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用后，可協助測量換熱器在換熱過程中板間流道的溫度分布情況和介質的相關數據，通過對測量數據的分析，以期達到優化產品流程組合形式，為合理選擇換熱方案起指導作用。

關鍵詞：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點于一身的、高效的、優質的換熱設備， 在國內已有近30年的發展歷史。其主要優點有：板型結構設計合理，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形式，耐熱、耐壓性能好；板片為模塊化結構，可根據不同的工藝要求改變流程形式和流道面積的大小，易于擴展。焊接式板式換熱器適用于傳熱效率高、結構緊湊和壓降小的氣-氣、氣-液和液-液換熱場合，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備。廣泛應用于食品、冶金、化工、能源等領域[1～3]。

自換熱器問世以來，很多學者都對其做了大量研究，主要在傳熱分析方面。有學者搭建蒸汽冷凝換熱試驗臺，對試驗數據做了詳盡的分析，得到有價值的結果[4]；王中錚等[5]論分析和試驗研究對人字形板式換熱器冷凝換熱做了研究。結合以上研究現狀，文章從板片開孔處建立測量點，結合傳熱學理論分析，為后續搭建相應試驗平臺做準備，也為進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。提高換熱效率的方法有很多：提高板片的表面傳熱系數、選用熱導率高的板片、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，傳統焊接式板式換熱器制造完成后，配以相應的儀表，就能測出換熱器管側介質進出口和管間流道中介質在某個指定位置介質的相關數據；在換熱器板側只能測出介質進出口介質的相關數據，不能測出板間流道中的介質在某個指定位置介質的相關數據。這使我們不能很好地了解焊接式板式換熱器的整個換熱過程，焊接式板式換熱器流程形式的選擇源于理論基礎，流程形式選擇是否達到最佳無法確定。

在工業高速發展的今天，焊接式板式換熱器逐步趨于大型化，流道中某處的介質狀態和特性也將變得復雜。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到更佳，我們對焊接式板式換熱器板片進行了創新設計，開發出一種焊接式板式換熱器帶管板片，可協助測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的相關數據，彌補了傳統焊接式板式換熱器無法測量板間介質相關數據的不足。

3 焊接式板式換熱器帶管板片結構

焊接式板式換熱器帶管板片結構如圖1所示：

在板片靠近中間位置波紋平臺的側面開孔，開孔處焊接一根小管徑管子，此管從板片波紋槽中引出，構成帶管板片。此處就形成一個測量點，板片上測量點數量可隨板片長度的增加而增加，引出位置可根據測量所需任意選擇，一個波紋槽最好取一個測量點。

4 焊接式板式換熱器帶管板片具體實施方案

下面結合圖1完整地說明帶管板片具體實施方案。

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。板片和管子材質為304不銹鋼。

4.2 焊接方式

采用氬弧焊。施焊時應對施焊位置進行氣體保護。

4.3 準備工作

在板片靠近中間位置波紋平臺側面開一個取樣孔，此孔不宜過大，孔的大小由小管徑管子的外徑決定；選擇合適的小管徑管子，大小由管側流道大小決定；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，施焊時需將小管徑管子固定波紋槽中，防止施焊時管子翹起，影響后期芯體裝配。90°彎頭與取樣孔和小管徑管子焊接時應特別注意以下兩點：一是要保證焊接處的焊接質量，否則將帶管板片裝到換熱器芯體中，在換熱器使用時將會發生內漏，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試樣導致無法測量介質的相關數據，也不能將測溫設備安裝到靠近板片開孔處的測量點以致無法測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，板對通過焊接密封后構成帶管板對。帶管板對與其他普通板對組裝成換熱芯體，將管子引出到換熱器外部。整臺換熱器制造完成后，在管子的引出口裝上測溫設備，用于測介質溫度數據；在管子的引出口安裝小閥門，進行取樣。

4.5 具體實施

產品在運行過程中可通過帶管板片上安裝的測溫設備測出板間流道各處測量點所在處介質的溫度，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，測出介質的相關數據，如濃度、介質成份等；特別在整個板間流道中介質有氣態向液態變化、液態向氣態變化和氣液混合時，可以找到氣液相變在板間流道中的所在位置。將板間測出的溫度分布情況和介質數據與理論計算的溫度分布情況和介質數據進行比較分析，再結合對管間測量數據分析，可對產品流程形式進行優化，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 結束語

焊接式板式換熱器帶管板片的研制成功，解決了無法測量板間流道中溫度的分布情況和介質的相關數據問題，通過對換熱器板間、管間流道介質測量數據與理論數據的比較分析，從而達到優化產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

[1]楊崇麟.板式換熱器工程設計手冊[Z].1998.

[2]蘭州蘭石研究所.換熱器技術實用手冊（第二版）[Z].2013.

[3]中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊（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.