主要適合于中小型換熱器，板管型板殼式換熱器則適合于大型換熱器。

導(dǎo)孔型板殼式換熱器的內(nèi)部核心是由一組特制的、幾何結(jié)構(gòu)相同的金屬圓板片完全焊接而成，形成一個(gè)圓柱狀的換熱板組，板中的兩個(gè)圓孔形成了板程流道，殼體和板片之間形成了殼程流道。為了使殼程流體通過板間流動(dòng)，通常在殼體和板組之間加導(dǎo)流塊[1]。導(dǎo)孔型板殼式換熱器根據(jù)結(jié)構(gòu)又分為全焊接型 （見圖1）、可拆卸型 （見圖2）、緊湊型（見圖3）三類。導(dǎo)孔型板殼式換熱器換熱面積存在一個(gè)問題，即面積不能做得很大，最大為1 800 m2，因此不能滿足大型化裝置的需要。

板管型板殼式換熱器主要由板管束和殼體兩部分組成，如圖4所示。將冷壓成型的成對(duì)板條的接觸處嚴(yán)密地焊接在一起,構(gòu)成一個(gè)包含多個(gè)扁平流道的板管 （見圖5）。許多個(gè)寬度不等的板管按一定次序排列。為保持板管之間的間距，在相鄰板管的兩端鑲進(jìn)金屬條，并與板管焊在一起。板管兩端部便形成管板，從而使許多板管牢固地連接在一起構(gòu)成板管束。板管束的端面呈現(xiàn)若干扁平的流道（見圖6） 。板管束裝配在殼體內(nèi)，它與殼體間靠滑動(dòng)密封消除縱向膨脹差，有些設(shè)置膨脹節(jié)解決膨脹問題。設(shè)備截面一般為圓形,也有矩形、六邊形等。A流體在板管內(nèi)流動(dòng)，B流體則在殼體內(nèi)的板管間流動(dòng)。隨著工業(yè)裝置的大型化，為了適應(yīng)大熱負(fù)荷的需要，用金屬波紋板片組成傳熱板束代替早期的由金屬條焊接而成的傳熱板束，形成了新的板殼式換熱器。金屬板片主要有兩種成型方式：一種是傳統(tǒng)的軋制成型，另一種是爆炸成型。爆炸成型國外已較為成熟，Alfa Laval公司開發(fā)的Packinox板殼式換熱器的傳熱板束是爆炸成型的，傳熱面積可達(dá)16 000m2。[2]但其制造難度大，國內(nèi)還沒有這方面的經(jīng)驗(yàn)。傳統(tǒng)的軋制成型工藝成熟，容易制造。國內(nèi)大多數(shù)研究重點(diǎn)放在大型軋制板殼式換熱器上，國產(chǎn)最大的板殼式換熱器換熱面積達(dá)10 500 m2。

圖1 全焊接型板殼式換熱器

圖2 緊湊型板殼式換熱器

圖3 可拆卸型板殼式換熱器

圖4 板管型板殼式換熱器整體結(jié)構(gòu)

圖5 板管結(jié)構(gòu)

圖6 板管束端面

2 板殼式換熱器的性能

2.1傳熱性能

傳熱系數(shù)是傳熱過程的綜合反映，它的大小表征了過程傳熱能力的強(qiáng)弱，是衡量傳熱性能的傳熱指標(biāo)。

導(dǎo)孔型板殼式換熱器中的流體流動(dòng)形式和板式換熱器相似，在波紋狀通道中流動(dòng)的流體受到強(qiáng)烈擾動(dòng)，臨界雷諾數(shù)只有20～50，在很低的流速下就能達(dá)到湍流狀態(tài)，并且可實(shí)現(xiàn)純逆流換熱，所以具有很高的傳熱效率及熱回收率。板管型板殼式換熱器中物料在兩波紋板片之間的縫隙通過，這些波紋的存在使得流體不斷改變流動(dòng)方向，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)和扭轉(zhuǎn)，從而使流體內(nèi)各部分的質(zhì)點(diǎn)不斷迅速轉(zhuǎn)移，加速熱交換的進(jìn)行。一般當(dāng)臨界雷諾數(shù)為400時(shí)就可以達(dá)到充分湍流。不管是導(dǎo)孔型的還是板管型的，板殼式換熱器傳熱系數(shù)一般為管殼式換熱器換熱系數(shù)的 2～3 倍[3-8]。

板殼式、管殼式和板式三種換熱器的傳熱性能比較[1]，如表1所示。

表1換熱器傳熱性能比較

2.2流動(dòng)性能

對(duì)板殼式換熱器來說，壓降是表征介質(zhì)流動(dòng)性能的重要參數(shù)，泵的能量消耗依賴于換熱器的壓降，因此較低的壓降可以減少換熱器的操作費(fèi)用。換熱器的壓降主要來自于介質(zhì)在換熱器中流動(dòng)所遇到的阻力。阻力主要來自三個(gè)方面：一是介質(zhì)本身的特性，與運(yùn)動(dòng)黏度有關(guān)，當(dāng)介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)黏度越大時(shí)，阻力越大；二是換熱板片的特性，與板型或結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，表面粗糙度較大、板片較長 （長寬比較大）、波紋深度較淺、節(jié)距較小，都會(huì)使介質(zhì)遇到的阻力加大；三是介質(zhì)流動(dòng)的特性，與流速有關(guān)，流速越高，遇到的阻力就越大。

對(duì)于導(dǎo)孔型板殼式換熱器，雖然波紋板通道內(nèi)的局部阻力比光滑表面要大，但由于板片數(shù)目多，并列的通道數(shù)目較多，因而流動(dòng)速度并不高。再加上通道長度短，所以其總體壓降反而比其它型式的換熱器更小一些，因此運(yùn)輸流體所需的功率減小[9]。

對(duì)于板管型板殼式換熱器，雖然板殼式換熱器對(duì)給定的流道面積來說其當(dāng)量直徑較小，由于管束直通，殼程無須設(shè)置折流板，一般換熱器的壓降小于0.05MPa[8，10]。板管型板殼式換熱器通常為純逆流流動(dòng)，且采用與介質(zhì)流動(dòng)方向總體一致的順人字型板片，因此壓降僅為管殼式換熱器壓降的1/3～1/2[11]。

2.3防止污垢性能

對(duì)于板管型板殼式換熱器，波紋板片具有 “靜攪拌”作用，使冷熱介質(zhì)分別在 “板管”內(nèi)和 “板管”間不斷改變流動(dòng)方向，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)和扭轉(zhuǎn)，在很低的雷諾數(shù)下就能形成湍流，流體的強(qiáng)烈湍流減少了結(jié)垢[8，10]，冷熱介質(zhì)之間以板片為媒體進(jìn)行的熱交換非常迅速，使介質(zhì)來不及結(jié)垢[10]。但與管殼式換熱器相比，其流動(dòng)截面小，易堵塞。因此這種換熱器只在重整裝置等介質(zhì)比較干凈的場合應(yīng)用[3]。

3 制造技術(shù)的發(fā)展

板殼式換熱器的核心為板束，其制造工藝較為復(fù)雜。關(guān)鍵技術(shù)分別是板片與板束的制造。3.1板片制造技術(shù)

傳統(tǒng)板式換熱器板片的波紋成型為一次壓制成型，而大型板殼式換熱器所用的大型板片，由于受壓機(jī)噸位、尺寸及模具制造成本的限制，無法實(shí)現(xiàn)一次成型。現(xiàn)根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有的成型技術(shù)水平和加工能力，采用整板分次連續(xù)壓制成型的技術(shù)，將一張板片劃分成若干份，在萬噸油壓機(jī)上分次步進(jìn)行壓制，最終完成整張板片的成型。保證壓制出的板片每一段的長度、波紋尺寸完全一致。國外采用爆炸成型的方法，國內(nèi)還沒有這方面的經(jīng)驗(yàn)，但由于其成型的波紋板片的面積幾乎不受限制，能夠充分滿足裝置的大型化的需要。

3.2板束制造技術(shù)

導(dǎo)孔型板殼式換熱器內(nèi)部核心是由一組特制的、幾何結(jié)構(gòu)相同的金屬圓板片完全焊接而成，形成一個(gè)圓柱狀的換熱板組[1]。文獻(xiàn)[12]介紹了一種板殼式換熱器，其傳熱面芯子的焊接方法是電阻縫焊 （也稱滾焊），這種焊接方式質(zhì)量可靠，機(jī)械化程度較高，且不用消耗焊條、焊劑和惰性氣體，因而成本較低，約為普通手弧焊、氬弧焊的10%～20%。此外，為了解決相鄰的對(duì)板在兩個(gè)導(dǎo)孔周圍組焊的難題，還研制了孔內(nèi)縫焊機(jī)。

老式的板管板殼式換熱器用平板折彎以后再用電阻縫焊制作成板管，板管和管板的焊接要用氬弧焊。文獻(xiàn)[4]介紹了一種大型板殼式換熱器，其板束是由薄板壓制成型后的板片疊合而成。首先組焊兩塊成型好的板片兩側(cè)縱向焊縫 （長度一般為6～10m），稱為板束。再將按設(shè)計(jì)要求數(shù)量的板管疊合組成板束，在板束的兩端處，焊接板管與板管之間的橫焊縫。最后將板束與分隔連接板焊接。板束結(jié)構(gòu)詳見圖7。

蘭州石油機(jī)械研究所利用氬弧焊機(jī)，對(duì)各種形式的焊接試件進(jìn)行了焊接試驗(yàn)，并對(duì)焊好的試件進(jìn)行了水壓試驗(yàn)及理化試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，利用氬弧焊方法焊接不銹鋼薄板是可行的。隨后他們研制了2臺(tái)專用自動(dòng)氬弧焊機(jī)，分別用于長焊縫的焊接和橫焊縫的焊接。文獻(xiàn)[10]提到一種板殼式換熱器，其板束為全焊接結(jié)構(gòu)，整板步進(jìn)式模壓成形的LT型波紋板片在專用的TIG自動(dòng)焊機(jī)上組焊成板管，再將板管組焊成板束。

圖7 板束結(jié)構(gòu)

4 板殼式換熱器的應(yīng)用

板殼式換熱器20世紀(jì)30年代始創(chuàng)于瑞典，世界上第一臺(tái)板殼式換熱器于1981年10月在法國ELF石油公司danges煉油廠投入使用，作為CCR重整裝置混合料換熱器，取代原有的4臺(tái)臥式管殼式換熱器。國外板殼式換熱器已經(jīng)成為煉油廠催化重整、加氫及芳烴車間的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。

板殼式換熱器在中國起步較晚。中國石化工程建設(shè)公司和蘭州石油機(jī)械研究所于20世紀(jì)80年代末開始研制板殼式換熱器，1993年完成了55.6m2樣機(jī)的設(shè)計(jì)制造，并成功應(yīng)用于蘭州煉油廠10萬t/a鉑重整裝置。國內(nèi)板殼式換熱器工業(yè)應(yīng)用實(shí)例列于表2。

5結(jié)束語

綜上所述，板殼式換熱器與管殼式換熱器相比優(yōu)勢相當(dāng)明顯，傳熱系數(shù)高，壓降小，不易結(jié)垢，結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)有效降低裝置能耗。在很多高溫高壓的場合，可以替代管殼式換熱器。國內(nèi)板殼式換熱器經(jīng)過近年來的發(fā)展，結(jié)構(gòu)多種多樣，應(yīng)用范圍也從催化重整延伸到常減壓蒸餾、甲醇、芳烴和合成氨等裝置。但板殼式換熱器的開發(fā)方面與國外相比仍有差距，且板殼式換熱器的實(shí)際推廣和應(yīng)用仍然有限。尚需針對(duì)高溫、高壓、易腐蝕、易結(jié)垢等惡劣的工況條件，研制對(duì)抗特性的不同材質(zhì)的新型換熱器，來滿足大型化石油化工裝置的不同工藝要求。采用高分子材料制造換熱器，也是一種有益的嘗試[16]。

表 2 板殼式換熱器應(yīng)用實(shí)例[5-6，8，10-11，13-15]

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App lication and Development of the Plate and Shell Heat Exchanger

CaiLiping Guo Guoyi Chen Dingyue Xiao Yunxiao

TQ 051.5

2011-01-31）

*蔡麗萍，女，1979年10月生，碩士，工程師。寧波市，315207。