高温高压铝制板翅式换热器的设计
Ｊ ４ ■ 论一广场文 一
石
油和 化 工设备 ２ ０
３ １第１ 年 ６卷
高高温铝压制翅式换板热器的设计
梁好维， 明志王，孔 翔
（ 州杭 氧股杭份有 限司 ，浙江公杭州 ３１ ０ ０ １ ４）
［ 摘 ］介要绍了高 温高压翅式板换器热的设特点计阐，述了高温高工况下压，不在超铝过材用使温度 时，只要对板翅式换热进 器行合 理的结设构和材料选计，用同可以样来用代替 壳式换管热器缩，设备小积体 ，足装置大满化的型工流艺程求要 。
［ 关键］词温高压；铝高板制翅换式热；结器设计；构材选用；设计
料铝 制板
翅式 换 器热 在 可２０ ０℃绝 对到 度 的零 温 度区 域内 作 工，特 别 合适 低温 况 工其， 结构 紧 凑 轻巧， 传 效 热率高 ，具 有二 次 热 面 积 换 ，比 面 表积 达 １ 可００ ０ ～２ ５ ０ ０ ｍ ／ ｍ跑， 冷损失 少 ，经 济 指 标高 可， 多流股（ 最 可多１达 ６股 ）同 时 行 进 换热 ， 具 有 高 效 节 能 优 点 。的 板 式换翅 器 广热 应泛用 于
应
力 比常 时大温大减 小 ，在 ０ ２０℃ 时 到达 材料 的 应 力 极限 这 时，大 部分 铝 材 的 许 用 应 力不 及 常 温 下的５ ０％ （ 翅式 换热 板器各 要铝 主 材不 同在度 温下 的 许 用 应 力 见 表１ 。） 于 高温 下材 由 料的许 应 用力降 低 ， 导 致板 翅式 换热 器的承 压能力 随 之 下 。降虽 然 在 高 高 压 工 温 况下，管 壳 式换 热 器的适 用 势
优气空分、离乙烯 、丙烯烯等 烃天然气处理 、液、 化 天 气 、然 氮液 等洗领 域的 低 温分离 装 中。置
随着 化工 置装 大的型 化 发展和化 工 工 艺 的高 温 、 高 压 化 向趋，高温 、高 压 换 热器 来 越 多越地 被 广 使泛用 。此 类 换 热 一器般 以 管 壳式换 热 器 居 多 铝制板翅，式换器热十罕分 见。是因这为 ， 用来 制 作 换热器 铝的材 在 常温 或 低 下温虽能 保 持良 好 的 材 料 性 能 ， 但 随着温 度 的升 高，材 料的 许用
明 显，但装置大化型 后由，其于位单积体内 换热
面 积 小造， 成 计 设的换热器 体积 庞 ， 占地 大 积 面大 ，制造 难度 大 投，资成 本 随之 增 加 。 于由板 翅
式
换 热 器是 一种 结构 紧 凑 的 效 换 高 热 器， 相同负 下 体荷积 小 、成 本 ，具 有 管 低 式换 热 壳 许 多无 器法 比 的优 拟点，设 计 时 只 进要行合 理 的结构 设 计
和材 选 用 ，料 翅板式 换 热器 样 同 可以用 高 温 高于 压 工 下 况现 以 。国内某 烯乙项 目 的烷
甲冷 器 却为
应力
步降逐低 特，别在 是１０ ０ ℃以上 ，材料 的用许
例
阐述，高高压温板翅换式器热设的 。 计
表 各１主铝要 在材 同不温下 度许的应力用
材 料号牌
一
下列在温度 （ ）℃ 下许用应力 的（ Ｍ Ｐａ）
２６ ９ ～ Ｏ ℃ ２
２３ ３ ７ ４３
５
４ ５６℃
２ ３ ３ ７ ４ ３５ ４
１ ０ ℃
０２ ３３ ７ ４ ３５
４ｌ
５０ ℃
１６ ３ ４ ３ ８
３７
２ ０ ℃
０ １０ １８ １ ９
２ ２
３ ００３ ３ ０ ０４ ５ ０ ５ ２
５ ４ ４
５ ５ ８０３ ６
６０１
６
８
６５
６
８
６ ５６４ ５ ４ ３ ３
换１器热设参数
计 流热体： 介质 为甲 烷，设 计 压４ 力 ． ９５ Ｐ Ｍ ａ进， 工口作 温度 ４ ０ ℃ ， 口工出作温 １度６ ，℃设计 温 度 １５０ ℃ ， 传热 系 数２ ０ ０ ４ Ｗ／ ｍ２ ・Ｋ ； 冷 流 体 ： 介 为 质三元 冷 剂 ， 设 计 压 力 ２ ．６Ｍ Ｐａ， 进 口 工 温 度作 １ ０℃ ，出 口工 作 度 温 ２１ ５． Ｃ＊设 ，计温 度６ ５ ，传℃热系 数 ９１ ０ ０ Ｗ／ ｍ２ ．Ｋ
。换
热 器逆为流 换热 形 ，式由于 工 作 时 甲 烷 进口 度 有温可 能 出温 现 瞬度 上 间 升到一 百多 摄度 氏情的 ，况 故热流体 的设 温计 最 终度取为 １５ ０ ℃ 。由 于 假设 温 度的 提高 极， 情 况下 ，端 换 热 热 端器冷
热流体 温度的分为２别 １ ． ５℃和 １５０ ℃ ，经过简化
传… ……… … … … …… … ……… …… ……… …… … … ……… ……… … … … … …… …
．：
…… ．‘
作
者介 ：简梁 维好 １ ９（７ ６ 一）， 男 广东 封开，人 ， ０２ ０ 年０业毕于
海理 工上大学冷与制低温 业专 ，工程师。在现杭 州氧杭股有份限 公司石化
程公司工从冷箱及事换器研发热作工。
第８
期
梁维好
等
高 高压温铝制板翅 式换 热 器设 的计
ｌ ５一
一热 模
型 ，由以下 公式 求解得 到 热 端 芯 体金属 温 度 约 为 ３９． ２ ２℃ 右左。
Ｑ ｈＦ （ ｔ ｈ— ｔｗ） Ｑ ＝
而衡 量 翅片承 压能 力 的重 要 指 标是 翅 的 爆 片破 试 验 压 。力在同等 翅片 参数 件 下条 平 ，直 翅 型片承 压 能 力 强最，多 孔 型 之 次，再次 是 波纹型 和 锯齿 型翅 片 ，其 力阻 和降传 热效率 相则反 。一般 情况 下 ， 增加翅 厚，缩 小 节 距 可 有，效 增 加翅 承 片受
压力 但，受 翅 片 冲床 加工 能 的 力限制 翅 片 ， 越厚 冲，床 模具 回 量 弹 大越，翅 成片 越型差 ；节 越距 ，小 冲 床模具 越 容 断易裂， 无法 冲 制 翅 片 。 本 换器热 设计选 用 翅 了高 ．６ ３５ ｍｍ，翅厚 ０ ． ５ ｍｍ ， 节１ 距．７ ｍ的高压ｍ 片翅。翅 片理 论爆 破 压 力按以 下 公 确式定 ：
６ ｆ
Ｑ。
Ｆ ｔ （ｗ ｔ — ）。＝ Ｑ
式
中： ａ． 热 流 体传 热 系 数；ｔ 一 ｈ热流体 温 度 ａ；。 冷流 传 热 系 数 体； 。 一 冷流 ｔ温 体 ；度ｔ ． 芯体 金 属温 度； ．Ｆ换 面 热积；Ｑ ．负 荷２材 料选 用 板翅式 换 热器 由汇集 流 的体封 头和 进行 传 热的芯体 组 ，成 体芯由翅 片 、 板 、隔 封条 侧 板和四 个部 分 合 组 成 。而 温高高 压 板 翅式 热 器 的设换 计 需对各 要 承主压元 件的 料材进行 合 理 选 取 。 封头材 料 选 。取 于对高 压 铝 制 翅板 式换 热 器 ，设 计
温 度 超 不 ６过５ ℃ ， 出于时 材 料 济 性 和 降经 加 低工难 度 考 的 虑，封头 材 一料 采 般用许 用 应 力较 高 铝的 镁合金 ５ ０ ８３ ，以 减薄 封 头 厚 的度； 由
可 ∞ ｋ
其中 ：Ｐ 一 理论 爆 破压 力Ｍ， ａＰ； ６ ．ｆ 片 翅 厚度 ｍｍ； Ｓ ｆ － 翅， 片 距 节 ｍｍ ；， ｂ ０ 材料 抗 拉 强 度 ，ＭＰ ａ ；ｋ 翅 片冲一孔 或切 削 开弱 数 系一，般 取 ０ ． ８ ６ ，无 冲 和切孔 开 取时 。１
于 甲烷 冷却 器 热侧 的 计设温 度为 １ ５０ ℃ 原 ，则 封上 头 材 料不 允许 用采５ ０８ ３ ， 只能选 适 用 合 温 的高 铝材 ￣ ５ ０ ５ 、５ ４ ２５４ 、 ６０ ６ 等１ 料材 ，因 封此头 厚 度 会 有所 增 加 对。 烷 冷甲 却 器冷 侧， 考 热侧虑进 口温 度 为 ５１ ０ ℃的最极端 工况， 由 流 于体 换的 热 是在 进 入
芯 体 后 进行的 冷， 侧 进 的温 度口为 ０ １ Ｃ￣，因此 进 封口 材头料 可 采 用 ５０８ ３ 冷； 侧的 出口温 度 ， 由
大 厚度 封 头加的 与 工 安 。在装１ ５０℃ 铝 时 金 材合料 的 许用 力 应明 下显降 导，致 甲 烷冷却 器 封 头 计 厚度算大大 增加 ，考 虑开 孔 补 后强 封 头 名义厚 度 ３达 ５ｍｍ给，封头 的加工 与 焊接带 来了难 度 。铝
金合的延伸 率 很低 在， 温室 下形 量变超过 １ ０ 会 ％出 现 裂 纹 需要 加，热 增 加 塑 性后 能才加 工 成 ， 型 并且 要需退火 处理
以 消残除 余 力 应一。 情般况 下，
流 于体在 芯 体换热 时 ，铝 材 的 度温 两 是 股 流体 相互 换 后热 的温 度，且 过经 热平衡 计 算 ， 口出温 未达到度６５ ℃ 因此， 出口 封头 材 料 亦可选用 ５ ０８ ， ３以
薄封减头 度 厚 。
由于
封 头与 换热 器 芯体的角 焊 为 缝单 面 焊 ， 了 保 证焊 透 ，首 为先采 了４用０ ｍ宽度 ｍ封 的来条配 合 热侧的 厚封 头， 次 可 以先其用 过 渡 短 与节芯 体 面双 ，待 封头焊 加完成工后 再与 节短对接 复焊合 。 通道排 。列 由于 板 式 换翅 热器 外最 侧通 道承 压 能 力 差最 ， 在 通道 列 排 ，时宜 把高 压 的热 排侧 在中 间，低 压 的冷 侧 排在 最外 ，并 在 冷面侧 外布 了四置工 艺层 层以 利承 压 于 。 ４需要 注 意 的 问 题
最 需 后要注 意的一 个问 题 是 验 压 试力。 根 换据热 内压通器 道的液压 验 公试 ：式
。
翅 片 料材选 取。 受 到 翅片 料 抗材拉 强 度 限 的制 ， 当 设 计压 力 小 于６ ． ９ ＭＰ Ｇ时 ａ翅，片 一 选般 用 ３ ０ ０３材 料 大， 于这 个 设 计 力压 时 要 选用 抗 拉强 度更 高 的 ０ ０３４ 材 料 ， 以增加 换热 器 的承压 力 。 能由 于极 情端 下 ， 况烷 甲冷却 器 的芯 金 体 材 属 温 度 料
最大为 ３９ ． ２ ２ ℃左 右根 ， 表 据 ，１ 大部 分材 料 许用 应 力 在此 温 度 并下未 降 低， 因此 可以 采用 ３ ００３ 材
料
。
０Ｐ ｇ 。ｏ ？
￣
建
结３构设 计
为了 适 应 高温高 压 板 翅式 换热 器 的 设 计
要 求， 设 时 除计 了 在要材 料 选 取 上 下 功 夫合， 的理 结 构设 计 是必不可 少 的。 翅 片 选 择 。翅 是 片 翅板式 换热 器 的 要 重 元件 ， 起 着传 热 和 承 作 用压 。 高温 高 压板 翅式 换 热 器 需选 用要高压 翅 片增以加 换 热 器的承 压能 力 ，
式 中 ： Ｐ ． 试验 压 ，力Ｐ ａ Ｍ； 一 设Ｐ计 压力 ， Ｍ Ｐ ａ；［０］ 容．器 元 材件 料 试 验在温 度 下的 许用 应 力 ， Ｐ ａ ；［ ｏＭ ］． 容 器 元件 材料 在 设 计 温度 下的
许用 力应，Ｍ Ｐ ａ 。
由
甲烷于冷 却 器 侧热 采用 不 了同的材 料 芯 体（材料为３ ０ ０ ，封 ３ 头 料材 ５ ４ ５ 为４， 接 管 材料 为
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