钎焊板式换热器与蛇管式换热器的比较分析

陈雨春

摘要：在现代石油化工企业中，对物料的热交换是必不可少的工序，常用的热交换设备是板式换热器和管壳式换热器。本文主要对钎焊板式换热器和蛇管式换热器从五方面进行比较，为换热器选型提供参考。

关键词：钎焊板式换热器；蛇管式换热器；性能比较

一、换热器的工作原理

（一）钎焊板式换热器的工作原理

钎焊板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装经过钎焊加工而成的一种新型高效换热器。各种板片之间形成薄矩形通道，通过板片进行热量交换。它与常规的管壳式换热器相比，在相同的流动阻力和泵功率消耗情况下，其传热系数要高出很多，在适用的范围内有取代管壳式换热器的趋势。

用板材构成传热面的间壁式换热器。这类换热器结构紧凑，单位体积的传热面积较大。其主要类型有：

1.螺旋板式换热器

由两张保持一定间距的平行金属板卷制而成，冷、热流体分别在金属板两侧的螺旋形通道内流动。这种换热器的传热系数高（约比管壳式换热器高1～4倍），平均温度差大（因冷、热流体可作完全的逆流流动），流动阻力小，不易结垢；但维修困难。使用压力不超过2MPa。

2.平板式换热器

由一定形状的波纹薄板和密封垫片交互叠合，并用框架夹紧组装而成。冷、热流体分别在波纹板两侧的流道中流过，经板片进行换热。波纹板通常由厚度为0.5～3mm的不锈钢、铝、钛、钼等薄板冲制而成。平板式换热器的优点是传热系数高（约比管壳式换热器高2～4倍），容易拆洗，并可增减板片数以调整传热面积。操作压力通常不超过2MPa，操作温度不超过250℃。

3.板翅式换热器

由封闭在带有冷、热流体进出口的集流箱中的换热板束构成。板束由平板和波纹翅片交互叠合，钎焊固定而成。冷、热流体流经平板两侧换热，翅片增加了传热面积，又促进了流体的湍动，并对设备有增强作用。板翅式换热器结构非常紧凑(换热面积达4400m2/m3)，传热效果好，且使用压力可达15MPa。但它的制造工艺复杂，流道小，内漏不易修复，因而限用于清洁的无腐蚀性流体，如作空气分离用的换热器。

钎焊板式换热器由带高效传热表面的不锈钢板片组成，不锈钢板片在高温下用纯度为99%铜钎焊，得到紧密不漏和坚固的换热器。换热面积由冲压成波纹状的这种薄金属板构成，流体经过精心布置的角边接口流经板片之间的通道，冷媒和热媒总是在相邻的通道内逆向流动进行换热。由于钎焊板式换热器板片边缘采用焊接，因此介质不会从设备中流出，而各板片的接触点也是焊接点，以便承受介质的压力。

（二）蛇管式换热器的工作原理

蛇管式换热器是由金属或非金属管子，按需要弯曲成所需的形状，如圆形、螺旋形和长的蛇形管。它是最早出现的一种换热设备，具有结构简单和操作方便等优点。按使用状态不同，蛇管式换热器又可分为沉浸式蛇管和喷淋式蛇管两种。

1.沉浸式蛇管换热器

如图所示，蛇管多以金属管子弯绕而成，或由弯头、管件和直管连接组成，也可制成适合不同设备形状要求的蛇管。使用时沉浸在盛有被加热或被冷却介质的容器中，两种流体分别在管内、外进行换热。它的特点：结构简单，造价低廉，操作敏感性较小，管子可承受较大的流体介质压力。但是，由于管外流体的了流速很小，因而传热系数小，传热效率低，需要的传热面积大，设备显得笨重。沉浸式蛇管换热器常用于高压流体的冷却，以及反应器的传热元件。

图1 沉浸式蛇管

2.喷淋式蛇管换热器

如图所示，将蛇管成排的固定在钢架上，被冷却的流体在管内流动，冷却水由管排上方的喷淋装置均匀淋下。与沉浸式相比较，喷淋式蛇管换热器主要优点是管外流体的传热系数大，且便于检修和清洗。其缺点是体积庞大，冷却水用量较大，有时喷淋效果不够理想。

图2 喷淋式蛇管

蛇管式换热器是由肘管连接的直管或由盘成螺旋形的蛇管构成，将其安装在容器内的流体中，容器内的两种流体分别在管内、外流动进行热交换。当蛇管内是液体时，为使整个管中经常充满液体，液体应从蛇管的下端送入，至上端流出；当蛇管内通入蒸汽时，为了避免因管内积存冷夜而产生水击与阻塞，蒸汽应从上部进入，冷凝液则从下端排出。

二、钎焊板式与蛇管式换热器的比较

（一）占地面积及重量

钎焊板式换热器的结构紧凑，单位体积内的换热面积为蛇管式换热器的2～5倍，也不需要预留抽出蛇管的检修场地，可比相同容量的蛇管式换热器节省85-90%的空间和重量，同时降低了安装成本。

（二）热学性能

由于钎焊板式换热器中可形成高度湍流，因而可在很小的温差下工作，甚至在温差低至lK时仍能有效工作。但在管壳式换热器中，两种流体分别在壳程和管程内流动。总体上是错流的流动方式，降低了对数平均温差。而且由于冷热流体在传热板狭窄的间隔内流动，不产生短路，压力损失全部用于有效流动上，因而与蛇管式相比在同样压差下具有较高的传热效率，一般其传热系数要比蛇管式高2～4倍。

（三）结构设计

钎焊板式换热器是密封垫板式换热器的升级。它是由首、尾挡板及人字形波纹状板片组合而成，相邻板片的波纹板角朝向相反，板组件间的波峰彼此交叉形成大量的接触点。通过真空钎焊，将焊接材料溶化与基材形成合金，使板片间的每一个接触点都变成焊接点，这样既增强了换热器的强度，又提高了换热器的换热效率。因为蛇管式换热器中的蛇管不能太长，否则管内流阻大，耗能多；管径也不宜过大，因为管径大加工困难，通常取76毫米以下管径弯制成。蛇管外的流体几乎不动，流速很小。管外流体中的传热以自然对流方式进行，给热系数很低，因此这种换热器只适用于小容量换热。

（四）污垢系数

钎焊板式换热器的污垢系数比蛇管式换热器的污垢系数小得多。其原因是板间流体的剧烈湍动，杂质不易沉积；板间流道死区少；不锈钢换热面光滑，附着物少；清洗容易等，因此维修检查工作量也大大减少。

（五）系统成本

钎焊板式换热器的传热系数更高，可以获得更好的温差，也就意味着更低的介质质量流量。这样，所需的部件（例如泵）可以更小、更便宜，同时降低了能耗。自然而然，整个系统的成本得以降低。

三、结论

综上所述，钎焊板式换热器常用于空间有限、传热效率高、污垢系数低、要求不泄漏等的场合；而蛇管式换热器适用于换热面要求不大，且能承受高温、高压的场合。但因钎焊板式换热器自身特点的进一步发展，为其在许多应用领域取代蛇管式换热器创造了条件。

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