板壳式换热器的应用和进展

板壳式换热器的应用和进展
蔡丽萍;郭国义;陈定岳;肖云晓
【摘要】评述了近年来有关板壳式换热器的研究进展,着重介绍了板壳式换热器的结构、性能特点和制造技术.还介绍了板壳式换热器的工业应用情况.
【期刊名称】《化工装备技术》
【年(卷),期】2011(032)002
【总页数】5页(P27-31)
【关键词】板壳式换热器;板管;板束;管板;制造技术
【作者】蔡丽萍;郭国义;陈定岳;肖云晓
【作者单位】宁波连通设备制造有限公司;宁波连通设备制造有限公司;宁波连通设
备制造有限公司;宁波连通设备制造有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TQ051.5
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
板壳式换热器是介于板式换热器和管壳式换热器之间的产品，它具有板式换热器和管壳式换热器两者的优点。

目前，普遍使用的管壳式换热器已经远远不能满足大型化、现代化装置的需要。

为实现炼油化工装置的大型化、现代化，必须解决原有关键换热设备占地面积大、单台设备重量大、资金投入大以及能耗高的不足。

大型板壳式换热器适应了炼油化工技术发展和炼油化工装置增效节能的需要，是新一代换热设备。

本文就板壳式换热器的结构、性能特点和工业应用等方面做了简述，可供板壳式换热器生产管理人员和技术人员参考。

目前板壳式换热器结构样式繁多，但大体上分为导孔型结构和板管型结构两大类。

导孔型板壳式换热器主要适合于中小型换热器，板管型板壳式换热器则适合于大型换热器。

导孔型板壳式换热器的内部核心是由一组特制的、几何结构相同的金属圆板片完全焊接而成，形成一个圆柱状的换热板组，板中的两个圆孔形成了板程流道，壳体和板片之间形成了壳程流道。

为了使壳程流体通过板间流动，通常在壳体和板组之间加导流块[1]。

导孔型板壳式换热器根据结构又分为全焊接型（见图1）、可拆卸
型（见图2）、紧凑型（见图3）三类。

导孔型板壳式换热器换热面积存在一个问题，即面积不能做得很大，最大为1 800 m2，因此不能满足大型化装置的需要。

板管型板壳式换热器主要由板管束和壳体两部分组成，如图4所示。

将冷压成型
的成对板条的接触处严密地焊接在一起,构成一个包含多个扁平流道的板管（见图5）。

许多个宽度不等的板管按一定次序排列。

为保持板管之间的间距，在相邻板管的两端镶进金属条，并与板管焊在一起。

板管两端部便形成管板，从而使许多板管牢固地连接在一起构成板管束。

板管束的端面呈现若干扁平的流道（见图6）。

板管束装配在壳体内，它与壳体间靠滑动密封消除纵向膨胀差，有些设置膨胀节解决膨胀问题。

设备截面一般为圆形,也有矩形、六边形等。

A流体在板管内流动，B 流体则在壳体内的板管间流动。

随着工业装置的大型化，为了适应大热负荷的需要，
用金属波纹板片组成传热板束代替早期的由金属条焊接而成的传热板束，形成了新的板壳式换热器。

金属板片主要有两种成型方式：一种是传统的轧制成型，另一种是爆炸成型。

爆炸成型国外已较为成熟，Alfa Laval公司开发的Packinox板壳式换热器的传热板束是爆炸成型的，传热面积可达16 000m2。

[2]但其制造难度大，国内还没有这方面的经验。

传统的轧制成型工艺成熟，容易制造。

国内大多数研究重点放在大型轧制板壳式换热器上，国产最大的板壳式换热器换热面积达10 500 m2。

2.1传热性能
传热系数是传热过程的综合反映，它的大小表征了过程传热能力的强弱，是衡量传热性能的传热指标。

导孔型板壳式换热器中的流体流动形式和板式换热器相似，在波纹状通道中流动的流体受到强烈扰动，临界雷诺数只有20～50，在很低的流速下就能达到湍流状态，并且可实现纯逆流换热，所以具有很高的传热效率及热回收率。

板管型板壳式换热器中物料在两波纹板片之间的缝隙通过，这些波纹的存在使得流体不断改变流动方向，产生旋转和扭转，从而使流体内各部分的质点不断迅速转移，加速热交换的进行。

一般当临界雷诺数为400时就可以达到充分湍流。

不管是导孔型的还是板管
型的，板壳式换热器传热系数一般为管壳式换热器换热系数的 2～3 倍[3-8]。

板壳式、管壳式和板式三种换热器的传热性能比较[1]，如表1所示。

2.2流动性能
对板壳式换热器来说，压降是表征介质流动性能的重要参数，泵的能量消耗依赖于换热器的压降，因此较低的压降可以减少换热器的操作费用。

换热器的压降主要来自于介质在换热器中流动所遇到的阻力。

阻力主要来自三个方面：一是介质本身的特性，与运动黏度有关，当介质的运动黏度越大时，阻力越大；二是换热板片的特性，与板型或结构参数有关，表面粗糙度较大、板片较长（长宽比较大）、波纹
深度较浅、节距较小，都会使介质遇到的阻力加大；三是介质流动的特性，与流速有关，流速越高，遇到的阻力就越大。

对于导孔型板壳式换热器，虽然波纹板通道内的局部阻力比光滑表面要大，但由于板片数目多，并列的通道数目较多，因而流动速度并不高。

再加上通道长度短，所以其总体压降反而比其它型式的换热器更小一些，因此运输流体所需的功率减小[9]。

对于板管型板壳式换热器，虽然板壳式换热器对给定的流道面积来说其当量直径较小，由于管束直通，壳程无须设置折流板，一般换热器的压降小于0.05MPa[8，10]。

板管型板壳式换热器通常为纯逆流流动，且采用与介质流动方向总体一致的
顺人字型板片，因此压降仅为管壳式换热器压降的1/3～1/2[11]。

2.3防止污垢性能
对于板管型板壳式换热器，波纹板片具有“静搅拌”作用，使冷热介质分别在“板管”内和“板管”间不断改变流动方向，产生旋转和扭转，在很低的雷诺数
下就能形成湍流，流体的强烈湍流减少了结垢[8，10]，冷热介质之间以板片为媒
体进行的热交换非常迅速，使介质来不及结垢[10]。

但与管壳式换热器相比，其流动截面小，易堵塞。

因此这种换热器只在重整装置等介质比较干净的场合应用[3]。

板壳式换热器的核心为板束，其制造工艺较为复杂。

关键技术分别是板片与板束的制造。

3.1板片制造技术
传统板式换热器板片的波纹成型为一次压制成型，而大型板壳式换热器所用的大型板片，由于受压机吨位、尺寸及模具制造成本的限制，无法实现一次成型。

现根据国内现有的成型技术水平和加工能力，采用整板分次连续压制成型的技术，将一张板片划分成若干份，在万吨油压机上分次步进行压制，最终完成整张板片的成型。

保证压制出的板片每一段的长度、波纹尺寸完全一致。

国外采用爆炸成型的方法，国内还没有这方面的经验，但由于其成型的波纹板片的面积几乎不受限制，能够充
分满足装置的大型化的需要。

3.2板束制造技术
导孔型板壳式换热器内部核心是由一组特制的、几何结构相同的金属圆板片完全焊接而成，形成一个圆柱状的换热板组[1]。

文献[12]介绍了一种板壳式换热器，其
传热面芯子的焊接方法是电阻缝焊（也称滚焊），这种焊接方式质量可靠，机械
化程度较高，且不用消耗焊条、焊剂和惰性气体，因而成本较低，约为普通手弧焊、氩弧焊的10%～20%。

此外，为了解决相邻的对板在两个导孔周围组焊的难题，
还研制了孔内缝焊机。

老式的板管板壳式换热器用平板折弯以后再用电阻缝焊制作成板管，板管和管板的焊接要用氩弧焊。

文献[4]介绍了一种大型板壳式换热器，其板束是由薄板压制成
型后的板片叠合而成。

首先组焊两块成型好的板片两侧纵向焊缝（长度一般为
6～10m），称为板束。

再将按设计要求数量的板管叠合组成板束，在板束的两端处，焊接板管与板管之间的横焊缝。

最后将板束与分隔连接板焊接。

板束结构详见图7。

兰州石油机械研究所利用氩弧焊机，对各种形式的焊接试件进行了焊接试验，并对焊好的试件进行了水压试验及理化试验。

试验结果表明，利用氩弧焊方法焊接不锈钢薄板是可行的。

随后他们研制了2台专用自动氩弧焊机，分别用于长焊缝的焊
接和横焊缝的焊接。

文献[10]提到一种板壳式换热器，其板束为全焊接结构，整板步进式模压成形的LT型波纹板片在专用的TIG自动焊机上组焊成板管，再将板管组焊成板束。

板壳式换热器20世纪30年代始创于瑞典，世界上第一台板壳式换热器于1981
年10月在法国ELF石油公司danges炼油厂投入使用，作为CCR重整装置混合
料换热器，取代原有的4台卧式管壳式换热器。

国外板壳式换热器已经成为炼油
厂催化重整、加氢及芳烃车间的标准设备。

板壳式换热器在中国起步较晚。

中国石化工程建设公司和兰州石油机械研究所于
20世纪80年代末开始研制板壳式换热器，1993年完成了55.6m2样机的设计制造，并成功应用于兰州炼油厂10万t/a铂重整装置。

国内板壳式换热器工业应用实例列于表2。

综上所述，板壳式换热器与管壳式换热器相比优势相当明显，传热系数高，压降小，不易结垢，结构紧凑，同时有效降低装置能耗。

在很多高温高压的场合，可以替代管壳式换热器。

国内板壳式换热器经过近年来的发展，结构多种多样，应用范围也从催化重整延伸到常减压蒸馏、甲醇、芳烃和合成氨等装置。

但板壳式换热器的开发方面与国外相比仍有差距，且板壳式换热器的实际推广和应用仍然有限。

尚需针对高温、高压、易腐蚀、易结垢等恶劣的工况条件，研制对抗特性的不同材质的新型换热器，来满足大型化石油化工装置的不同工艺要求。

采用高分子材料制造换热器，也是一种有益的尝试[16]。

【相关文献】
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