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1、壳管式换热器-板式换热器内部结构 板式换热器内部结构 1.板式换热器简介板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。各种板片之间形成薄矩形通道，通过半片进行热量交换。它与常规的管壳式换热器相比，在相同的流动阻力和泵功率消耗情况下，其传热系数要高出很多，在适用的范围内有取代管壳式换热器的趋势。板式换热器的型式主要有框架式（可拆卸式）和钎焊式两大类，板片形式主要有人字形波纹板、水平平直波纹板和瘤形板片三种。 1.1板式换热器的基本结构板式换热器主要由框架和板片两大部分组成。板片由各种材料的制成的薄板用各种不同形式的磨具压成形状各异的波纹，并在板片的四个角上开有角孔，用
2、于介质的流道。板片的周边及角孔处用橡胶垫片加以密封。框架由固定压紧板、活动压紧板、上下导杆和夹紧螺栓等构成。板式换热器是将板片以叠加的形式装在固定压紧板、活动压紧板中间，然后用夹紧螺栓夹紧而成。 1.2板式换热器的特点（板式换热器与管壳式换热器的比较） a.传热系数高 由于不同的波纹板相互倒置，构成复杂的流道，使流体在波纹板间流道内呈旋转三维流动，能在较低的雷诺数（一般Re=50200）下产生紊流，所以传热系数高，一般认为是管壳式的35倍。 b.对数平均温差大，末端温差小 在管壳式换热器中，两种流体分别在管程和壳程内流动，总体上是错流流动，对数平均温差修正系数小，而板式换热器多是并流或逆流流动
3、方式，其修正系数也通常在0.95左右，此外，冷、热流体在板式换热器内的流动平行于换热面、无旁流，因此使得板式换热器的末端温差小，对水换热可低于1，而管壳式换热器一般为5. c.占地面积小 板式换热器结构紧凑，单位体积内的换热面积为管壳式的25倍，也不像管壳式那样要预留抽出管束的检修场所，因此实现同样的换热量，板式换热器占地面积约为管壳式换热器的1/51/10。 d.容易改变换热面积或流程组合，只要增加或减少几张板，即可达到增加或减少换热面积的目的；改变板片排列或更换几张板片，即可达到所要求的流程组合，适应新的换热工况，而管壳式换热器的传热面积几乎不可能增加。 e.重量轻 板式换热器的板片厚度仅
4、为0.40.8mm，而管壳式换热器的换热管的厚度为2.02.5mm，管壳式的壳体比板式换热器的框架重得多，板式换热器一般只有管壳式重量的1/5左右。 f. 价格低 采用相同材料，在相同换热面积下，板式换热器价格比管壳式约低40%60%。 g. 制作方便 板式换热器的传热板是采用冲压加工，标准化程度高，并可大批生产，管壳式换热器一般采用手工制作。 h. 容易清洗 框架式板式换热器只要松动压紧螺栓，即可松开板束，卸下板片进行机械清洗，这对需要经常清洗设备的换热过程十分方便。 i. 热损失小 板式换热器只有传热板的外壳板暴露在大气中，因此散热损失可以忽略不计，也不需要保温措施。而管壳式换热器热损失大
5、，需要隔热层。 j. 容量较小 是管壳式换热器的10%20%。 k. 单位长度的压力损失大 由于传热面之间的间隙较小，传热面上有凹凸，因此比传统的光滑管的压力损失大。 l. 不易结垢 由于内部充分湍动，所以不易结垢，其结垢系数仅为管壳式换热器的1/31/10. m. 工作压力不宜过大，介质温度不宜过高，有可能泄露 板式换热器采用密封垫密封，工作压力一般不宜超过2.5MPa，介质温度应在低于250以下，否则有可能泄露。 n. 易堵塞 由于板片间通道很窄，一般只有25mm，当换热介质含有较大颗粒或纤维物质时，容易堵塞板间通道。 1.4板式换热器的应用场合 a. 制冷：用作冷凝器和蒸发器。 b. 暖
6、通空调：配合锅炉使用的中间换热器、高层建筑中间换热器等。 c. 化学工业：纯碱工业，合成氨，酒精发酵，树脂合成冷却等。 d. 冶金工业：铝酸盐母液加热或冷却，炼钢工艺冷却等。 e. 机械工业：各种淬火液冷却，减速器润滑油冷却等。 f. 电力工业：高压变压器油冷却，发电机轴承油冷却等。 g. 造纸工业：漂白工艺热回收，加热洗浆液等。 h. 纺织工业：粘胶丝碱水溶液冷却，沸腾硝化纤维冷却等。 i. 食品工业：果汁灭菌冷却，动植物油加热冷却等。 j. 油脂工艺：皂基常压干燥，加热或冷却各种工艺用液。 k. 集中供热：热电厂废热区域供暖，加热洗澡用水。 l. 其他：石油、医药、船舶、海水淡化、地热利用
7、。 1.5板式换热器选型时应注意的问题 1.5.1 板型选择板片型式或波纹式应根据换热场合的实际需要而定。对流量大允许压降小的情况，应选用阻力小的板型，反之选用阻力大的板型。根据流体压力和温度的情况，确定选择可拆卸式，还是钎焊式。确定板型时不宜选择单板面积太小的板片，以免板片数量过多，板间流速偏小，传热系数过低，对较大的换热器更应注意这个问题。 1.5.2 流程和流道的选择流程指板式换热器内一种介质同一流动方向的一组并联流道，而流道指板式换热器内，相邻两板片组成的介质流动通道。一般情况下，将若干个流道按并联或串联的费那个是连接起来，以形成冷、热介质通道的不同组合。流程组合形式应根据换热和流体阻
8、力计算，在满足工艺条件要求下确定。尽量使冷、热水流道内的对流换热系数相等或接近，从而得到最佳的传热效果。因为在传热表面两侧对流换热系数相等或接近时传热系数获得较大值。虽然板式换热器各板间流速不等，但在换热和流体阻力计算时，仍以平均流速进行计算。由于“U”形单流程的接管都固定在压紧板上，拆装方便。 1.5.3 压降校核在板式换热器的设计选型使，一般对压降有一定的要求，所以应对其进行校核。如果校核压降超过允许压降，需重新进行设计选型计算，直到满足工艺要求为止。 浅析薄管板换热器的结构型式与强度设计 摘 要：基于固定管板换热器，并进一步阐述了薄管板这一新型的理念，并通过薄管板技术在实际运用中所发挥的
9、意义，进而对薄管板换热器结构型式以及强度设计展开了简要、针对性的分析。旨在促进薄管板强度的最大化展现，从而促进薄管板换热器的不断推广以及广泛应用，以在最大范围内提升其所创造出的经济效益。 关键词：薄管板换热器 结构型式 强度设计 近年来，随着换热器在石化领域应用的逐渐广泛化，薄管板换热器也受到了人们越来越多的关注和重视。为了在整体上有效提高薄管板换热器的使用效果，相应的研究、实践工作也随之增加。 一、薄管板技术运用的现实意义 （一）便利性 运用薄管板技术的优势主要体现在取材这一方面，由于管板较薄，大多数情况下可以采用钢板，从而减少了锻造、热处理以及厚板拼接等问题。 （二）经济性 薄管板换热器在
10、设计中可以省去繁复的管板厚度计算，以及解决厚管板材料的供应困难，特别是不锈钢和贵金属材料。薄管板和厚管板在同样工况下，节约的材料达75%，而在压力较高的情况下，则可高达90%，另外由于薄管板结构加工方便，制造成本也大大降低，由于薄管板具有这些优点，它是一种很有发展前途的换热器形式 （三）完善性 由于薄管板上部及下部的温度差应力较小，因而其适宜被运用到管程以及壳程之间出现较大温差的情况下，且因为薄管板的整体处于较薄状态，在很大程度上也能加强热膨胀的补偿能力，从而避免膨胀节以及浮头式等结构的应用。此外，因为薄管板的整体性厚度均得以减少，这样一来便在很大范围内提高了定长换热管的传热能力，从而有效完善
11、了其换热功能。 二、薄管板换热器结构型式 相较于普通化的管板，薄管板在相同的工艺条件下整体结构会得以大大减薄，究其原因主要是薄管板换热器自身的特殊性。就薄管板而言，其厚度受法兰力矩的整体影响极小，这便决定着其能在介质压力小以及温差工况低等的前提下，获得较薄管板；而就普通化管板而言，其在很大程度上受法兰厚度的直接影响，这便意味着在法兰力矩的直接影响下，其会出现厚度偏大的情况。 （一）管板结构分类 现阶段，薄管板结构主要可以分为如下4种形式，即贴面薄管板结构、镶平薄管板结构、焊入薄管板结构以及挠性薄管板结构。就贴面式而言，其属于西德结构一类，管板与法兰表面直接接触；就镶平式而言，其属于苏联结构一类
12、，管板直接嵌入到法兰内部，并与表面车平；就焊入式而言，其属于中国结构一类，管板处于法兰下部，并与筒体保持焊接；就挠性式而言，其主要用于水管锅炉中，且其在加工过程中具有十分复杂的特点，但是因为挠性结构能很好的对热膨胀进行补偿，因此也不会过多地受到法兰力矩的影响。 （二）管板结构优缺点分析 以下是就贴面式、镶平式以及焊入式这三种管板结构所具有的优缺点进行的几点简要探讨。 第一，从受力强度这一角度出发，我国的焊入式管板结构效果最佳，且其灵活性极强，这主要是因为在焊入式结构中，管板与法兰相分离，进而在很大程度上降低了法兰力矩以及变形对管板所产生的影响，从而在根本上减小了管板因法兰引起的应力。与此同时，
13、管板通过与具有极小刚度筒体之间的连接，在一定情况下有效降低了管板边缘产生的应力。 第二，从防腐蚀角度出发，贴面管板结构的效果最佳，这主要是因为在这一结构中法兰与管内介质不需要直接接触，因此没有采取防腐措施的必要性，即可通过普通碳钢对其进行制造。若是管板内部存在腐蚀介质时，焊入式管板结构则更为有利，这主要是因为法兰在其中可以不用与管内的腐蚀介质相接触，因而可以使用普通碳钢。而镶平式的防腐蚀性最差，这主要是因为其法兰会与管内的腐蚀性介质进行直接接触，因而在使用过程中需要利用抗腐蚀的材料。基于此可知，在抗腐蚀方面，焊入式与镶平式管材结构都各具优点，因此在选择时可根据实际情况，即腐蚀介质是否存在于管内
14、中，进而选择相应的适宜方案。 第三，从制造角度出发，通过对贴面式与焊入式的认识和了解，进一步对两类结构进行了分析。一方面，贴面式结构在焊接过程中，管板出现变形的最大值为3mm；另一方面，在我国制造直径1400mm，长6000mm的焊入式的换热器过程中，管板与筒体短接在焊接之后，出现的变形约为30mm，之后通过不断的改进和完善，相应的制造工艺及焊接手段均有所创新，在此基础上不断有效消除了管板可能出现的变形，还在很大程度上确保了管板的平整性。 从制造情况而言，在焊接过程中，薄管板出现变形的可能性要比厚管板要更大，变形后，校平较困难，给穿管带来困难，增加制造时间和成本，但是随着制造工艺以及焊接方法的
15、不断完善，在使用过程中可以通过两块管板的有机结合，以实现管孔的共同加工，此外还可以通过与折流板一起钻孔，管板的变形大为改善，基本上达到了平整的要求，这样一来不仅能节省施工工时，还能利于穿管。 三、薄管板换热器强度设计 现阶段，根据理论，固定管板强度设计的方式主要可以分为2类，即一整体强度理论，也就是所谓的弹性基本板理论，这一类中的典型代表有美国的TEMA以及我国的规范等；二局部强度方法，这便是光板理论，以西德AD为主要代表。根据理论及实践结果表明，整体强度方法在很大程度上真实、具体地反映了薄管板换热器所能承受的压力状况，尤其是中国规范，相较于美国TEMA以及BS等方法，其考虑更为全面，因此相应
16、的结果也更为准确，属于一种先进性、合理性的强度设计方法。 AD计算方法的基础是光板理论，但就从根本上而言，其理论存在一定的不足和缺陷，但是从另一层面上来说，其考虑的局部强度是一种实际存在的问题，只是并没有受到足够的重视。从实质上而言，以TEMA、BS以及我国规范为代表的管板设计方式，其考虑的整体性强度与以AD所考虑的局部强度相比，最大的差异性便是计算方法。但是，在传统模式下的厚管板设计过程中，局部强度所处的地位次于整体强度，而若是根据管板整体强度进行设计，相应的局部强度便忽略。但是随着薄管板技术逐渐进步和发展，管板厚度在设计过程中也随之减薄，尤其是受到塑性极限方法的直接影响，整体强度与局部强度的相对地位也出现了一定的变化，这便意味着在设计薄管板过程中，加强对整体及局部强度的综合性考虑极为必要。通过对换热器的综合性认识，
