CN102032820B - 全焊式高压板式换热器 - Google Patents

Abstract

一种全焊式高压板式换热器，属于高压板式换热器技术领域。它具有低压板间流道（20）和高压板间流道（19），其特征在于：构成上述低压板间流道（20）的换热板片为单边强化扰流柱上板（7）和单边强化扰流柱下板（８），它们采用导流柱相对安装方式形成低压板间流道（20）；构成上述高压板间流道（19）的换热板片为单边强化人字形浅波纹上板（９）和单边强化人字形浅波纹下板（10），它们采用波纹相差180度的相对安装方式形成高压板间流道（19），且单边强化人字形浅波纹上板（９）和单边强化人字形浅波纹下板（10）之间焊接，焊点位于两波纹节点处；本发明具有承压能力高、换热效果好、压降较低等优点。

Description

全焊式高压板式换热器

技术领域

本发明涉及到全焊接式板式换热器，应用于工作压力高达6mpa换热器中，换热器用于产生高压的相变蒸汽。

背景技术

板式换热器由于其结构限制在无相变换热器中应用广泛，而制冷系统中应用较少。制冷系统中发生相变换热，相变换热器中的工作压力可以达到1000psi ~2000psi或者更高，而传统的焊接板式换热器的工作压力低于1000psi。由于工作压力的限制，板式换热器不能用在高压的相变换热系统中，例如需要产生高压蒸汽的有机朗肯循环系统中。

高压板式换热器是当今板式换热器重点的发展方向。板式换热器由于其结构紧凑、换热效率高、对数平均温差大、末端温差小等优点收到广泛的重视，应用于各行业，其中食品工业、药品化学工业等领域应用最为广泛。国外从上世纪30年代开始就已经研制出板式换热器，最先应用于食品工业，国内从上世纪80年代开始研究板式换热器。但由于板换的板片承压能力低，所以板式换热器在高压换热方面具有一定的局限性，随着材料强度的提高，承压方式的改进，高压板式换热器受到越来越多的重视。

国外生产板式换热器的有瑞典的瑞典阿法拉伐（alfa laval）、瑞典的斯瑞普（SWEP）、美国的传特（tranter）、英国的APV等国际著名换热器公司。其中alfa laval 公司研制的超临界二氧化碳热泵的全焊式板式换热器承压能力达到12MPa，设计温度400°C，德国BAVEX公司设计的承压能力达到8MPa，设计温度-200°~1000°C的全焊式板式换热器，德国DEG研制的设计压力8MPa，设计温度-200°~600°C的全焊式板式换热器，瑞典SWEP研制的压力3MPa，设计温度-196°~225°C的钎焊式板式换热器。

国内方面：国内板式换热器起步较晚，到20世纪80年代后，中国才出现了自主开发传热技术的新趋势，大量的强化传热元件被推向市场。国内四平巨元瀚洋、兰石换热设备公司、四平维克斯是我国板式换热器领域内资企业的龙头企业。其中兰石公司研制的高压板式换热器设计压力为6MPA，设计温度为-200°~900°C。国内各个院校对板式换热器的研究主要集中于换热器流道设计、波纹设计等方面。

国内外对换热器的研究主要集中在低压板式换热器方面，对高压板式换热器的研究较少，国内对高压板式换热器的研究刚刚起步。

现有专利发明当中海城市金鑫通风换热设备制造有限公司专利号为CN200620149589.2《耐高压板式换热器》，采用二道密封垫片密封的方式，下定位梁采用方钢管结构，设计的可拆卸式的耐高压的板式换热器。 采用二道密封垫片密封的方式较上一专利承压压力有些提高，但承压压力仍然较低。

实用新型专利当中天津太平洋机电技术及设备有限公司专利号为CN96203408.8《双臂板板式换热器》，换热器由双臂板换热板、板间密封垫和框架构成，双壁换热板两个板片角孔的孔径一大一小，并大孔与小孔的交叠部位处于角孔密封垫圈密封范围内。设计采用可拆卸式设计，适用于低压、安全系数要求较高的工作环境，承压能力很低。

实用新型专利当中北京市安华里四区9号楼1109号王平专利号为CN95207555.5《耐高压螺旋板式换热器》，采用热交换的两种介质螺旋式换热器。设有中间部分为弯弧形半段及其延伸出同向、间隔的两螺旋形半段组成的螺旋通道板，并且在弯弧形板段的内、外表面连接相配合的弯弧复板，可承受较大工作压力，但是换热器换热面积较小，且由于板片为单层所以承压能力不高。

采用可拆卸式板式换热器承受高压，承压能力低，只依靠活动压紧板的压力无法保证较高的承压压力，流体容易通过密封垫片而泄漏。密封垫片容易受到流体腐蚀而失效，设备的使用寿命不长，需要经常更换密封垫片。

发明内容

本发明的目的在于提供一种承压能力、换热效果、压降损失均表现优异的全焊式高压板式换热器。

本发明全焊式高压板式换热器，由上承压板、下承压板以及换热芯体组成；其中换热器芯体由换热板片焊接而成，依次形成相邻的低压板间流道和高压板间流道；上述低压板间流道与低压流体进流歧道和低压流体出流歧道相通；上述高压板间流道与高压流体高压流体进流歧道和出流歧道相通；其特征在于：上述低压板间流道的换热板片为单边强化扰流柱上板和单边强化扰流柱下板，它们采用导流柱相对安装方式形成低压板间流道； 构成上述高压板间流道的换热板片为单边强化人字形浅波纹上板和单边强化人字形浅波纹下板，它们采用波纹相差180度的相对安装方式形成高压板间流道，且单边强化人字形浅波纹上板和单边强化人字形浅波纹下板之间焊接，焊点位于两波纹节点处；上述全部换热板具有轴线重合的第一角孔，且每一低压板间流道的单边强化扰流柱上板和单边强化扰流柱下板上的两个第一角孔相通但与该低压板间流道隔绝，形成高压流体进流歧道；上述全部换热板具有轴线重合的第二角孔，且每一低压板间流道的单边强化扰流柱上板和单边强化扰流柱下板上的两个第二角孔相通但与该低压板间流道隔绝，形成高压流体出流歧道；上述全部换热板具有轴线重合的第三角孔，且每一高压板间流道的单边强化人字形浅波纹上板和单边强化人字形浅波纹下板上的两个第三角孔相通但与该高压板间流道隔绝，形成低压流体进流歧道；上述全部换热板具有轴线重合的第四角孔，且每一高压板间流道的单边强化人字形浅波纹上板和单边强化人字形浅波纹下板上的两个第四角孔相通但与高压板间流道隔绝，形成低压流体出流歧道。

采用的单侧强化的浅波纹板目的是增强板片的刚度，增加板片的换热面积，增加换热流体的湍流度，更主要的是增强板片的承压能力。由于浅波纹板的波纹很密，两片相同的波纹板片接触面的节点数很多，接触面的节点为板片的焊接点，因此高压流道的承压能力大幅度增加；波纹板另一侧为光滑面，目的是减小板片间非换热流道面的间隙，增加板壁的导热系数。采用单侧强化的扰流柱板的目的是增加板片换热面积，增加低压流体的对流换热系数，以及承压余压。同样扰流柱另一侧为光滑面，目的是增加板壁的传热系数，避免出现空隙，降低板片的导热系数。

上述单边强化扰流柱上板和单边强化扰流柱下板的扰流柱为半球形。半球形扰流柱使换热流体在低雷诺数下很容易发生湍流，球形面同时可以较少流体压降损失。

上述高压板间流道的高度小于低压板间流道的高度。一方面随着高压板间流道较高度的增加，板间的波纹增加，进而高压流体的压降损失增大，且波纹板片间的节点相应减少，板片焊接点减少，板片的承压能力相应的降低；另一方面板间换热量需要匹配。因此高压板间流道的高度小于低压流道高度。

上述高压流体进流歧道和高压流体出流歧道具体是通过以下方式形成：每组换热流道中的单边强化扰流柱上板和单边强化扰流柱下板之间焊接有承压密封垫片，上述承压密封垫片具有上下两个环形台阶，承压密封垫片的两个环形台阶分别嵌入单边强化扰流柱上板和单边强化扰流柱下板的第一角孔中，和分别嵌入单边强化扰流柱上板和单边强化扰流柱下板的第二角孔中。高压流道的压力远大于低压流道的压力，采用金属承压密封垫片可以避免高压流体泄漏到低压流体区。

上述低压流体进流歧道和低压流体出流歧道分别采用第三角孔直接焊接方式形成的，和第四角孔直接焊接方式形成的。第三角孔、第四角孔的直接焊接方式具体为以下形式：单边强化人字形浅波纹上板与单边强化人字形浅波纹下板角孔均大于单边强化扰流柱上板和单边强化扰流柱下板的角孔；单边强化人字形浅波纹上板与单边强化人字形浅波纹下板角孔边缘焊接在一起；单边强化人字形浅波纹上板与其相邻的单边强化扰流柱下板角孔边缘焊接在一起；单边强化人字形浅波纹下板与其相邻的单边强化扰流柱上板角孔边缘焊接在一起；上述与单边强化人字形浅波纹上板相邻的单边强化扰流柱下板，与单边强化人字形浅波纹下板其相邻的单边强化扰流柱上板，它们的角孔边缘再焊接在一起。低压流体歧道采用三重密封方式，可以起到良好的密封高压流道的作用，不致使高压流体泄漏。

上述第一角孔和第二角孔分别位于换热板片的一条对角线的两端；上述第三角孔和第四角孔分别位于换热板片的另一条对角线的两端。采用逆流换热可以增大流体的流程，减小流体滞留区的影响。

上述换热板片的边缘具有倾斜角度的焊接结构。组成高压流道的板片边缘均压入薄焊接片，焊接片压好后再将板片放入高温焊接炉中完成焊接过程，这种焊接方式可以有效防止高压流体泄漏。低压流道边缘采用金属垫片密封的方式，组成低压流道的扰流柱板片边缘焊接金属垫片，目的是增大板间距离，同时起到良好的密封作用。

附图说明

图1 全焊式高压板式换热器截面图；

图2 全焊式高压板式换热器截面图（图1）的俯视图；

图3 全焊式高压板式换热器外部整体结构图；

图4 （图1）中断面线（13）所围区域的局部放大图；

图5 人字形浅波纹板片图；

图6 人字形板片组合图；

图7 焊有扰流柱的环状突起板片图；

图8 低压板片角孔焊接图；

图9 高压流道板片边缘焊接图；

附图标记名称：1 . 上承压板， 2下承压板.  3. 换热器芯体， 4. 承压密封垫片，

5. 高压流体进流歧道，6. 低压流体进流歧道，7. 单边强化扰流柱上板，8. 单边强化扰流柱下板，9. 单边强化人字形浅波纹上板 ，10. 单边强化人字形浅波纹下板，11. 高压流体出流歧道，12. 低压流体出流歧道，13.局部剖面线，14.强化扰流柱板，15.半球形扰流柱，16.强化人字形浅波纹板对，17强化人字形浅波纹板，18. 薄焊接片，19高压板间流道，20.低压板间流道。

具体实施方式

参照附图，本发明包括人字形浅波纹板片，焊有半球形扰流柱的板片，两种板片均为单侧强化换热器板，高压流道内的低压流体进出角孔的焊接方式采用三重密封焊接，板间垫片刻有双向台阶。

如图所示，高压流体（制冷剂）通过配备的高压泵，泵入高压流道歧道5，通过高压进流歧道5换热流体被均匀分布到高压流道19，流体在高压流道内流经波纹板17发生相变换热，高压流体大量吸收来自低压流体的热量，流体从液态变为气态，相变换热后产生的高压流体经过高压出流歧道12流出换热器。

低压流体（一般是温度较高的热水）经过低压流体进流歧道6，低压流体经过进流歧道6被均匀分配到低压流道20，流体经过扰流柱的扰流作用，发生强烈的对流换热，低压流体的热量经过板片10导热作用，将热量传给了高压流体，最后低压流体经过低压出流歧道流出换热器，完成换热过程。

整个换热过程中，高压流道中的波纹板片焊接点承受大量蒸汽压力，小部分的压力分散在低压流道扰流柱上。

Claims (6)

1.一种全焊式高压板式换热器，由上承压板（1）、下承压板（2）以及换热芯体（3）组成；其中换热器芯体（3）由换热板片焊接而成，依次形成相邻的低压板间流道（20）和高压板间流道（19）；上述低压板间流道（20）与低压流体进流歧道（6）和低压流体出流歧道（12）相通；上述高压板间流道（19）与高压流体进流歧道（5）和出流歧道（11）相通；其特征在于：

构成上述低压板间流道（20）的换热板片为单边强化扰流柱上板（7）和单边强化扰流柱下板（８），它们采用导流柱相对安装方式形成低压板间流道（20）； 

构成上述高压板间流道（19）的换热板片为单边强化人字形浅波纹上板（９）和单边强化人字形浅波纹下板（10），它们采用波纹相差180度的相对安装方式形成高压板间流道（19），且单边强化人字形浅波纹上板（９）和单边强化人字形浅波纹下板（10）之间焊接，焊点位于两波纹节点处；

上述全部换热板具有轴线重合的第一角孔，且每一低压板间流道（20）的单边强化扰流柱上板（7）和单边强化扰流柱下板（８）上的两个第一角孔相通但与该低压板间流道（20）隔绝，形成高压流体进流歧道（5）；上述全部换热板具有轴线重合的第二角孔，且每一低压板间流道（20）的单边强化扰流柱上板（7）和单边强化扰流柱下板（８）上的两个第二角孔相通但与该低压板间流道（20）隔绝，形成高压流体出流歧道（11）；

上述全部换热板具有轴线重合的第三角孔，且每一高压板间流道（19）的单边强化人字形浅波纹上板（９）和单边强化人字形浅波纹下板（10）上的两个第三角孔相通但与该高压板间流道（19）隔绝，形成低压流体进流歧道（6）；上述全部换热板具有轴线重合的第四角孔，且每一高压板间流道（19）的单边强化人字形浅波纹上板（９）和单边强化人字形浅波纹下板（10）上的两个第四角孔相通但与该高压板间流道（19）隔绝，形成低压流体出流歧道（12）。

2.根据权利要求1所述的全焊式高压板式换热器，其特征在于：上述单边强化扰流柱上板（7）和单边强化扰流柱下板（８）的扰流柱为半球形。

3.根据权利要求1所述的全焊式高压板式换热器，其特征在于：上述高压板间流道（19）的高度小于低压板间流道（20）的高度。

4.根据权利要求1所述的全焊式高压板式换热器，其特征在于：上述高压流体进流歧道（5）和高压流体出流歧道（11）具体是通过以下方式形成：

每一低压板间流道（20）的单边强化扰流柱上板（7）和单边强化扰流柱下板（８）之间焊接有承压密封垫片（4），上述承压密封垫片（4）具有上下两个环形台阶，承压密封垫片的两个环形台阶分别嵌入单边强化扰流柱上板（7）和单边强化扰流柱下板（８）的第一角孔中，和分别嵌入单边强化扰流柱上板（7）和单边强化扰流柱下板（８）的第二角孔中。

5.根据权利要求1所述的全焊式高压板式换热器，其特征在于：上述低压流体进流歧道（6）和低压流体出流歧道（12）分别采用第三角孔直接焊接方式形成的，和第四角孔直接焊接方式形成的。

6.根据权利要求1所述的全焊式高压板式换热器，其特征在于：上述换热板片的边缘具有倾斜角度的焊接结构。

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