朱海舟

(蘭州蘭石換熱設(shè)備有限責(zé)任公司，甘肅蘭州 730050)

0 引言

從第1臺(tái)薄板沖壓成型的板式換熱器誕生至今，板式換熱器的發(fā)展已有100多年的歷史。隨著石油化工、冶金、暖通、船舶以及核電等行業(yè)的快速發(fā)展，板式換熱器在各個(gè)領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。從1965年蘭州石油化工機(jī)器廠獨(dú)立開發(fā)的第一臺(tái)板式換熱器開始，中國的板式換熱器發(fā)展已經(jīng)走過了50多年的歷史?；仡櫄v史，國內(nèi)板式換熱器的波紋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造水平也隨著國際同行業(yè)的發(fā)展而取得了長足進(jìn)步。目前，國內(nèi)眾多板式換熱器廠家均能生產(chǎn)不同板片材料、不同波紋結(jié)構(gòu)、不同單板面積以及不同用途的板式換熱器。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

板式換熱器的核心部件是傳熱板片，傳熱板片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接關(guān)系到板式換熱器的傳熱性能、承壓能力和使用壽命。板式換熱器的技術(shù)發(fā)展主要集中在板片波紋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究上，設(shè)計(jì)工程師設(shè)計(jì)出各式各樣波紋結(jié)構(gòu)的板片，目的就是設(shè)計(jì)出不同用途、不同傳熱性能、壓力降以及承壓能力的波紋板片。對(duì)于板片不同波紋結(jié)構(gòu)與傳熱性能、流體阻力的關(guān)系，蘭石研究所、清華大學(xué)(羅棣菴、焦芝林等)、河北工學(xué)院(李崇岳等)、天津大學(xué)［1］以及山東大學(xué)(欒志堅(jiān)、張冠敏等)［2］等做了大量的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值研究工作。

板片的主要參數(shù)有外形尺寸、中心距、角孔直徑、波紋深度、單板換熱面積。中心距和角孔直徑?jīng)Q定了板片的外形尺寸，波紋深度決定了當(dāng)量直徑和通道截面積，也會(huì)影響單板換熱面積。

傳熱板片設(shè)計(jì)的一般原理為:板片組裝后相應(yīng)位置均有用于引起擾流和阻止流道變形的支撐點(diǎn)。

由于不同廠家設(shè)計(jì)理念的不同，板片的波紋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在一定的差異，然而，板片的基本組成均是相似的。圖1為板式換熱器典型板片的波紋結(jié)構(gòu)組成，圖2為板片主要設(shè)計(jì)參數(shù)示意圖。圖2中a×b為角孔中心距，a1×b1為板片外形尺寸，c為角孔直徑，d為周邊法節(jié)，e為導(dǎo)流區(qū)法節(jié)，h為主換熱區(qū)波紋法節(jié)，β為人字夾角，δ為波紋深度。

圖1 典型板片的波紋結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 傳熱板片主要設(shè)計(jì)參數(shù)示意圖

1.1 密封槽外周邊支撐波紋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

根據(jù)密封槽外周邊位置支撐波紋結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，其設(shè)計(jì)考慮因數(shù)主要有兩點(diǎn):①安裝后形成支撐點(diǎn);②預(yù)留密封墊插扣位置。支撐點(diǎn)的主要作用是在板片組裝后相鄰的板片間形成緊密的、交替相間的觸點(diǎn)，用以提高板片的剛性以及產(chǎn)品的承壓能力。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，其波紋節(jié)距通常的設(shè)計(jì)參考值為d=(4～6)×δ。

密封槽外周邊支撐花紋的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮橡膠墊與板片的連接方式。通常，橡膠墊與板片連接方式設(shè)計(jì)越合理，橡膠墊在與板片裝配時(shí)兩者的密封中心線對(duì)正效果越好，越不容易發(fā)生膠墊錯(cuò)位或松動(dòng)，從而保證產(chǎn)品的密封性能。因此，提高產(chǎn)品密封性能，需要設(shè)計(jì)工程師們不斷的積累經(jīng)驗(yàn)并不斷的摸索更合理的插扣設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

1.2 密封槽結(jié)構(gòu)分析

板片的密封槽和橡膠密封墊片共同構(gòu)成了板式換熱器的密封系統(tǒng)，密封系統(tǒng)的密封強(qiáng)度決定了板式換熱器的承壓能力。合理的密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅能夠提高板片的剛性，提高板式換熱器的耐壓性能，也能保證良好的密封性。

密封槽的形狀、結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到密封墊片在密封槽內(nèi)的定位，合理的密封槽設(shè)計(jì)應(yīng)使密封墊片在受壓、受熱的條件下，在設(shè)計(jì)的位置上不發(fā)生位移，并且基本保持原有的壓縮比，保證密封性能。

因此在密封槽設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮到不同材質(zhì)的板片成型性能的前提下，使密封槽的傾角盡量小，并盡可能地采用密閉形式。目前板片密封槽的傾角α一般設(shè)計(jì)在15°～30°，主流板片均采用平面形式，密封槽寬度B約8～12 mm。圖3為密封槽示意圖。

圖3 密封槽結(jié)構(gòu)

另外，密封槽設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意二道密封處的結(jié)構(gòu)，二道密封是板式換熱器承壓的薄弱區(qū)域，早期設(shè)計(jì)的板片采用點(diǎn)焊加強(qiáng)條的辦法來增加二道密封的剛性，隨著模具加工水平的提高以及冶金水平的提高，目前通常采用壓制反向加強(qiáng)筋的辦法(成型時(shí)局部的冷作硬化)來提高二道密封的剛性。

1.3 介質(zhì)通道口設(shè)計(jì)分析

板片角孔是板式換熱器的介質(zhì)的進(jìn)、出口。角孔大小決定了換熱器的最大處理量，角孔大小通常取決于相應(yīng)公稱直徑管道的內(nèi)徑，角孔大小也是板片總體寬度的影響因素之一，關(guān)系到板片材料的利用率。

1.4 防護(hù)區(qū)設(shè)計(jì)分析

防護(hù)區(qū)也叫泄漏區(qū)，橡膠墊片在該區(qū)域的相應(yīng)位置設(shè)計(jì)有泄漏槽，如果板片有裂紋等缺陷，則試壓時(shí)介質(zhì)會(huì)從泄漏槽流出，便于確定泄漏位置和檢修。另外，防護(hù)區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的成敗，影響產(chǎn)品的承壓性能(在較高壓力時(shí)表現(xiàn)尤為突出)，通常防護(hù)區(qū)設(shè)計(jì)完成后需進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，保證產(chǎn)品的承壓能力。

1.5 導(dǎo)流區(qū)設(shè)計(jì)分析

導(dǎo)流區(qū)也叫三角區(qū)是介質(zhì)在通道中的分配區(qū)域，導(dǎo)流區(qū)的設(shè)計(jì)關(guān)系到板片設(shè)計(jì)的成敗，是板片設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。一般設(shè)計(jì)完成后需進(jìn)行CFD計(jì)算機(jī)模擬。

不同設(shè)計(jì)理念設(shè)計(jì)的導(dǎo)流區(qū)結(jié)構(gòu)有差異，目前主流的設(shè)計(jì)以十字交叉網(wǎng)格結(jié)構(gòu)為主。十字交叉網(wǎng)格結(jié)構(gòu)導(dǎo)流區(qū)的法節(jié)一般取值e=(5～7)×δ。三角區(qū)的波紋深度取板片總體波紋深度的一半，設(shè)計(jì)為凸、凹相間結(jié)構(gòu)，板片組裝時(shí)形成觸點(diǎn)。

1.6 主傳熱區(qū)設(shè)計(jì)分析

主傳熱區(qū)為介質(zhì)提供通道和主要傳熱面(導(dǎo)流區(qū)也參與傳熱)。

主傳熱區(qū)的設(shè)計(jì)主要是幾個(gè)參數(shù)的最佳配置以及波紋截面結(jié)構(gòu)、波紋形式的設(shè)計(jì)。主傳熱區(qū)的波紋形式有:人字形波紋、水平平直波紋、豎直波紋、斜波紋等。由于人字形波紋板片傳熱效率高、流體阻力大、承壓能力好，因此，目前板式換熱器以人字形波紋板片為主。

主傳熱區(qū)的主要參數(shù)有:人字形夾角β，法節(jié)h，波紋深度δ，波紋截面形狀。人字形夾角β，法節(jié)h，波紋深度δ，波紋截面形狀相輔相成。法節(jié)太小，則板料不易成型，法節(jié)太大，則板片承壓能力和傳熱性能下降，成型與傳熱需達(dá)到合理的匹配，法節(jié)與波深以及波紋截面形狀相關(guān)。一般情況下，法節(jié)和波紋深度的關(guān)系是:h=(3～4)×δ。

主傳熱區(qū)內(nèi)波紋的截面形式主要有:梯形截面，圓弧形截面、三角形截面，各種形狀的截面均有其優(yōu)缺點(diǎn)。圖4為截面形狀示意圖。

目前，同一型號(hào)的板片根據(jù)人字夾角分別設(shè)計(jì)軟、硬兩種板型，兩種板型可以混裝。軟硬、板外形尺寸、安裝尺寸、橡膠墊片一致，區(qū)別在人字形夾角β，把人字夾角β＞90°稱為硬板，硬板的人字夾角β取值通常在120°～130°。把人字夾角β＜90°稱為軟板，軟板的人字夾角β取值通常在40°～70°。兩種板型可以組成三種性能不同的流道，采用混合通道使板式換熱器的設(shè)計(jì)得到優(yōu)化。

圖4 波紋截面形狀

通用型板型最典型的軟、硬板的人字夾角β取值為60°和120°。人字形夾角β和波紋截面形狀是影響傳熱和壓降的主要因素之一。人字形夾角β的大小還取決于產(chǎn)品開發(fā)后的主要使用工況，根據(jù)傳熱的壓降匹配，及產(chǎn)品的性價(jià)比設(shè)計(jì)最合理的夾角。

1.7 懸掛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于懸掛結(jié)構(gòu)，不同制造商有不同的設(shè)計(jì)差異。根據(jù)懸掛結(jié)構(gòu)的作用特點(diǎn)，懸掛的設(shè)計(jì)考慮因素有三方面:①承受自身重量的抗變形能力;②與導(dǎo)桿的配合定位;③板片裝配時(shí)的可操作性。

1.8 板片的長寬比設(shè)計(jì)

不同的工況采用長寬比不同的的板片。常規(guī)人字形波紋板片的長寬比為2.5～3，實(shí)踐證明，長寬比在此區(qū)間的板型承壓能力較高。

板片長寬比不同，制造難度、制造成本有差異。特殊用途的板片長寬比很小或很大。如單側(cè)溫差大或?qū)?shù)溫差小的工況需要長寬比大的板型，如長寬比在3～5的板型;而壓降小、流量大的工況又需要長寬比小的板型，如長寬比小于2的板型。

等寬不等長(長寬比不同)成系列開發(fā)是目前板型開發(fā)的趨勢(shì)，全球主流板換廠家，除阿法拉伐外，其余均按系列在開發(fā)，成系列開發(fā)的特點(diǎn)在于，開發(fā)成本低、便于組織生產(chǎn)。

1.9 波紋深度

波紋深度是板式換熱器最主要的參數(shù)，板型的其它參數(shù)與波紋深度相關(guān)，波紋深度也是知道生產(chǎn)的主要參數(shù)。常規(guī)人字形波紋板片的波紋深度在2～5之間。常用的板型波紋深度在3～4之間。近年來出現(xiàn)了傳熱性能較高的高性能板片，波紋深度在2～2.5之間，此種板型在空調(diào)行業(yè)應(yīng)用非常廣泛，傳熱系數(shù)高，NTU大，承壓高。高性能的淺密波紋板片是板式換熱器發(fā)展的趨勢(shì)。

2 結(jié)論

通過對(duì)墊片式板式換熱器傳熱板片波紋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1)對(duì)于密封槽外周邊支撐波紋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，支撐點(diǎn)和預(yù)留插扣位置結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，他們將直接的影響板片的剛性和產(chǎn)品的密封性能。

(2)對(duì)于密封槽的結(jié)構(gòu)，越小的傾角越有利于提高板片的密封性。因此，對(duì)于不同的材料，應(yīng)該在保證成型質(zhì)量的前提下盡可能減小設(shè)計(jì)傾角。另外，采用設(shè)計(jì)反向加強(qiáng)筋是提高密封槽的剛性的有效方法之一。

(3)流體流動(dòng)分布的均勻性是傳熱板片設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。因此，導(dǎo)流區(qū)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)建議結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及CFD分析軟件進(jìn)行流動(dòng)傳熱動(dòng)方面的研究。

(4)對(duì)于主傳熱區(qū)，采用不同設(shè)計(jì)夾角的板片能靈活的組合不同的流道，從而優(yōu)化產(chǎn)品系列，擴(kuò)展產(chǎn)品的應(yīng)用范圍。

(5)主傳熱區(qū)主要有人字形夾角β，法節(jié)h，波紋深度δ，合理的匹配這些參數(shù)不僅能保證產(chǎn)品質(zhì)量，更能提高產(chǎn)品的傳熱效率。

(6)合理的考慮板片的長寬比并系列化板型即可以提高傳熱板片的材料利用率，降低制造成本，又方便于生產(chǎn)。

3 結(jié)語

在板式換熱器板型設(shè)計(jì)上，關(guān)鍵位置的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)考慮因素至關(guān)重要。目前，國內(nèi)板式換熱器的研發(fā)能力相對(duì)薄弱，與國外同行業(yè)相比，國內(nèi)板式換熱器的設(shè)計(jì)水平仍有一定的差距，多數(shù)板換廠在制造板式換熱器上仍依賴于參考國外同行業(yè)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，缺乏對(duì)板型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究工作。為了縮短與國際先進(jìn)水平的差距，適應(yīng)板式換熱器的發(fā)展趨勢(shì)，我們需要對(duì)板型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)研究工作，開發(fā)出更好、更新的板型，進(jìn)一步提高我國板式換熱器的產(chǎn)品水平。

［1］ 楊崇麟.板式換熱器工程設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998.