铝制板翅式换热器设计要点分析

铝制板翅式换热器设计要点分析

李晶

山东华昱压力容器股份有限公司 山东济南  250000

摘要：铝制板翅式换热器是一种换热设备，具有高效性的特点，该散热器结构紧凑，可以快速传导热量，而且其重量较小，在当前的工业等领域得到了广泛应用。为了进一步突出铝制板翅式换热器的优势作用，在对其进行设计的过程中，需要合理进行结构选型，并且注重细节优化，保证铝制板翅式换热器的散热效果。本文铝制板翅式换热器设计要点进行分析研究，并且提出了几点浅见。

关键词：铝制板；翅式换热器；材料选择；设计要点

一、 铝制板翅式换热器的特点

铝制板翅式换热器是一种高效的散热设备，具有非常明显的应用优势。铝制板翅式换热器出现于美国，早在1942年，美国科学家Norris就提出了传热系数与Raylow数的关系，研究了平板、钉、波纹等翅片的传热性能。随着这一技术的积极应用，美国将深化对板翅式换热器与舰船、海军、航空等环节的研究。近年来，随着我国制造技术的发展，铝板翅片已经取代了传统的金属管壳结构。其总质量比仅为1/10，传热效果显著，是传统金属的5~10倍。因此，铝板翅片换热器在化工和天然气液化中得到了广泛应用。

二、板翅式换热器存在问题

从结构上来看，板翅式换热器主要由进口管、进口封头、换热器芯、出口封头和出口管组成。其结构尺寸为：进水管直径200mm，长度176mm，进水封头直径308mm，长度905mm；流体通道的宽度为19 mm，长度为308 mm；出口管的直径为200 mm，长度为246 mm。由于进入各层中的板翅式换热器的通道的流体的不同流动模式，三个通道中的流动是不同的。径向通道流是最大的，其次是环形通道流、涡流通道流是最小的。进气管附近通道内的流速通常比头部末端涡流槽通道内的流速大一个数量级，各通道内的流速随进气管速度的增大而增大。因此，板翅式换热器横向流动存在严重的不均匀分布，影响了换热器的传热效率。考虑到锥形分配器可以实现均匀的分配和收集，不影响板翅式换热器的流量分布不均匀，只模拟了换热器的结构，包括进口管和出口管。保持流量的热交换器的核心是一样的。与原始模型相比，进口和出口管的数量和直径是不同的，而其他的大小保持不变。

三、铝制板翅式换热器设计要点分析

（一）换热器材料选择

在板翅式换热器设计过程中，材料的选择尤其重要，属于设计环节的要点内容，不仅关系到了铝制板翅式换热器的散热效果，也会对其经济性产生直接影响。在换热器材料选择阶段，要求充分关注材料结构、介质、腐蚀性及制造工艺，并将材料的经济性和安全性作为首要的材料选用依据。如果未能选择最佳的材料类型，则可能相应增加材料施工成本，影响材料安全性能，使其使用寿命大幅降低。近年来，在换热器设计领域已经涌现了一批又一批新材料，也因此增加了企业的经济效益。要求结合具体的介质类型选择具体的材料，大量使用具有良好性能的进口材料，淘汰性能较低的材料。进行换热器设计，要求让管程的换热管及管板材质得以充分匹配，以免因焊接不同的材料而造成严重的电势差，同时，实现对于管程及壳程的有效控制，避免出现双侧腐蚀的情形。如果压力和温差均相对较高，则可能导致管板设计过程中出现超厚的管板材料，并利用复合钢板结构，将其作为管板，以相应削弱设备使用成本。总而言之，要求在设计过程中充分关注材料强度和刚度状态，以简化材料加工制作难度，有效避免设备成本浪费问题。

（二）管孔设计

为了充分发挥出铝制板翅式换热器的优势作用，在具体的设计环节，要关注管孔设计，由于管孔直径大小会对换热管和管板之间连接接头的质量造成影响。因此设计人员在对管板上管孔进行设计时，必须要根据换热管大小来确定管孔直径，以此来保证连接接头质量。通常情况下管板上管孔中心距应该在换热管外径的1.25之上，同时分层隔板槽周围相邻管孔中心距应该比管孔中心距和隔板槽宽度的和要大，只有这样才能确保设计的管孔符合相关标准，保障管板质量。另外，设计人员在对管孔设计时，要避免管孔离壳壁太近，否则会对换热管安装造成影响，从而导致管板排列不合理，影响翅式式换热器管板质量。需要注意的是，在对管孔设计时，要确保布管区的直径符合相关标准，如此才可以有效发挥出换热管排列的作用和价值。除此之外，管板上的分程隔板槽深度要高于4mm，并确保分程隔板槽在拐角处的倒角为45°，倒角宽度如果是分程垫片圆角，那么设计人员需要在管孔半径上再加1-2mm，以此来保证管孔设计符合要求，保障翅式换热器平稳运行。避免发生泄漏或者出现无法安装等情况。

（三）管板连接设计

设计人员在对管板连接进行设计时，要根据壳程压力大小、流通介质是否具备腐蚀性以及管板是否可以兼顾法兰等，只有这样才能保障连接质量，使管板和壳程圆筒连接在一起。在设计连接方式时候，可以值得注意的是，若是壳程压力比4MPa高，那么设计人员应该采用对接方式，将管板与管箱短节以及圆筒连接在一起，如此可以有效改变管板受力情况，保障管板质量。不仅如此，当多管程管板的前后端结构存在明显差异时，设计人员要分开进行设计，并确保各管程数量保持一致，以此来方便后续的连接工作能够顺利进行，保障翅式换热器管板质量。同时设计人员在对分程进行设计时，还要尽可能简化管板板槽形状，通过这种方式可以有效缩短密封长度，使管板前后端结构连接在一起，使换热器能够平稳、有序运行。

（四）流体流径选择

要求在翅式换热器设计阶段确定最佳的流体流径状态，以促进流体换热效率提升，让设备设计运行质量得到充分保障，同时，提升设备操作的安全性。通常而言，如果流体中含有大量杂质或易结垢物质，且毒流体及粘性相对较大，腐蚀性过强，则可以采取流体走管的形式，以便于流体清洗和流体检修。饱和蒸汽、冷却流体则十分适用于流体走管的情形，可以有效提升流体传热性能，避免热量损失。

（五）附属结构

首先，要求在设计阶段充分关注换热器的附属结构，如膨胀节。在实际换热阶段，固定管板换热器的管束及壳体之间可能表现出较大的温度差，若温度差达到一定数值，则要求在其中设置膨胀节，以相应降低管板厚度，削弱设备设计成本。其次，设计管程隔板装置，如果多管程管箱中的结构多为碳钢和低合金钢材料，则为有效避免应力集中的情形，需要积极落实管箱焊接作业，并在此基础上争取良好的应力消除处理效果。为切实避免管程积液问题，需要在隔板位置上设置漏液内孔，以相应降低设备腐蚀风险，让装置的使用期限得以切实延长。

再次，关注缓冲板和导流筒设计，如果流体流速相对较大，则要求在其中设置缓冲板和导流筒，以免因流体大量流入换热器而带来严重的管束冲击。最后，设计放气孔及排液孔装置，以充分清除不凝气体和装置中过多的冷凝液。

四、结束语

综上所述，板翅式换热器广泛应用于空分、航天、化工等领域，得益于其传热效率高、紧凑轻巧、适应性强等优点，可在200℃到接近绝对零度的温度区间内工作。科技工业的发展，对板翅式换热器的综合性能有了更高的要求，主要体现在板式换热器的翅片上，其结构尺寸对换热器的性能影响较大，因此研究翅片结构如何影响板翅式换热器就有重要的应用价值，需要落实设计要点，优化设计路径，以便于进一步发挥出板式散热器的价值。

参考文献

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