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全焊接板式热交换器


全焊接板式热交换器
兰州石油机械研究所 甘肃蓝科石化设备有限责任公司 上海蓝滨石化设备有限责任公司

编制:兰州石油机械研究所

宋秉棠 (0931)2337150 转 801 13609381317 2004年8月

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兰石所

兰州石油机械研究所概述

兰州石油机械研究所是国家炼油化工设备和石 油钻采机械行业技术归口所。 自1960年建所以来,主要从事 炼油化工设备、石油钻采机械、海洋与沙漠 石油设备研究与开发 石油钻采机械和炼油化工设备的性能与评 估:2个国家级实验室,其检测报告在亚太47 国互认; 石油化工先进计算机软件的引进与开发等。
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兰石所

兰州石油机械研究所概述
具有国家主管部门颁发的一、二、三类压力容器常规设 计、应力分析设计资格证书及其制造许可证书。 兰州石油机械研究所是全国锅炉压力容器标准化技术委 员会换热分委员会所在单位,本所制定或组织制定并经 国家批准颁发的油田设备和炼化设备标准400多项:
GB150《钢制压力容器》(参编) GB151《管壳式换热器》(主编) GB15385《空冷式换热器》(主编) JB4710《钢制塔式容器》(主编) GB12337《钢制球形储罐》(主编) GB16409《板式换热器》(主编)……

已为国家开发科技成果900多项。 期刊:《炼油化工设备》和《石油矿场机械》
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兰石所

兰州石油机械研究所概述
炼油化工产品的产业化发展
兰州石油机械研究所石油化工设备厂2000年改制 为由兰州石油机械研究所控股的独立法人企业, 并更名为甘肃蓝科石化设备有限责任公司。 2002年产值1.3亿元 2003年产值1.6亿元

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板壳换热器的背景
全世界管壳式换热器的市场份额在90%以上,以板为主要 传热元件的紧凑式换热器的市场份额很小,这是由于其适 用场合所限,如: 传统的板式换热器主要以橡胶垫片密封,通常承压在 2.0 MPa以下、承温在200℃以下、容易泄露,因此目 前在石油化工装置中很少使用板式换热器,使用场合 亦仅限于水—水、水—机油等场合。 然而二十世纪八十年代起,随着全焊板式换热器技术的开 发及应用,以板为主要传热元件的紧凑式换热器的市场份 额逐年增加,以致目前管壳式换热器的市场份额下降到 85%左右。 板壳式换热器正是在此背景下出现的一种新型换热设备, 它具有传热效率高、压降小、结构紧凑节省占地面积等优 点,特别适合炼油化工装置大型化、现代化的需求,如重 整、加氢和芳烃装置的使用要求,是装置的主要关键设备 之一。 编制:兰州石油机械研究所 宋秉棠 (0931)2337150 转 801 13609381317 2004年8月

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兰石所

板传热元件优良的传热性能
由于传热板片沿流体流动方向的流道断面形状不 断变化,大大加强了流动的扰动,因而能在很低的雷 诺数下形成湍流,从而增加了流体的传热性能。 型式 状态 滞流和过度流 湍流 最佳湍流 列管式 <4000 4000~6000 ≥6000 板式 <100 100~300 ≥300

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兰石所

板传热元件优良的传热性能
K= 1 1 1 Ao + ro + ( + ri ) ho hi Ai

更小膜热阻 ? 与管式相比,板式传热元件 没有管内膜阻放大效应。

管式
K = 1 1 1 + ro + + ri ho hi

板式

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板传热元件优良的传热性能
更小的污垢热阻
? 污垢热阻通常仅为列管式换热器污垢热阻的 1/4-1/5,可以确认的是无论在什么情况下,污垢 系数不超过0.00012m2h℃ /kcal。 ? ? ? ? 高湍流程度 光滑的传热表面 均匀的流动场 不锈钢材质

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板式换热器的性能特点
一般情况下,板式换热器和板壳式换热器总传热系数比 列管式换热器大1-3倍以上。 在相同换热面积时,板式换热器流通面积比列管式换热 器大5倍,压降小。 紧凑度 列管式换热器: 78 m2/m3 板式换热器: 220 m2/m3 最小传热温差 换热元件壁厚仅为0.4-0.8mm 列管式换热器: 3-5 ℃ 板式换热器: 1-3 ℃ 金属耗量低:换热面积和换热元件壁厚的差异 板式换热器具有传热效率高、压降小、结构紧凑节省占 地面积、金属耗量低等优点,特别适合炼油化工装置大 型化的需求。
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兰石所

板壳换热器的开发历程
技术研究与产品开发阶段:二十世纪八十年 代表产品:1993年,55.5m2板壳式换热器成功地应用于兰州炼油总 厂10万吨/年铂重整装置中。 大型化研究:1992年-1999年 代表产品: 2000年11月350m2板壳式换热器在中国石油克拉玛依石 化分公司30万吨/年催化重整装置中投入使用。 市场推广与“十五”国家重大技术装备研制项目:1999年至今 代表产品: 2002年9月,3000m2板壳式换热器在乌鲁木齐石化分 公司40万吨/年连续催化重整装置投入运行。 2003年9月“十五”国家重大技术装备研制项目“3000m2板壳式换热器 研制”通过了评审鉴定。鉴定结论为“总体达到国际先进水平”。
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兰石所

板壳换热器的开发历程
2003年9月,中国石油天然气集团公司科技发展部组织 成立了以中国工程院高金吉院士为主任的鉴定委员 会,对“十五”国家重大技术装备研制项目“3000m2板 壳式换热器研制”进行了评审,并通过了鉴定。 鉴定结论为“总体达到国际先进水平”。

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大型板壳换热器的关键技术
经历了从单台面积55.5m2到350m2,再到3000m2,这样一个 从无到有,从有到大的研制历程,我们积累了大量的经验 和技术,拥有大小17项创新技术。 多项技术具有独创性,达到国际先进,如: 大尺寸板片的整板分次步进式模压成型技术; 可拆式结构; 上下端设置的双膨胀节结构,解决了三种不同的热膨胀 差; 焊接技术; 独特的喷头式进料喷雾分配器,保证了进料液体与循环 氢的充分混合,装配与更换简单方便; 壳体设有无泄露密封结构的法兰,设备可拆、可维修。 ……
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板片成型技术
采用独创的整板分次连 续压制成型的技术 连续压制的“接刀”技术 定位与找正技术

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板片成型技术-板型
SR顺人字型 RZ2软硬人字型 GP鼓泡型 LT型 LT2型 LT3型

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板片成型技术
SR顺人字型 纯逆流,用于重整 进料换热器等介质 较干净的场合

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板片成型技术
RZ2软硬人字 型替代SR型,纯逆 流,用于重整进料 换热器等介质较干 净的场合

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板片成型技术
LT型 交错流,可机械清 洗,用于需要清洗 的场合,如初常顶 油气与原油换热。

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板片成型技术
LT2型 替代LT型,交错流, 可机械清洗,用于需 要清洗的场合,如初 常顶油气与原油换热

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板片成型技术
LT3型 纯逆流,用于气气换 热,如大型空气预热 器。

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板片成型技术
LT3型 传热区

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板片成型技术
LT3型 分布导流区与 传热区

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板束焊接技术
板束是由0.7mm不锈钢薄板 压制成型后的板片叠合而成 首先组焊两块成型好的板片 纵向长焊缝(长度一般为620 m),称为板管。 再将板管叠合组成板束,在 板束的两端焊接板管与板管 间的横焊缝。 最后将板束与分隔连接板焊 接。
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板束焊接技术-自动氩弧焊机
可编程控制器为核心 的自动氩弧焊机

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板束焊接技术-自动氩弧焊机

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板束焊接技术-自动氩弧焊机

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兰石所

板束焊接技术-自动氩弧焊机

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兰石所

板束焊接技术-自动氩弧焊机

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板壳式换热器结构特点
混合进料入口

将由波纹板片做为传热 元件组焊成的板束装入 压力壳体 可拆式结构
上部壳体 板束 下部壳体 进料分配器

上膨胀节

反应物进口 设备法兰 板束 支座

分布器 壳程出口

下膨胀节 循环氢入口 重整进料

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板壳式换热器结构特点
混合进料入口

上下端设置的双膨胀节结构, 解决了三种不同的热膨胀差
板束与壳体热膨胀差 压紧板与传热板片热膨胀差 板片宽度热膨胀

上膨胀节

反应物进口 设备法兰 板束 支座

同时大大提高板壳式换热器允 许的升降温速度:乌石化重整 装置混合进料换热器,经历了 140℃/h温降的恶劣工况考 验。
重整进料

分布器 壳程出口

下膨胀节 循环氢入口

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兰石所

板壳式换热器结构特点
混合进料入口

同国外同类产品不大于20℃/h 升降温速度相比,大幅度放宽 了设备的操作要求,其优良的 结构更充分保证了设备的安全 可靠性。 已于2003年6月以后,取消了 在停工时对升降温速度的限制 要求。 更大的非正常开停车工况适应 能力
编制:兰州石油机械研究所 宋秉棠 (0931)2337150 转 801 13609381317 2004年8月

上膨胀节

反应物进口 设备法兰 板束 支座

分布器 壳程出口

下膨胀节 循环氢入口 重整进料

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兰石所

设备结构与可靠性-板式制造
通过对已投入使用设备 的标定和跟踪,在结构 及制造工艺上不断进行 针对性改进,并配以严 格的检验手段来保证板 束的制造质量,如 对齿形板式的原有 分程结构改为镶块结 构,不仅充分解决了 热膨胀问题,而且大 大增强了板束端部的 强度,保证了设备的 可靠性。
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兰石所

设备结构与可靠性-板束承压能力
板束是按照压差进行设计的,板束承受正压差能 力(壳程压力高于板程压力)不受结构限制,而反压 差(板程压力高于壳程压力)则受到严格控制。 采用的特殊设计的板束支撑结构,大大加强了板 束的反压差承受能力,重整用板壳式换热器最大承受 反压差可达1.0MPa(500℃) 国外同类产品仅为0.1MPa, 极大限度地放宽了操 作条件,增强了设备的安全可靠性。

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与进口产品的比较特性
拆卸维修
进口 国产 进口 国产 进口 国产 不可拆 可拆 水爆成型 模压成型 升降温速度不大于20℃/h 可不控制

板片成型

允许的升降温速度

板束承压能力
进口正压差不限制,反压差≤0.1MPa 国产 正压差不限制,反压差≤1.0MPa (500℃)
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兰石所

与进口产品的比较特性
设备可靠性:我们的产品更可靠,更适合 国情,具有更好的操作弹性。 设备造价 国产仅为进口的1/2左右

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应用业绩
经统计,自2000年克炼30万吨/年催化重整装 置350m2二段混氢换热器到2003年底,已取得 47000m2板壳式换热器的推广业绩,如:兰 州、天津、金山、湛江、华北任丘…… 在板壳换热器的基础上我们已相继开发出了板 式空冷器、板式空气预热器、压缩机级间冷却 器、氨冷器,甚至用于原油与渣油的换热器, 用于常减压、酮苯、气体分馏、甲醇、空分等 炼油、化工、化肥装置。

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应用实例:乌石化40万吨/年重整进料换热器

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应用实例:克拉玛依石化公司板壳式换热器

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应用实例:大港板壳式换热器

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应用实例:华北任丘板壳式换热器

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应用实例:金山石化板壳式换热器

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兰石所

板壳式换热器项目简介
1998年,获使用新型专利证书

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兰石所

板壳式换热器项目简介
2001年,国家重点新产品。

编制:兰州石油机械研究所

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兰石所

钛板壳式换热器
解决腐蚀 造价为钛管式换热器30-50%,同 316L的管式换热器相当 较管式换热器更方便清洗 较小的占地面积

编制:兰州石油机械研究所

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兰州石化500万吨/年常减压装置钛板壳式换热器

编制:兰州石油机械研究所

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兰石所

板式空冷器
由板束、风机、构架水箱及 喷淋装置组成。传热单元为全焊 式板束。风机采用垂直安装的引 风式风机。 热介质自上向下流动,空气 经喷淋水增湿降温后横穿板束, 与热介质换热。 构架水箱及喷淋装置既可自 成体系(增加管道泵)又可并入 生产装置的循环水系统中。 整体采用分体式撬装组合结 构,运输、检修均较方便。
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兰炼2#蒸馏减顶板式空冷器

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兰石所

板式空冷器的优越性
板式空冷具有优异的防冻、抗冬性能。 操作费用低,风机、阻力降; 施工费用:重量轻,占地面积小; 使用寿命:由于板片采用304L,具有优良的抗腐 蚀能力; 良好的维护性能:由于台数减少,设备的维护性能 大大提高; 由于传热元件采用特殊的板型,不仅清洗吹灰方 便,而且传热面积均为一次传热面积,同翅片管 相比其传热性能具有长效性。 投资优势:设备费用、平台;
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兰石所

板式空冷器 —— 与湿空冷经济对比
以兰州炼油厂500万吨/常减压装置减顶冷凝器为例
项目 设备重量 设备造价 风机功率 操作费用 占地面积 单位 kg 万元 KW 板式空冷器 10台-3x3 200000 750 268
湿式空冷器 24台/48片-4.5×3

节省 数量 261760 24.39 260 28800 93.46 421.2 % 57 3.5 49 67 46 73

461760 774.39 528 43200 202.55 576

冷却水耗量 Kg / hr 14400 万元/年 109.09 m2 154.8

设备开工率按8000小时/年,电费0.4元/度,软化水费2.7元/吨; 风机按每年8000小时计算,水耗量分别按6000小时(板式空冷器)及 2880小时(湿式空冷器)计算。
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兰石所

化塑厂苯乙烯装置混合气空冷方案比较
6台板式空冷与6台干湿联合空冷比较(全新)
方案 干湿联合空冷 板式空冷器 规格 4片6x3 3x3 台 数 6 6 占地 48x9 9x9 投资 万元 480 468 耗电kw 24x2x6 阻力降 13kPa 冷后 温度 58 54 后水冷负荷 kcal/h 3378174 1398018

22x6 20mmH2O

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兰石所

板式空冷器-使用更高材质
兰炼500万吨/常减压装置减顶板式空冷器为例 板式 304L 316L,55t,7.92t/m3 Ti,31t,4.51t/m3 管式 碳钢,650t,7.85t/m3 双相钢2205,645t,7.8t/m3 价格 碳钢 管材 0.73万元/t 08钢 管材 1.9万元/t 304 管材 3.5万元/t 316L 管材 4.8万元/t 双相钢2205 管材 12万元/t 304L 板材 3.1万元/t Ti 板材 24万元/t
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兰炼500万吨/常减压装置减顶板式空冷器

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独山子环丁砜装置抽提塔顶板式空冷器

编制:兰州石油机械研究所

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济南350万吨/年 蒸馏装置减顶板 式空冷器

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燕山70万吨/年糠醛抽提塔顶板式空冷器

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板式干空冷器与电站空冷器

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板式干空冷器与电站空冷器

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兰石所

板式蒸发空冷器
板式蒸发空冷器是继表面蒸发空冷又一种将水 冷与空冷、传热与传质过程融为一体且兼有两者 之长的新型空冷器,它对空冷器的发展将是革命 性的;它是一种传热效率高、投资省、操作费用 低、结构紧凑、节能、节水的高效冷凝冷却设备

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板式蒸发空冷器

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兰石所

板式蒸发空冷器特点
更高的效率:蒸发 强度达到1600020000kcal/m2,是 同等条件下表面蒸 发空冷的2-2.5倍 这是由于合理的布 膜方式和有利的蒸 发表面造成的; 平板与顺风布膜
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表 面 蒸 发 空 冷 示 意 图

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板式蒸发空冷器特点
同表面蒸发空冷相比: 更好操作环境:水箱4周全封闭,喷淋水污染少, 不漏水; 更低的操作费用; 使用寿命:由于板片采用304L,具有优良的抗腐蚀 能力; 重量轻,同等负荷下相当于表面蒸发空冷器的30% 占地面积更小;

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板式空冷器的共同优点
传热效率高; 更低的操作费用:空气温升大; 使用寿命长:由于板片采用304L,具有优良的抗腐蚀能力; 重量轻; 占地面积小; 良好的维护性能:由于台数减少,设备的维护性能大大提高; 传热性能具有长效性; 长周期操作:不易积灰,易清洗; 具有优良的防冻、抗冻性能; 投资优势:设备费用、平台、管线阀门

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板式空气预热器
板式空气预热器采 用波纹板片作为传热元 件,替代传统管子和热 管传热元件。 在板式空气预热器 内,烟气—空气通过板 片换热,冷热流体完全 隔离。

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板式空气预热器——板片
板式空气预热器传热元 件一般采用0.6~0.8mm不锈钢 薄板,机械压制、模压成 型。 根据空气加热及烟气冷 却前后温度、体积变化的特 点,板式空气预热器采用不 等流道的纯逆流板型设计, 具有优良的流体力学性能— —压降低且传热效率高。
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30万吨/年合成氨装置空气预热装置
——回收热量为1822×104kcal/h
项目 换热面积 设备本体重量 传热元件材质 设备造价 设备寿命 基础框架及风烟道费用 安装费用 一次总投资 年检修费分摊 10年寿命期总费用
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m2 t* 万元 a 万元 万元 万元 万元 万元

板式 11 000 95 304 574 >15 30 20 824 2 624

热管式 16 000 280 20# 500 3~5 40 30 870 60** 1200

节省值 5000 185 / -74 10 10 -54 58 576
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*不含风、烟道 **以5年后热管累计50%单根更换、50%现场单根重新抽真空计算。
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板式空气预热器特点
可实现大型化
换热面积可达到10000m2以上

低压降
在相同换热面积时,板式流通面积普通空气预热 器大5倍。直通道、较大的流通面积、较短的流程使得 介质在板式空气预热器内流动时具有较小的阻力降。 同热管式空气预热器相比板式空气预热器阻力降 低20-60%。

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板式空气预热器特点

紧凑度
板式结构具有很高的紧凑度,管式传热元件的紧 凑度约为78 m2/m3 ,而板式传热元件为220 m2/m3, 提高近3倍。

抗腐蚀性能
由于板式空气预热器传热元件采用不锈钢或更高 等级的材质,所以具有良好的抗腐蚀性能。

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板式空气预热器特点
维修性能及可靠性
热管式空气预热器长期操作后,翅片内易出现积 灰、热管出现爆管、真空度下降等影响正常操作的问 题,而这些问题的排除工作量较大。 板式空气预热器一般不会出现泄漏,操作周期长 ,即便出现泄漏,漏点也容易找到并迅速排除。其寿 命与可靠性大为提高。 板式空气预热器预期寿命大于15年。

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板式空气预热器特点
抗积灰与在线清洗
由于介质湍流程度高、传 热表面光滑,板式空气预热器 不易积灰,即便积灰清洗也很 方便,可以做到在线清洗。

模块结构
大型板式空气预热器采用 模块结构、分模块制造,便于 运输、现场组装及甚至在需要 时更换模块 。
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板式空气预热器技术指标

单台换热面积≥10 000 m2; 最大单板面积≥3 m2; 烟气使用温度60℃~750℃; 板束可在线清洗; 总压降≤100mmH2O。

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板式空气预热器——与其它预热器比较
大型板式空气预热器综合经济性能明显好于其他类型的 空气预热装置,解决了传统的空气预热器在扩容改造的装置 中已不能满足场地空间限制的要求以及不能满足耐高温 (750℃)、低压降(单程阻力小于100mmH20),并能耐各种废 气的腐蚀等要求等问题。与热管式比较如下:
项目 类别 板式 热管式 占地 积灰 吹扫 小 大 不易 易 易 不易 耐腐蚀 性能 好 差 传热元件 更换 可以 可以 检 修 工作量小方便 工作量大不方便
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板式空气预热器——与其它预热器比较
板式空气预热器同热管式空气预热器相比
设备一次性投资基本相当; 节省占地面积48%以上; 节约钢材66%以上; 设备寿命期节约设备总费用超过50%; 耐温由300℃提高到750℃。

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全焊接板式热交换器应用前景
我们不仅将各类全焊接板式传热元件应用 到换热器、空冷器、空气预热器、压缩机级间 冷却器、氨冷器等,近来甚至用于原油与渣油 的换热器、电厂空冷、板式蒸发空冷、MDEA溶 液换热、板式蜡发汗、省煤器、催化焚烧等。

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