板殼式換熱器的應用和進展

蔡麗萍 郭國義 陳定岳 肖云曉

（寧波連通設備制造有限公司)

換熱技術

板殼式換熱器的應用和進展

蔡麗萍*郭國義 陳定岳 肖云曉

（寧波連通設備制造有限公司)

評述了近年來有關板殼式換熱器的研究進展，著重介紹了板殼式換熱器的結構、性能特點和制造技術。還介紹了板殼式換熱器的工業應用情況。

板殼式換熱器 板管 板束 管板 制造技術

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品，它具有板式換熱器和管殼式換熱器兩者的優點。目前，普遍使用的管殼式換熱器已經遠遠不能滿足大型化、現代化裝置的需要。為實現煉油化工裝置的大型化、現代化，必須解決原有關鍵換熱設備占地面積大、單臺設備重量大、資金投入大以及能耗高的不足。大型板殼式換熱器適應了煉油化工技術發展和煉油化工裝置增效節能的需要，是新一代換熱設備。本文就板殼式換熱器的結構、性能特點和工業應用等方面做了簡述，可供板殼式換熱器生產管理人員和技術人員參考。

1 板殼式換熱器的結構

目前板殼式換熱器結構樣式繁多，但大體上分為導孔型結構和板管型結構兩大類。導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。

導孔型板殼式換熱器的內部核心是由一組特制的、幾何結構相同的金屬圓板片完全焊接而成，形成一個圓柱狀的換熱板組，板中的兩個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，通常在殼體和板組之間加導流塊[1]。導孔型板殼式換熱器根據結構又分為全焊接型 （見圖1）、可拆卸型 （見圖2）、緊湊型（見圖3）三類。導孔型板殼式換熱器換熱面積存在一個問題，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。將冷壓成型的成對板條的接觸處嚴密地焊接在一起,構成一個包含多個扁平流道的板管 （見圖5）。許多個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成板管束。板管束的端面呈現若干扁平的流道（見圖6） 。板管束裝配在殼體內，它與殼體間靠滑動密封消除縱向膨脹差，有些設置膨脹節解決膨脹問題。設備截面一般為圓形,也有矩形、六邊形等。A流體在板管內流動，B流體則在殼體內的板管間流動。隨著工業裝置的大型化，為了適應大熱負荷的需要，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16 000m2。[2]但其制造難度大，國內還沒有這方面的經驗。傳統的軋制成型工藝成熟，容易制造。國內大多數研究重點放在大型軋制板殼式換熱器上，國產最大的板殼式換熱器換熱面積達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構

圖5 板管結構

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弱，是衡量傳熱性能的傳熱指標。

導孔型板殼式換熱器中的流體流動形式和板式換熱器相似，在波紋狀通道中流動的流體受到強烈擾動，臨界雷諾數只有20～50，在很低的流速下就能達到湍流狀態，并且可實現純逆流換熱，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方向，產生旋轉和扭轉，從而使流體內各部分的質點不斷迅速轉移，加速熱交換的進行。一般當臨界雷諾數為400時就可以達到充分湍流。不管是導孔型的還是板管型的，板殼式換熱器傳熱系數一般為管殼式換熱器換熱系數的 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流動性能

對板殼式換熱器來說，壓降是表征介質流動性能的重要參數，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用。換熱器的壓降主要來自于介質在換熱器中流動所遇到的阻力。阻力主要來自三個方面：一是介質本身的特性，與運動黏度有關，當介質的運動黏度越大時，阻力越大；二是換熱板片的特性，與板型或結構參數有關，表面粗糙度較大、板片較長 （長寬比較大）、波紋深度較淺、節距較小，都會使介質遇到的阻力加大；三是介質流動的特性，與流速有關，流速越高，遇到的阻力就越大。

對于導孔型板殼式換熱器，雖然波紋板通道內的局部阻力比光滑表面要大，但由于板片數目多，并列的通道數目較多，因而流動速度并不高。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，因此運輸流體所需的功率減小[9]。

對于板管型板殼式換熱器，雖然板殼式換熱器對給定的流道面積來說其當量直徑較小，由于管束直通，殼程無須設置折流板，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，且采用與介質流動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，使冷熱介質分別在 “板管”內和 “板管”間不斷改變流動方向，產生旋轉和扭轉，在很低的雷諾數下就能形成湍流，流體的強烈湍流減少了結垢[8，10]，冷熱介質之間以板片為媒體進行的熱交換非常迅速，使介質來不及結垢[10]。但與管殼式換熱器相比，其流動截面小，易堵塞。因此這種換熱器只在重整裝置等介質比較干凈的場合應用[3]。

3 制造技術的發展

板殼式換熱器的核心為板束，其制造工藝較為復雜。關鍵技術分別是板片與板束的制造。3.1板片制造技術

傳統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，由于受壓機噸位、尺寸及模具制造成本的限制，無法實現一次成型。現根據國內現有的成型技術水平和加工能力，采用整板分次連續壓制成型的技術，將一張板片劃分成若干份，在萬噸油壓機上分次步進行壓制，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，國內還沒有這方面的經驗，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

導孔型板殼式換熱器內部核心是由一組特制的、幾何結構相同的金屬圓板片完全焊接而成，形成一個圓柱狀的換熱板組[1]。文獻[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），這種焊接方式質量可靠，機械化程度較高，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，為了解決相鄰的對板在兩個導孔周圍組焊的難題，還研制了孔內縫焊機。

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[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縱向焊縫 （長度一般為6～10m），稱為板束。再將按設計要求數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。板束結構詳見圖7。

蘭州石油機械研究所利用氬弧焊機，對各種形式的焊接試件進行了焊接試驗，并對焊好的試件進行了水壓試驗及理化試驗。試驗結果表明，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臺專用自動氬弧焊機，分別用于長焊縫的焊接和橫焊縫的焊接。文獻[10]提到一種板殼式換熱器，其板束為全焊接結構，整板步進式模壓成形的LT型波紋板片在專用的TIG自動焊機上組焊成板管，再將板管組焊成板束。

圖7 板束結構

4 板殼式換熱器的應用

板殼式換熱器20世紀30年代始創于瑞典，世界上第一臺板殼式換熱器于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臺臥式管殼式換熱器。國外板殼式換熱器已經成為煉油廠催化重整、加氫及芳烴車間的標準設備。

板殼式換熱器在中國起步較晚。中國石化工程建設公司和蘭州石油機械研究所于20世紀80年代末開始研制板殼式換熱器，1993年完成了55.6m2樣機的設計制造，并成功應用于蘭州煉油廠10萬t/a鉑重整裝置。國內板殼式換熱器工業應用實例列于表2。

5結束語

綜上所述，板殼式換熱器與管殼式換熱器相比優勢相當明顯，傳熱系數高，壓降小，不易結垢，結構緊湊，同時有效降低裝置能耗。在很多高溫高壓的場合，可以替代管殼式換熱器。國內板殼式換熱器經過近年來的發展，結構多種多樣，應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方面與國外相比仍有差距，且板殼式換熱器的實際推廣和應用仍然有限。尚需針對高溫、高壓、易腐蝕、易結垢等惡劣的工況條件，研制對抗特性的不同材質的新型換熱器，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 板殼式換熱器應用實例[5-6，8，10-11，13-15]

[1]李含蘋.全焊接板殼式換熱器在傳熱中的應用 [J].船舶,2004.

[2]熊摘.傳熱傳質技術及設備進展點滴 [J].石油化工設備,2009.

[3]張迎愷.大型軋制焊接板殼式換熱器的研制 [J].催化重整通訊,2001.

[4]魏兆藩,王丕宏,張延峰,等.大型板殼式換熱器的研制[J].石油化工設備,2000.

[5]汪光勝,周建新.板殼式換熱器在歧化裝置中的選用[J].石油化工設備,2008.

[6]王光.板殼式換熱器在燕山石化重整裝置中的應用[J].石油化工設備,2009.

[7]朱迪珠.國產大型板殼式換熱器在重整裝置應用 [J].石油化工設備,2000.

[8]趙建春,王志坤,張昕,等.大型焊接板殼式換熱器在重整裝置中的應用 [J].石油化工設備,2003.

[9]陳亞平,徐禮華,周強泰.一種新型板殼式換熱器 [J].石油化工設備,2000.

[10]周夏,臧安華,孫新華.板殼式換熱器在大型合成氨裝置上的應用 [J].大氮肥,2006.

[11]張建,沈建明,李亮.全焊接板殼式熱交換器在熱水伴熱中的應用 [J].石油化工設備,2007.

[12]陳亞平.板殼式換熱器對冷凝過程的強化傳熱研究[D].南京：東南大學，2000.

[13]周建新,宋秉棠,陳韶范,等.鈦板殼式換熱器及其在常減壓塔頂的應用 [J].石油化工設備,2006.

[14]姚田緒,畢開斌.板殼式換熱器在甲醇裝置中的應用[J].石油化工設備,2009.

[15]錢伯章.國產超大型板殼式換熱器通過驗收 [J].煉油技術與工程,2009.

[16]Patrick Luckow,Avram Bar-Cohen,Peter Rodgers,et al.Energy efficient polymers for gas-liquid heat exchangers[J].Journal of Energy Resources Technology,2010.

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。