板翅式換熱器應用研究

新鄉職業技術學院 張愛民

板翅式換熱器應用研究

新鄉職業技術學院 張愛民

隨著我國機械、化工產業的發展，板翅式換熱器制造技術日漸成熟并得到了廣泛的推廣和應用，進入批量生產階段。有必要對板翅式換熱器的發展狀況、結構特點、適用范圍等做一個全面的了解，以更好地應用。

板翅式換熱器 翅片 流道 通道

一、概述

板翅式換熱器是由隔板、翅片、封條、導流片、封頭、接口等組成的一種換熱設備，它通過隔板和封條將流體分割為內外兩個通道，通過隔板把熱量從一種介質傳遞給另一種介質，以達到對其中一種流體加熱或降溫的目的。

20世紀90年代，板翅式換熱器制造技術日漸成熟，換熱器的可靠性、散熱性能及使用壽命都大大提高，進入批量生產應用階段，并逐漸從航空、空分、石化等傳統領域向汽車、工程機械等領域擴展。

二、板翅式換熱器結構組成

板翅式換熱器是由芯體配以封頭、接管和支撐等組成。

在板翅式換熱器相鄰兩隔板之間放置翅片、導流片和封條組成的夾層就是通道，如下圖所示即為芯體的三個通道。將一定數量的通道按一定方式排列在一起的組件，就是板束。

將多個板束根據流體的不同流動形式疊置起來釬焊即構成成芯體，如下圖示。

翅片是板翅式換熱器的基本元件，傳熱過程主要通過翅片熱傳導及翅片與流體之間的對流換熱來完成。翅片的作用是：①擴大傳熱面積，提高緊湊性。翅片可看做是隔板的延伸和擴展。②提高傳熱效力。由于翅片的分割，流體在通道中形成強烈的擾動，使邊界層不斷地破裂和再生，從而有效地降低熱阻，提高傳熱效率。③提高換熱器的強度和承壓能力。由于翅片的支撐加固作用，使得芯體更加牢固，能夠承受很大的的壓力。

隔板的作用是分割形成通道，承受壓力，同時起一次傳熱表面的作用。隔板是兩面涂覆鋁硅合金的復合板，隔板與翅片及封條之間的釬焊就是依靠鋁硅合金做釬料，釬焊成牢固整體的。

封條位于通道的四周，起分割、封閉流道、加強的作用。

導流片位于流道的兩端，作用是引導由進口管經封頭流入板束的流體，使其均勻的分布于流道中，還有保護翅片，避免通道堵塞的作用。

三、板翅式換熱器的特點

由于翅片對流體的擾動使邊界層不斷破裂，使換熱器具有較大的傳熱系數；而且隔板、翅片的厚度很薄，具有高導熱性，所以板翅式換熱器具有很高的傳熱效率。

板翅式換熱器具有擴展的二次表面，比表面積可達6000m2/ m3，單位體積容納的換熱面積大。由于鋁的比重是銅的比重的32.7%，同等體積的鋁質板翅式換熱器的重量是銅質的1/3左右，而其傳熱面積卻是銅質的數倍，鋁質單位體積容納的換熱面積更大。

板翅式換熱器廣泛用于氣-氣、氣-液、液-液等多種流體間的換熱。通過流道的布置和組合能夠適應逆流、順流、多股流、叉流等不同的換熱工況。通過單元間的串、并聯組合能滿足石化、空分等設備的換熱需要。可以定型、批量生產以降低成本，通過積木式組合擴大互換性與適用性。

換熱器制造工藝要求嚴格，釬焊工藝復雜，材料、模具及真空釬焊設備的制造、研究和開發費用高。換熱器易堵塞，不耐腐蝕，清洗檢修困難。只能用于傳熱介質比較潔凈、無腐蝕、不易結垢、沉積、堵塞的場合。其使用溫度一般不大于300℃，使用壓力不大于3Mpa，以保證換熱器運行的可靠性和安全性。

四、板翅式換熱器的結構設計

1. 流道布置。

板翅式換熱器可通過流道的不同組合，布置成逆流、順流、多股流、叉流等型式（如下圖示）。

逆流是用得最普遍的流道布置型式,它能夠實現兩種流體的充分熱交換；順流一般用在有效溫差不明顯低于逆流，或一側流體的溫度變化不大于冷熱流體最大溫差一半的場合；多股流用于多種流體同時進行換熱，多用于石化、空分設備等壓力相差懸殊的流體間的換熱。叉流是一種常見的換熱器流到布置型式，它便于充分利用空間，合理布置各進出接管。

應盡可能做到局部熱負荷平衡，沿換熱器橫向各通道的熱負荷在盡可能小的范圍內達到平衡，以減小過剩熱負荷的傳導距離，使同一橫截面的壁面溫度盡可能接近；通道分配應使各個通道的長度基本相近；并使流體均布，使同一股流體的各個通道阻力基本相同；通道排列應避免溫度交叉，減小熱量內耗；通道排列原則上對稱，以便于制造和安裝。

大型板翅式換熱器需要通過許多單元板束的串并、聯組合，以克服單元尺寸不能做得太大的工藝問題。在單元組合中，關鍵是使流體在單元板束中均勻分配，各單元流體阻力基本相同，各工藝管道在布置與組合時匹配得當。

2. 翅片的選擇。

翅片是板翅式換熱器的重要散熱元件和支撐元件，它直接影響到換熱器的散熱效果、流體阻力及結構強度。常用的翅片型式主要有平直型、鋸齒形型、多孔型和波紋型，如下圖所示。

平直型鋸齒型

多孔型波紋型

平直型翅片是由薄金屬片沖壓而成，其換熱和流動阻力特性與管內流動相似，特點是傳熱系數較小，壓降與換熱都小。該翅片一般用于流動阻力要求較小而其傳熱系數又較大（如液側或相變）的場合，它具有較高的承壓強度。

鋸齒型翅片可看做是平直型翅片切成許多短小的片段，并相互錯開一定間隔而形成的間斷式翅片。這種翅片對促進流體的湍動、破壞熱阻邊界層十分有效，屬高效能翅片，但流動阻力大。該翅片多用于需強化換熱（尤其是氣側）的場合，特別是流量小而效率高的空分設備。

多孔型翅片是在薄金屬片上沖孔，再沖壓成形。翅片上密布的小孔使熱阻邊界層不斷破裂，從而提高傳熱性能。多孔有利于流體均勻分布，但也使翅片的傳熱面積減小，強度降低。它多用于流體中夾雜著顆粒或相變換熱的場合。

波紋翅片是將金屬片沖壓成波形，形成彎曲流道，不斷改變流體的流動方向，促進流體的湍動、分離和破壞熱阻邊界層，相當于翅片的折斷。波紋愈密，波幅愈大，越能強化傳熱。

3. 隔板的選擇。

隔板是換熱器重要的散熱元件和壓力支撐元件，換熱器不同流體間的換熱過程是通過隔板的熱傳遞實現的，其厚度直接關系到換熱器的承壓能力。

在同等條件下，隔板的厚度與傳熱效率成反比，與換熱器強度成正比。隔板越厚，傳熱效率越低，換熱器強度越高。隔板常用的厚度有（單位：毫米）0.6、0.8、1.2，較薄的隔板常用于中冷器等壓力較小介質較清潔的換熱場合，較厚的隔板常用于油散、空分設備等承壓較大介質腐蝕性強的場合。

目前，我國已掌握了板翅式換熱器的設計、制造技術，并擁有成熟的設計軟件，板翅式換熱器得到了廣泛的應用，其范圍還在不斷的擴大。

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