机械装备
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Mechanized Equipment
2017年8月下
拉丝模激光打孔机
压缩机高低温一体式高效换热器
张丽芳
应变测量（大冶斯瑞尔换热器有限公司，湖北 黄石 435100）
机器人电主轴摘 要：2008年某生物制药技术有限公司委托我公司进行了高低温一体式换热器的产品设计和生产制造。文章通过本产品介绍了高低温一体式高效换热器制作背景、工作原理、热工性能、结构设计、高效汽液分离等相关内容。就针对压缩机高低温一体式高效换热器工作原理、热工性能、结构设计等进行分析，并根据存在的问题提出良好的应对措施，为之后的创新设计给予理论参考。关键词：高效换热器；工作 原理；结构设计；分离效率中图分类号：TB652 文献标志码：A 文章编号：1672-3872（2017）16-0055-01
1 背景
无菌检测系统
在生物工程、生物制药系统及空分系统中，工作工艺介质为空气，系统要求对空气进行压缩，压缩后的空气须进行换热冷却、汽水分离、冷凝水（液）和排放过滤物等净化过程，同时要求所用设备具有远程控制信号采集及其接口等外联特性。压缩机空气冷却器采用的是分体式设计，即采用高低温水各个冷却的方式，冷却器的占地面积大，耗水量大，汽-液相的分离效率10μm 在90%～95%[1]。2 技术关键点
2.1 工作原理
换热器要求具有换热、汽水分离、冷凝水和过滤物排放接口、远程控制信号采集及其接口等外联特性。受委托设计制造的高、低温水换热器首次采用了同一台换热器内空气深冷技术，空气经工业常温水冷却后，再进一步有冷冻水（液）进一步的深冷，使空气中可凝分离物液化分离，汽-液相的分离效率5μm 可达到99%。2.2 热工性能保证
高低温一体式换热器是采用高、低温两种不同温度的水进行分步冷却：①对冷却元件的选择；②工艺
性能的准确计算。公司开发的叠片式全过盈胀接DS 系列冷却元件是一种多管多片组合式结构元件，经各种理论分析及实践证明，气体冷却器气侧的热阻约占总热阻的80%以上，因而气体冷却器设计的关键就在于采用高效率的冷却元件，加强空气扰流、降低气侧热阻，从而提高气体冷却器的换热能力[2]。
相似理论是热交换器设计的基础，换热器技术是一种以试验为基础的技术，新元件的小样试验是新元件应用的前提，运用元件的小样试验结果才能进行相似设计。元件的小样试验结果可以推导出努谢尔特准则方程和欧拉准则方程。利用这两个准则方程可以计算换热器的换热系数和压降，从而为高低温一体式换热器的工艺性能计算提供了保障。2.3 难点问题
高低温一体式换热器具有以下问题：①换热器各功能单元的结构与布局；②换热器的可靠性问题十分突出，冷却器芯组在高低温水工作环境中，由于很大的温度差，导致冷却管的热胀冷缩量不一致，冷却管与管板连接部位由于温差引起应力很大，这会引起换热器冷却管与管板的连接部位渗漏失效；③冷却器芯组与壳体之间（气侧流程）的密封；④气侧冷凝水的集中排放的问题；⑤管板在大温差环境中工作的应力与变形，芯组与壳体的密封。2.4 解决措施
针对上述技术问题，从换热器各功能单元结构和布局作为切入点，全面综合地考虑各个方面的问题并采取适当的措
施：①换热器要求具有换热、汽水分离、冷凝水和过滤物排放接口、远程控制信号采集及其接口等外联特性。换热器是压力容器，冷却芯组装在密闭的壳体，芯组与壳体的密封采用垫片密封。高温空气走壳侧，高低温水走管侧，同时高温空气进行冷却后会降为低温空气，所以要求换热器内要进行气腔的分隔与密封；②技术设计模型中换热器的芯组使用浮头结构，采取高低温水分区独立工作，以消除高低温水大温差引起的温差应力；在芯组结构设计上：共用一固定管板，一副侧板使高低温水工作区联成一个整体；浮动管板分为高温区管板和低温区管板各一块，且两浮动管板的对接端面采用耦合结构，两管板的对接面之间采用光面滑动连接，并在两板的一端或两端安装导向装置约束两板；换热器高温水和低温水使用独立的工作回路。换热器在工作时温度是反复交变的，由于金属热胀冷缩现象，使高低温水两个独立工作区翅片管组合件的长度将变得不一致，这种方案可使换热器的温差应力降至最小，通过合理的工作参数安排，使温差应力在许可的范围内；同样能使整个芯组有效地结构合成一个可靠的整体；③因为气体是温空气，在通过高、低温水冷却降温过程中，湿空气的露点不断降低，湿空气中的水蒸汽在不断析出，需要采用丝网汽液分离器进行分离，采用合适的丝网金属丝规格和丝网厚度可以实现汽-液相的分离效率5μm 可达到99%；④冷却后分离的冷凝水通过疏水阀收集集中排放，电子型疏水阀也可带远程控制信号采集功能[3]。
3 结束语空压机系统
kendeji通过以上的设计措施保证高低温一体化换热器的性能和运行可靠性问题，项目的成功产生了很好的社
会效益和经济效益。高低水高效换热器与常温工业用水进行换热的产品相比，只是其所耗能的50%，节能效果显著；与相同能力的换热器相比所用材料可减少至70%，占地面积减小一半，能产生很好的经济效益。高低温水换热器在设计中使用了冷凝水（液）集中排放，可进行集中处理和远程控制，有利于环保同时降低了操作人员的劳动强度。通过该项目的实施，对公司成功进入化工、制药、冶金等行业产生了非常的帮助。参考文献：
[1]项祥勇，赵甫宜，张丽芳，等.高、低温水高效换热器[P].湖
北:CN101608874,2009-12-23.[2]项祥勇，赵甫宜，张丽芳，等.高、低温水高效换热器[P].湖
北:CN201392114,2010-01-27.[3]赵甫宜，熊燕杰，柯平法，等.扇形与桥形破口组合形翅片[P].
湖北:CN201392128,2010-01-27.
（收稿日期：2017-8-13）
——————————————作者简介： 张丽芳（1973-），女，湖北大冶人，中级，研究方向：
换热器设计和性能计算。
