铝制板翅式换热器设计研究

铝制板翅式换热器设计研究

【摘要】铝制板翅式换热器是一种新颖换热器，具有传热高效、紧凑、轻巧等特点，已在工业领域得到广泛应用。本文结合实践经验，就铝制板翅式换热器的设计进行了研究，具体包括了换热器设计参数、材料选用及结构设计方面的内容，给出了设计过程中的相关注意事项，可供设计人员参考交流。

【关键词】铝制板翅式换热器；设计参数；注意事项

铝制板翅式换热器是用于固定螺杆压缩机的换热器，铝制板翅式换热器是一种以翅片为传热元件的新颖换热器具有传热效率高、体积小、结构紧凑、适应性大、重量轻等特点，并可设计成多达十多股流体同时换热的特殊用途的换热气，其单位体积传热面积可达1860m2/m3。目前已在石油化工、航空航天、电子、原子能、武器工业、冶金、动力工程和机械等领域得到广泛应用，取得了显著的经济效益。近年来，铝制板翅式换热器的设计理论、制造工艺、开拓应用的研究方兴未艾，特别是一些新技术的渗透，使其进入了一个新的发展时期。下面，本文就铝制板翅式换热器的设计进行相关研究。

1.铝制板翅式换热器整体结构

铝制板翅式换热器芯体由隔板、翅片和封条3部分组成。在相邻两隔板之间放置翅片及封条，组成一夹层，称之为通道。对于高压板翅式换热器，由于承受的压力较高，隔板与翅片、封条的钎焊要求也比较高，隔板的复合层要比低压换热器隔板的复合层厚，封条的宽度也需相应增加。按ASME规范第八卷第一分册UG-101的规定，凡容器或容器部件的强度难以准确计算时，其最大许用工作压力可按试样爆破压力来确定。板翅式换热器芯体由于结构复杂，钎焊缝的检查受到结构限制，不可能进行无损检测和其他检查，也无法做强度核算，所以只能通过试样的爆破试验来确定。按ASME规范规定，试样的爆破试验压力应是最大许用工作应力的3～5倍，且以翅片母材拉伸断裂为合格标准。对于铝制板翅式换热器，其翅片的最大许用工作压力相应提高。为了达到这一要求，应选择性能较好的翅片材料，同时增加翅片的厚度。

2.换热器设计参数

热流体：介质为甲烷，设计压力4.95MPa，进口工作温度40℃，出口工作温度16℃，设计温度150℃，传热系数2400W/m2·K；

冷流体：介质为三元冷剂，设计压力2.6MPa，进口工作温度10℃，出口工作温度21.5℃，设计温度65℃，传热系数1900W/m2·K。

换热器为逆流换热形式，由于工作时甲烷进口温度有可能出现温度瞬间上升到一百多摄氏度的情况，故热流体的设计温度最终取为150℃。由于假设温度的提高，极端情况下，换热器热端冷热流体的温度分别为21.5℃和150℃，经过简

化传热模型，由以下公式求解得到热端芯体金属温度约为93.22℃左右。

αhF（th-tw）=Q

αcF（tw-tc）=Q

式中：αh-热流体传热系数；th-热流体温度；αc-冷流体传热系数；tc-冷流体温度；tw-芯体金属温度；F-换热面积；Q-负荷

3.材料选用

板翅式换热器由汇集流体的封头和进行传热的芯体组成，芯体由翅片、隔板、封条和侧板四个部分组合而成。高温高压板翅式换热器的设计需对各主要承压元件的材料进行合理选取。

封头材料选取。对于高压铝制板翅式换热器，设计温度不超过65℃时，出于材料经济性和降低加工难度的考虑，封头材料一般采用许用应力较高的铝镁合金5083，以减薄封头的厚度；由于甲烷冷却器热侧的设计温度为150℃，原则上封头材料不允许采用5083，只能选用适合高温的铝材如5052、5454、6061等材料，因此封头厚度会有所增加。对甲烷冷却器冷侧，考虑热侧进口温度为150℃的最极端工况，由于流体的换热是在进入芯体后进行的，冷侧的进口温度为10℃，因此进口封头材料可采用5083；冷侧的出口温度，由于流体在芯体换热时，铝材的温度是两股流体相互换热后的温度，且经过热平衡计算，出口温度未达到65℃，因此出口封头材料亦可选用5083，以减薄封头厚度。

翅片材料选取。受到翅片材料抗拉强度的限制，当设计压力小于 6.9MPaG 时，翅片一般选用3003材料，大于这个设计压力时要选用抗拉强度更高的3004材料，以增加换热器的承压能力。由于极端情况下，甲烷冷却器的芯体金属材料温度最大为93.22℃左右，根据表1，大部分材料许用应力在此温度下并未降低，因此可以采用3003材料。

4.结构设计

为了适应高温高压板翅式换热器的设计要求，设计时除了要在材料选取上下功夫，合理的结构设计是必不可少的。

翅片选择。翅片是板翅式换热器的重要元件，起着传热和承压作用。高温高压板翅式换热器需要选用高压翅片以增加换热器的承压能力，而衡量翅片承压能力的重要指标是翅片的爆破试验压力。在同等翅片参数条件下，平直型翅片承压能力最强，多孔型次之，再次是波纹型和锯齿型翅片，其阻力降和传热效率则相反。一般情况下，增加翅厚，缩小节距，可有效增加翅片承受压力，但受翅片冲床加工能力的限制，翅片越厚，冲床模具回弹量越大，翅片成型越差；节距越小，冲床模具越容易断裂，无法冲制翅片。本换热器设计选用了翅高6.35mm，翅厚0.5mm，节距1.7mm的高压翅片。翅片理论爆破压力按以下公式确定：

P=×σb×k

其中：P-理论爆破压力，MPa；δf-翅片厚度，mm；Sf-翅片节距，mm；σb-材料抗拉强度，MPa；k-翅片冲孔或切开削弱系数，一般取0.86，无冲孔和切开时取1。

大厚度封头的加工与安装。在150℃时铝合金材料的许用应力明显下降，导致甲烷冷却器封头计算厚度大大增加，考虑开孔补强后封头名义厚度达35mm，给封头的加工与焊接带来了难度。铝合金的延伸率很低，在室温下形变量超过10%会出现裂纹，需要加热增加塑性后才能加工成型，并且需要退火处理以消除残余应力。一般情况下，由于封头与换热器芯体的角焊缝为单面焊，为了保证焊透，首先采用了40mm宽度的封条来配合热侧的厚封头，其次可以先用过渡短节与芯体双面焊，待封头加工完成后再与短节对接焊复合。

通道排列。由于板翅式换热器最外侧通道承压能力最差，在通道排列时，宜把高压的热侧排在中间，低压的冷侧排在最外面，并在冷侧外布置了四层工艺层以利于承压。

5.需要注意的问题

5.1气流均匀分配问题

对于铝制板翅式换热器的高压侧流体，由于流体的压力较高，流体在板翅式换热器中的流速一般不会很高（对于高压流体与低压流体换热的高压换热器），且多采用多孔形翅片，阻力损失一般对流体的均匀分配影响很大，流体的偏流问题比较严重，应引起足够的重视，并适当增加设计余量；而对于低压侧流体，由于流速相对于低压换热器流速较高，流体的阻力损失相应增大，从而使流体在板翅式换热器中更为均匀地流动，达到最好的换热效果。

5.2试验压力

根据换热器内压通道的液压试验公式：

P=1.3P

式中：PT-试验压力，MPa；p-设计压力，MPa；[σ]-容器元件材料在试验温度下的许用应力，MPa；[σ]t-容器元件材料在设计温度下的许用应力，MPa。

由于甲烷冷却器热侧采用了不同的材料（芯体材料为3003，封头材料为5454，接管材料为6061），最终应取各元件材料的[σ]/[σ]t比值最小者，这样试验压力都在各元件材料的承受范围内，故试验压力应为PT=7.75MPa。

至此，甲烷冷却器从材料选择、翅片选型、通道排列等方面进行了合理的结