兖矿新疆煤化工有限公司
引言
众所周知，板翅式换热器主要靠翅片进行传热，而翅片通过专用机器制造成了具有许多皱折形状的结构，绝大部分传热是靠所谓的"二次传热面"[1-4]完成的。对于特定的流体来说，传热效率与流速成正比。流速增大，传热效率增强，所需要的换面积减小；流速减小，传热效率降低，所需要的换热面积变大，反应到换热器上就是尺寸或者质量的改变，从而影响换热器的总成本。如何正确地选择流速，是设计人员必须考虑的问题。目前，多数设计人员基本从结构方面考虑，这也是我们传统的设计思路。
1板翅式换热器概述
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750mmx130mmx130mm的超大型板翅式换热器,生产技术水平跃上一个新台阶。
2板翅式换热器换热原理
主换热器(E1)为板翅式换热器，是空分装置中负责冷量回收的最主要的设备，主换热器中的冷流体为返流的低温氧气、低温氮气、低温污氮气，热流体为正流空气，反流的低温气体料吸收正流空气的热量而被复热到常温，正流空气放出热量被反流低温气体冷却到满足工艺要求的状态。过冷器(E2)为板翅式换热器，在空分装置中主要作用是一方面对进入上塔(C2)的物料进行冷却并使之成为过冷状态，回收低温流体的冷量，另一方面保证节流阀前为全液状态，降低阀后气化率。冷流体为来自上塔的低温氮气、低温污氮气，热流体为来自下塔(C1)的液氮、液空。冷凝蒸发器(K)内部为板翅式换热器，结构如图示2所示。板翅式换热器浸泡在液氧环境中通常叫做浴式换热器，热流体为来自下塔顶部的氮气，氮气被液氧冷却成液氮，一部分液氮做为下塔的回流液，另一部分液氮送入上塔顶部参与精馏，液氧吸收热量后气化成氧气再经过主换热器复热后送出。粗氩塔的冷凝器、精氩塔的冷凝器和蒸发器等也采取这种浴式结构。
3板翅式换热器的设计
3.1板翅式换热器设计的一般过程
（1）选取合适的翅片;（2）选定板式单元的有效宽度，计算翅片基本参数;（3）根据各通道物料在流程中的流向布置，确定各股流道的布置，计算传热温差;（4）假定流体的重量流速，确定通道数量和排列;（5）计算冷、热流体的放热系数;（6）计算翅片效率和表面效率;（7）计算传热系数、传热面积和单元长度;（8）计算板式的阻力，若阻力超过流程要求，须重新假定流体的重量流速，重复以上步骤。由于计算步骤过于繁琐且随着计算机辅助设计方法的不断发展，板翅式换热器的换热设计已不再手动计算。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆利用计算软件进行模拟时，可以在设计模式下，调整台数、有效宽度、通道层数、翅片型式来优化设计方案，在保证换热余量的前提下，设计出重量或板束尺寸最小的板翅式换热器。
3.2传热
在满足阻力要求的条件下，尽量提高传热系数α和换热接触面积。改变翅片型式、翅片高度、翅片节距、翅片厚度、调整板翅式换热器台数、有效宽度等均会对传热系数造成影响。传热系数与翅片的传热因子成正比，在其他条件都相同的情况下，锯齿型翅片传热因子＞多孔型翅片＞平直型翅片。单层翅片高度越高，接触面积越大。同体积翅片节距越小，接触面积越大。当然，也需要兼顾阻力，毕竟翅片节距越小，介质阻力越大。在满足强度的条件下，翅片厚度越薄，传热效率越高。板翅式换热器台数、有效宽度与真空钎焊炉的尺寸大小有关，保证单台能够正常钎焊，有效宽度与板束体厚度相差不宜过大，相差太大影响介质在板束体截面上的均布。
4空分流程中板翅式换热器设计要点
4.1主换热器
主换热器中的冷流体为反流的低温氧气、低温氮气、低温污氮气，热流体为正流空气，为满足进入下塔精馏的要求，正流空气必须达到规定的温度点。正流、反流流体为气相，热阻大，换热需加强，宜采用锯齿型翅片。返流气阻力要求高，一般采用翅高为9．5的锯齿型翅片，正流空气采用翅高为4．7的锯齿型翅片，翅片正、返流流体放热系数相当。正流、反流气进出口的位置布置合适的导流片，导流片起分配、引导流动的作用，因此宜采用多孔型翅片，导流片翅片高度应与翅片高度保持一致，翅片间距应选用大间距，宜于流体的流动。
4.2冷凝蒸发器
冷凝蒸发器中的板束中通入的是正流的氮气，板束体泡在不断气化的液氧中，液氧气化将氮气冷却成液氮，液氮回下塔作为回流液参与精馏。正、反流流体均为液相，两侧翅片均应采用多孔型翅片，正流氮气应设置导流片、封头体、接管，反流液氧通道应设置为上下两端放开，液氧从底部不断气化鼓泡通过多孔的翅片溢出液氧表面。空分流程中冷凝蒸发器的液氧中含有小部分CH化合物，为避免CH化合物在锯齿型翅片的狭小缝隙里聚集引起爆炸，冷凝蒸发器液氧侧翅片不选用锯齿型翅片。
4.3过冷器
过冷器中的冷流体为正流的低温氮气、低温污氮，热流体为返流的液氮、液空、贫液空。经过过冷器的换热，液氮、液空、贫液空的温度应低于下塔压力对应的饱和温度3～9℃，气化率降低至8%～12%，上塔回流液增多有利于精馏且回收了部分冷量。由于热流体为液体，所以应采用多孔型翅片，翅片上打孔后有利于液体的均布，密布的小孔使热阻边界层不断破裂，从而提高了传热性能。打孔后会使翅片的传热面积减少，翅片强度降低，常用于不需要强化传热的液体侧。正流的低温氮气和污氮阻力要求高，一般采用翅高为9．5的锯齿型翅片，反流的液氮、液空、贫液空采用翅高为4．7的多孔型翅片。液氮与液空、贫液空的温度点分别分布在上、下，翅片一般布置在同一层的上、下，中间用封条隔开。
结语
板翅式换热器由于其材料耐低温、换热效率高等优点被广泛应用于空分装置中，本文从板翅式换热器的换热设计出发，分析整理了影响板翅式换热器的主要因素，如何进行优化设计，并对空分装置中主要的三种板翅式换热器设计要点进行了总结。
参考文献
[1]兰州石油机械研究所．换热器[J]．北京:烃加工出版社，2017．
[2]张小松，赵开涛，李舒宏.铝制板翅式换热器的传热与阻力特性的试验研究低温工程[J].低温工程，2018（3）.
[3]阎振贵，王金宏，洪金玲.NB/T47006-2009铝制板翅式热交换器[J].出版社不详，2018.
论文作者:隋涛
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第10期
论文发表时间:2019/11/22
标签：换热器论文; 翅片论文; 流体论文; 氮气论文; 液氧论文; 低温论文; 液氮论文; 《中国西部科技》2019年第10期论文;