焊接式板式換熱器帶管板片的研制

摘 要：為更加直觀的分析焊接式板式換熱器的換熱效果并提高其換熱效率，研制了一種焊接式板式換熱器帶管板片。帶管板片在焊接式板式換熱器中應(yīng)用后，可協(xié)助測(cè)量換熱器在換熱過程中板間流道的溫度分布情況和介質(zhì)的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析，以期達(dá)到優(yōu)化產(chǎn)品流程組合形式，為合理選擇換熱方案起指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：焊接式板式換熱器；帶管板片；傳熱效率

Abstract： In order to analyse the heat transfer effect of welded plate heat exchangers more intuitively， and to improve the heat transfer efficiency， this article tends to developed a welded plate heat exchanger with a tube plate. After the application of the tube plate， it can help to measure the temperature distribution between the plates in the flow channel and the related data of the medium in the heat transfer process. Through the analysis of measured data， it is aim to optimize the combination form of the product flow process， and to give a guidance in heat transfer scheme with reasonable selections.

Key words： welded plate heat exchanger；the tube plate；heat transfer efficiency

1 概述

焊接式板式換熱器是集板式換熱器和管殼式換熱器優(yōu)點(diǎn)于一身的、高效的、優(yōu)質(zhì)的換熱設(shè)備， 在國(guó)內(nèi)已有近30年的發(fā)展歷史。其主要優(yōu)點(diǎn)有：板型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，傳熱與流體阻力特性匹配，傳熱效率高、壓降低、綜合性能好；周邊采用組焊的板對(duì)形式，耐熱、耐壓性能好；板片為模塊化結(jié)構(gòu)，可根據(jù)不同的工藝要求改變流程形式和流道面積的大小，易于擴(kuò)展。焊接式板式換熱器適用于傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊和壓降小的氣-氣、氣-液和液-液換熱場(chǎng)合，是一些特殊熱交換工藝中替代其他種類換熱器的最理想設(shè)備。廣泛應(yīng)用于食品、冶金、化工、能源等領(lǐng)域[1～3]。

自換熱器問世以來，很多學(xué)者都對(duì)其做了大量研究，主要在傳熱分析方面。有學(xué)者搭建蒸汽冷凝換熱試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)做了詳盡的分析，得到有價(jià)值的結(jié)果[4]；王中錚等[5]論分析和試驗(yàn)研究對(duì)人字形板式換熱器冷凝換熱做了研究。結(jié)合以上研究現(xiàn)狀，文章從板片開孔處建立測(cè)量點(diǎn)，結(jié)合傳熱學(xué)理論分析，為后續(xù)搭建相應(yīng)試驗(yàn)平臺(tái)做準(zhǔn)備，也為進(jìn)一步研究焊接式板式換熱器換熱效率提供了一種新方法。

2 焊接式板式換熱器帶管板片開發(fā)目的

如何才能提高焊接式板式換熱器的換熱性能，換熱效率則是最重要的指標(biāo)。提高換熱效率的方法有很多：提高板片的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、選用熱導(dǎo)率高的板片、減小板片厚度等。在板型和板厚確定的情況下，提高換熱器效率最有效的辦法就是改變換熱器流程形式。

目前，傳統(tǒng)焊接式板式換熱器制造完成后，配以相應(yīng)的儀表，就能測(cè)出換熱器管側(cè)介質(zhì)進(jìn)出口和管間流道中介質(zhì)在某個(gè)指定位置介質(zhì)的相關(guān)數(shù)據(jù)；在換熱器板側(cè)只能測(cè)出介質(zhì)進(jìn)出口介質(zhì)的相關(guān)數(shù)據(jù)，不能測(cè)出板間流道中的介質(zhì)在某個(gè)指定位置介質(zhì)的相關(guān)數(shù)據(jù)。這使我們不能很好地了解焊接式板式換熱器的整個(gè)換熱過程，焊接式板式換熱器流程形式的選擇源于理論基礎(chǔ)，流程形式選擇是否達(dá)到最佳無法確定。

在工業(yè)高速發(fā)展的今天，焊接式板式換熱器逐步趨于大型化，流道中某處的介質(zhì)狀態(tài)和特性也將變得復(fù)雜。為能更好的研究焊接式板式換熱器的傳熱效率、使焊接式板式換熱器的換熱效率達(dá)到更佳，我們對(duì)焊接式板式換熱器板片進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，開發(fā)出一種焊接式板式換熱器帶管板片，可協(xié)助測(cè)量換熱器在換熱過程中板間流道中溫度的分布情況和介質(zhì)的相關(guān)數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)焊接式板式換熱器無法測(cè)量板間介質(zhì)相關(guān)數(shù)據(jù)的不足。

3 焊接式板式換熱器帶管板片結(jié)構(gòu)

焊接式板式換熱器帶管板片結(jié)構(gòu)如圖1所示：

在板片靠近中間位置波紋平臺(tái)的側(cè)面開孔，開孔處焊接一根小管徑管子，此管從板片波紋槽中引出，構(gòu)成帶管板片。此處就形成一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，板片上測(cè)量點(diǎn)數(shù)量可隨板片長(zhǎng)度的增加而增加，引出位置可根據(jù)測(cè)量所需任意選擇，一個(gè)波紋槽最好取一個(gè)測(cè)量點(diǎn)。

4 焊接式板式換熱器帶管板片具體實(shí)施方案

下面結(jié)合圖1完整地說明帶管板片具體實(shí)施方案。

4.1 所需零件

焊接式板式換熱器板片一張，小管徑管子一根。板片和管子材質(zhì)為304不銹鋼。

4.2 焊接方式

采用氬弧焊。施焊時(shí)應(yīng)對(duì)施焊位置進(jìn)行氣體保護(hù)。

4.3 準(zhǔn)備工作

在板片靠近中間位置波紋平臺(tái)側(cè)面開一個(gè)取樣孔，此孔不宜過大，孔的大小由小管徑管子的外徑?jīng)Q定；選擇合適的小管徑管子，大小由管側(cè)流道大小決定；板片與管子之間需90°彎頭過渡，此彎頭一邊與板片上取樣孔焊接，另一邊與小管徑管子焊接。施焊前必須將施焊位置清洗干凈。

4.4 制作流程

先把90°彎頭與小管徑管子焊接，再與板片上的取樣孔焊接，施焊時(shí)需將小管徑管子固定波紋槽中，防止施焊時(shí)管子翹起，影響后期芯體裝配。90°彎頭與取樣孔和小管徑管子焊接時(shí)應(yīng)特別注意以下兩點(diǎn)：一是要保證焊接處的焊接質(zhì)量，否則將帶管板片裝到換熱器芯體中，在換熱器使用時(shí)將會(huì)發(fā)生內(nèi)漏，直接影響換熱效率；二是保證管子流道的暢通，否則就不能取出板間的換熱介質(zhì)試樣導(dǎo)致無法測(cè)量介質(zhì)的相關(guān)數(shù)據(jù)，也不能將測(cè)溫設(shè)備安裝到靠近板片開孔處的測(cè)量點(diǎn)以致無法測(cè)量換熱器在換熱過程中板間流道中溫度的分布情況。

帶管板片制造好后，將此板片與另一張普通板片組成板對(duì)，板對(duì)通過焊接密封后構(gòu)成帶管板對(duì)。帶管板對(duì)與其他普通板對(duì)組裝成換熱芯體，將管子引出到換熱器外部。整臺(tái)換熱器制造完成后，在管子的引出口裝上測(cè)溫設(shè)備，用于測(cè)介質(zhì)溫度數(shù)據(jù)；在管子的引出口安裝小閥門，進(jìn)行取樣。

4.5 具體實(shí)施

產(chǎn)品在運(yùn)行過程中可通過帶管板片上安裝的測(cè)溫設(shè)備測(cè)出板間流道各處測(cè)量點(diǎn)所在處介質(zhì)的溫度，從而得到板間流道中溫度的分布情況；通過帶管板片管口處的小閥門取樣，測(cè)出介質(zhì)的相關(guān)數(shù)據(jù)，如濃度、介質(zhì)成份等；特別在整個(gè)板間流道中介質(zhì)有氣態(tài)向液態(tài)變化、液態(tài)向氣態(tài)變化和氣液混合時(shí)，可以找到氣液相變?cè)诎彘g流道中的所在位置。將板間測(cè)出的溫度分布情況和介質(zhì)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算的溫度分布情況和介質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，再結(jié)合對(duì)管間測(cè)量數(shù)據(jù)分析，可對(duì)產(chǎn)品流程形式進(jìn)行優(yōu)化，使焊接式板式換熱器的性能得到改善，換熱效率得到提高。

5 結(jié)束語(yǔ)

焊接式板式換熱器帶管板片的研制成功，解決了無法測(cè)量板間流道中溫度的分布情況和介質(zhì)的相關(guān)數(shù)據(jù)問題，通過對(duì)換熱器板間、管間流道介質(zhì)測(cè)量數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的比較分析，從而達(dá)到優(yōu)化產(chǎn)品流程形式和合理的選擇換熱方案的目的，為提高焊接式板式換熱器換熱效率、更好的選擇流程形式和換熱方案提供了一種新的思路。

參考文獻(xiàn)

[1]楊崇麟.板式換熱器工程設(shè)計(jì)手冊(cè)[Z].1998.

[2]蘭州蘭石研究所.換熱器技術(shù)實(shí)用手冊(cè)（第二版）[Z].2013.

[3]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)（第二版）[Z].2001.

[4]Cooper A. Condensation of Steam in Plate Heat Exchangers. AIChe Symposium Series 138.AIChe，New York，pp，172-177.

[5]Wang Zhongzheng， Zhao Zhennan.Steam Condensation in Ordinary Plate Heat Exchangers. Joural of Tianjin University. No.4，1989.