专利名称：一种全焊接波纹薄板换热器的制作方法
技术领域：
本发明属于换热设备技术领域，具体涉及一种新型的全焊接波纹薄板换热器。
背景技术：
换热元件是构成各种换热器、空冷器、蒸发器、预热器等换热设备的主要部件，其形式和种类繁多，主要分为管束和板束两大类。以各种钢管(例如光管、螺纹管、齿片管、波节管、扭曲扁管等)构成的管束换热元件有近百年制造和应用的历史，设计制造和使用经验均较为成熟。管束换热元件为全焊接结构，优点是可承受很高的压力和温度，但管束的换热效率较低且体积庞大。板束中通常使用波纹薄板作为换热元件，板束换热元件因为具有经济、高效、紧凑、小温差换热等这些管束换热元件无法比拟的优异特点而备受青睐，但现有技术中绝大部分的板束类换热设备均为橡胶条密封的可拆式结构，因密封材料的限制及可拆式的结构，板束类换热设备的耐温耐压性能远不如管束类换热设备，从而使得板束类换热设备的应用场合局限性很大。如何使焊接难度很大的薄板，通过非传统的波纹薄板结构设计和焊接途径制造全焊接板束，使其即传承波纹薄板高效紧凑的优异特性，又具有耐高温高压的安全可靠性能，成为国内外近十多年来不断研发探求的课 题。
发明内容
本发明的目的是提供一种全焊接波纹薄板换热器，本换热器克服了热应力和载荷应力集中等波纹薄板极度敏感的高危缺陷，不但实现了高效紧凑的波纹薄板焊接板束结构，而且在高温高压及压力和温度变化较为苛刻的条件下仍然具有良好的安全可靠性能。为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案:一种全焊接波纹薄板换热器，本换热器包括波纹薄板，所述波纹薄板由导流区和传热区构成，所述导流区呈半圆状，所述传热区呈矩形状，导流区对称分布在传热区的两侧，且两个导流区与传热区彼此相连为一个整体；所述两个导流区上分别设置有贯穿板体的进液孔和出液孔；所述波纹薄板的板体呈高低不平的起伏状或波浪状，且波纹薄板的进液孔和出液孔二者的孔侧边缘共同所处的平面与波纹薄板的外侧边缘所围成的平面相异；所述若干片波纹薄板依次焊接贴靠在一起，且所述若干片波纹薄板与焊接在此若干片波纹薄板外侧的封条共同构成焊接板束；焊接板束中波纹薄板的进液孔中心均处于同一板程进液直线上，出液孔中心处于同一板程出液直线上，所述板程进液直线和板程出液直线彼此平行，处于焊接板束最外侧的波纹薄板的进液孔与板程进液管单元或盲板焊接在一起，处于焊接板束最外侧的波纹薄板的出液孔与板程出液管单元或盲板焊接在一起；焊接板束中的相邻波纹薄板的板面彼此贴靠在一起，此贴靠在一起的相邻的波纹薄板之间形成焊接板束中的板程通道和壳程通道；焊接板束中两波纹薄板的彼此贴靠在一起的进液孔互相焊接在一起形成进液孔焊缝，所述处于同一板程进液直线上的进液孔、进液孔焊缝以及紧贴在一起的波纹薄板共同围成与板程进液管单元相连通的进液孔通道；焊接板束中两波纹薄板的彼此贴靠在一起的出液孔互相焊接在一起形成出液孔焊缝，所述处于同一板程出液直线上的进液孔、出液孔焊缝以及紧贴在一起的波纹薄板共同围成与板程出液管单元相连通的出液孔通道；焊接板束中两波纹薄板的彼此贴靠在一起的外侧边缘互相焊接在一起构成外沿焊缝；多个薄壳状的封条并行排布在焊接板束的沿平行于板程进液直线方向的左右两侧；所述封条的沿垂直于其长度方向的横截面呈弯弧状或弯曲状；所述封条在焊接板束的呈板面状的两端面之间依次相连，且封条的沿其宽度方向的两端分别与两相邻的外沿焊缝焊接，所述封条的沿其长度方向的上下两端沿所述外沿焊缝延伸至波纹薄板导流区的外侧；所述焊接板束的上下两侧均罩设焊接有箱槽，所述箱槽的侧部边缘与封条的端部边缘彼此相连，所述箱槽与焊接板束之间设置有空腔，且箱槽的远离焊接板束的一侧设置有与所述空腔相连通的壳程管道；所述焊接板束、处于焊接板束上下两侧的箱槽、板程进液管单元、板程出液管单元通过焊接彼此相连构成换热基体；所述夹紧机构从换热基体的前后两侧即平行于板程进液直线的两侧将换热基体夹合在其中，且夹紧机构使得换热基体中的各个部分均夹紧压靠在一起；所述换热基体的设置在垂直于板程进液直线方向的上下两侧以及左右两侧均为自由端;所述板程进液管单元、进液孔通道、相邻波纹薄板之间形成的板程通道、出液孔通道、板程出液管单元共同构成换热器的板程通道；所述箱槽上的壳程管道、箱槽与焊接板束之间的封闭空腔、封条与波纹薄板之间的间隙、相邻波纹薄板之间形成的壳程通道共同构成换热器的壳程通道。本全焊接波纹薄板换热器还可以通过以下方式得以进一步实现:优选的，所述波纹薄板以两片为一组，且此两片波纹薄板上的进液孔彼此对应贴靠焊接在一起，出液孔也彼此对应贴靠焊接在一起；若干组波纹薄板依次相连并挤靠在一起；此挤靠在一起的若干组波纹薄板的前后两侧分别设置有首侧波纹薄板和尾侧波纹薄板，所述首侧波纹薄板和尾侧波纹薄板均通过外沿焊缝与此若干组波纹薄板相连，且首侧波纹薄板和尾侧波纹薄板的上侧边缘与设置在焊接板束上侧的箱槽焊接在一起，首侧波纹薄板和尾侧波纹薄板的下侧边缘与设置在焊接板束下侧的箱槽焊接在一起；首侧波纹薄板的进液孔和尾侧波纹薄板的进液孔分别与板程进液管单元或盲板焊接在一起，首侧波纹薄板的进液孔和尾侧波纹薄板的出液孔分别与板程出液管单元或盲板焊接在一起；所述首侧波纹薄板、若干组彼此贴靠的波纹薄板、尾侧波纹薄板共同构成焊接板束。优选的，所述波纹薄板的导流区的板面上设置有导流波纹，所述传热区的板面上设置有传热波纹。优选的，所述箱槽包括薄板状的箱板和端板；所述箱板呈弯弧状，箱板的沿弧长方向的两端与所述焊接板束两侧的封条的端部相连并焊接在一起；所述端板设置为两块，两块端板分设在箱板的前后两侧，两端板一方面与箱板的弯弧状边缘焊接在一起，另一方面则与设置在焊接板束前后两侧的外沿焊缝焊接在一起；所述箱板、端板、 封条、焊接板束彼此相连并围成一个空腔；所述箱板的远离焊接板束的一侧设置有与所述空腔相连通的壳程管道；所述端板与板程进液管单元、端板与板程出液管单元、端板与盲板之间均设置有间隙。优选的，所述板程进液管单元包括焊接在一起的进液过渡板和板程进液管，所述进液过渡板罩盖在焊接板束的最外侧的进液孔处，进液过渡板的板面上设置有与所述进液孔孔径尺寸相吻合的开口，所述进液过渡板的开口边缘与进液孔处的进液孔焊缝焊接在一起;所述板程出液管单元包括焊接在一起的出液过渡板和板程出液管，所述出液过渡板罩盖在焊接板束的最外侧的出液孔处，出液过渡板的板面上设置有与所述出液孔孔径尺寸相吻合的开口，所述出液过渡板的开口边缘与出液孔处的出液孔焊缝焊接在一起。作为本发明的进一步的优选方案，所述箱板在两侧端板之间的箱板板体上设置有可弹性压缩的膨胀环，所述膨胀环所处的环面垂直于板程进液直线。优选的，所述夹紧机构包括垫板、夹紧板、加强环和夹紧螺柱；所述垫板呈平板状，垫板设置为两个，两个垫板分别贴靠在焊接板束的前后两侧；所述垫板的板厚与进液过渡板、出液过渡板的板厚均相同，且所述垫板与进液过渡板之间、垫板与出液过渡板以及垫板与盲板之间均设置有间隙；所述平板状的夹紧板也设置为两个，夹紧板的板厚大于垫板的板厚，两个夹紧板分别设置在相应的垫板的外侧，且夹紧板上还设置有供板程进液管和板程出液管穿过的通孔，此所述通孔的内壁与所述板程进液管和板程出液管的外侧管壁之间均设置有间隙；所述夹紧板的板面尺寸大于波纹薄板的板面尺寸，所述夹紧螺柱穿过夹紧板的伸出在波纹薄板外侧的板面并将垫板、处于两垫板之间的焊接板束、板程进液管单元、板程出液管单元紧紧地挤压贴靠在一起；所述环板状的加强环设置在夹紧板的背离焊接板束的外侧，且加强环分别套设在板程进液管和板程出液管的管壁上，所述加强环的朝向焊接板束一侧的端面紧紧地贴靠在夹紧板上，加强环的背离焊接板束一侧的端面的内环边缘处与板程进液管或板程出液管的
管壁焊接在一起。优选的，所述波纹薄板的板片厚度δ I为0.6 1.2mm，波纹薄板的材质为不锈钢
或钛或镍基合金；所述封条的板片厚度δ 2为波纹薄板板片厚度δ I的2 2.5倍；
设弯弧状封条的沿封条长度方向的横截面的外侧圆弧所对应的弦的长度为L，起伏状的波纹薄板的两侧板面的高差值为H，则所述弦长L = 2Η ;所述弯弧状封条的沿封条长度方向的横截面的外侧圆弧与其所对应的弦组成的弓形的弓闻h为1.8 2.2mm ;所述封条的材质与波纹薄板的材质相同。作为本发明的更进一步的优选方案，所述膨胀环沿板程进液直线方向的设置数量多于一个，且两相邻膨胀环中心之间的间距J按下式确定:J = 4/ (TBXaB)mm上式中:TB为通过箱槽的介质的最高温度，单位为。C ；a B为箱槽材质的线胀系数，单位为1/°C。
作为本发明的优选方案，所述垫板的形状与波纹薄板的形状相吻合，且垫板的上下两端分别设置有与进液过渡板和出液过渡板的外侧形状相吻合的上端开口和下端开Π ；所述垫板的背离焊接板束的板面、进液过渡板的背离焊接板束的板面、出液过渡板的背离焊接板束的板面、与所述垫板处于焊接板束同一侧的箱槽端板的外侧板面处于同
一平面上。本发明所涉及的主要理论依据以及和现有技术相比所具有的有益效果如下:I)、所涉及的主要理论依据影响薄板焊接板束的安全可靠性能的主要因素有载荷应力和温差应力。载荷应力是在外载荷的作用下产生，载荷应力的大小与载荷的大小和焊接板束的结构有关。温差应力则由温差引发，温差源于换热元件所处 的换热工况，温差值的大小与换热介质温差、温变速率及约束结构有关。热胀冷缩是所有金属材料固有的物理特性，当存在温度变化Λ t时，即会产生线性应变。两金属制件A和B在焊接约束条件下，二者自身温度tA和tB出现温差，即会因产生线性应变差异￡1而在约束方向上引发温差应力ot，ot的取值如下:Qt = EX et；et = αΧ (tA — tB)上式中:E为换热元件的弹性模量，单位为MPa ；α为线胀系数,单位为1/°C ；tA为金属制件A的温度值，单位为。C ；tB为金属制件B的温度值，单位为。C。温变速率与金属制件的厚度成反比，当两金属制件A和B的厚度差异较大时，二者温差值的大小主要由厚度较小的金属制件的温变速率所决定。厚度较小的金属制件即薄板对温变的响应非常敏感，单位时间内的自身温差远大于厚度较大的金属制件即厚板。从而在焊接约束条件下，使薄板产生瞬间温差应力。以材料316为例，材料的线胀系数α = 19 X 10_7°C，弹性模量E = 206 X IO3MPa,许用应力[σ允]在20 500°C的值分别为137 107MPa (摘自GB-150)；则Λ t = [ σ 允]/ (EX α ) = 27 35 即在刚性约束条件下，当薄板材料的自身温差超过27 35°C时，线应变引发的应力值就会超过其许用应力值。由上述可知，温差应力对于厚度很小的薄板焊接板束而言，是较载荷应力更易引发其失效所不容忽视的最主要影响因素。2)、本发明中的多个波纹薄板和封条共同构成焊接板束，焊接板束中的相邻波纹薄板之间通过孔沿焊缝或外沿焊缝彼此相连，所述外沿焊缝由设置在波纹薄板左右两侧的直边外沿焊缝和设置在波纹薄板上下两侧的半圆周边外沿焊缝构成，封条则焊接在相邻波纹薄板之间的直边外沿焊缝处；焊接板束的上侧和下侧均设置有箱槽，所述箱槽通过薄板状的箱板与封条的端部焊接在一起，箱槽还通过薄板状的端板与焊接板束最外侧的半圆周边外沿焊缝焊接在一起。由于焊接板束中的波纹薄板和封条均为薄板，而与焊接板束焊接在一起的箱槽中的箱板和端板也均为薄板，从而本发明有效地减小了波纹薄板、封条、箱板和端板之间的厚度差异，避免了在两个厚度差异较大的金属制件之间产生焊接约束，由此本发明中的技术方案有效地减小了温差应力乃至避免了温差应力的产生。3)、本发明中焊接板束最外侧的进液孔与盲板或板程进液管单元焊接在一起，焊接板束最外侧的出液孔与盲板或板程出液管单元焊接在一起，所述焊接板束、盲板、板程进液管单元、板程出液管单元以及上下两侧的箱槽共同构成换热基体。所述焊接板束通过孔沿焊缝与盲板焊接在一起，同样的，焊接板束的进液孔通过进液孔处的孔沿焊缝与板程进液管单元中的进液过渡板焊接在一起，焊接板束的出液孔则通过出液孔处的孔沿焊缝与板程出液管单元中的出液过渡板焊接在一起。换热基体中箱槽的端板与板程进液管单元中的进液过渡板、端板与板程出液管单元中的出液过渡板、端板与盲板之间均设置有间隙。换热基体夹设在夹紧机构中，所述夹紧机构包括垫板、夹紧板、加强环和夹紧螺柱。所述垫板与进液过渡板之间、垫板与出液过渡板以及垫板与盲板之间均设置有间隙。此夕卜，所述夹紧板上还设置有供板程进液管单元中的板程进液管和板程出液管单元中的板程出液管穿过的通孔，此所述通孔的内壁与所述板程进液管和板程出液管的外侧管壁之间均设置有间隙。由于上述各种间隙的存在，从而使得所述换热基体的设置在垂直于板程进液直线方向的上下两侧以及左右两侧均为自由端，也即当处于换热过程中时，换热基体中的焊接板束可沿着平行于夹紧机构中的夹紧板板面的方向移动，从而相对于传统技术中夹紧机构对换热基体构成刚性约束的方案来说，本发明中的技术方案实现了柔性约束和去约束理念设计，从而进一步有效地减小了温差应力乃至避免了温差应力的产生。4)、本发明中波纹薄板的结构是在矩形状传热区的两侧设置两个半圆状的导流区，即本发明中的波纹薄板为两端呈半圆形而身段为矩形的板片状几何外形，进液孔和出液孔分别开设在波纹薄板的两端半圆形导流区的板面上。本发明中波纹薄板的这种结构较常规矩形板型的几何要素连续均匀，应力均布更趋理想且应力集中度最小。
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5)、本发明中封条的沿垂直于其长度方向的横截面呈弯弧状或弯曲状，也即本发明中的封条采用弓弧断面，从而使焊接板束因温差产生的横向线胀增量转变为数段微小的弹性形变，减小了热应力对外沿焊缝的影响。本发明中的这种技术方案不但消除了焊接板束的横向线胀增量影响，同时也使焊接结构易于实现。6)、本发明中的箱槽上带有可弹性伸缩的膨胀环，膨胀环的设置使箱槽的轴向热应变处于分段可控的范围内，从而减小了箱槽与封条焊接连接后热应变的影响，也即削弱了箱槽因温度引起的轴向线胀增量对焊接连接部件的影响，提高了换热器的安全性和可靠性。7)、综上所述，本发明不同于传统的矩形板焊接板束，本发明中波纹薄板的均匀而连续的几何要素和柔性的焊接结构，将因热胀冷缩产生的线应变转换为允许的弹性变形或可控范围变形，并采用了去除约束的板束结构设计以消除或减小了约束影响，使换热基体在刚性夹紧机构中呈现出独立的柔性，因而有效地避免了产生高危温差应力的可能，克服了热应力和载荷应力集中等波纹薄板极度敏感的高危缺陷，不但实现了高效紧凑的波纹薄板焊接板束，而且在高温高压及压力和温度变化较为苛刻的条件下，本换热器仍然具有良好的安全可靠性能。
图1是本发明的结构示意图。图2是波纹薄板的结构示意图。图3的图2的A-A剖视图。图4是换热基体的结构示意图。图5是两相邻波纹薄板之间通过孔沿焊缝联接在一起的结构示意图。图6是图5的A-A剖视图。图7是焊接板束与箱槽、板程进液管单元以及板程出液管单元相连接的结构示意图。图8是图7的I部放大示意图。图9是图7的II部放大示意图。图10是·图7的III部放大示意图。图11是封条的结构示意图。图12是图11的F-F剖视图。图13是箱槽的结构示意图。图14是图13的K向视图。图15是焊接板束与夹紧机构的联接结构示意图。图16是过渡板的结构示意图。图17是垫板的结构示意图。图18是本发明的换热流程示意图。图19 22是本发明的制造流程示意图。图中标记的含义如下:10 一波纹薄板 11 一导流区 12—传热区13A—进液孔13B —出液孔 14 一导流波纹 15—传热波纹16—外沿17—孔沿18—外沿焊缝 181—直边外沿焊缝182—半圆周边外沿焊缝 19 一孔沿焊缝20—封条21—外侦幌弧22—封条焊缝30~箱槽31—箱板32一端板321—端板焊缝33—壳程管道34—膨胀环40—板程进液管单元41 一进液过渡板42—板程进液管50一板程出液管单兀 51—出液过渡板52—板程出液管60—盲板70—夹紧机构71—垫板711—上端开口712—下端开口72—夹紧板73—加强环 74—夹紧螺柱8O—焊接板束
具体实施例方式1.下面首先结合附图对本换热器中的各个组成部分进行逐一说明。1.1波纹薄板如图2、3所示，波纹薄板10是整个换热器的核心传热部件，波纹薄板10的板片两端为半圆形的导流区11，中段为长方矩形的传热区12。供图1中换热介质A进出的进液孔13A和出液孔13B分别开设在半圆形导流区11的靠进端头的板面上。如图2所示，两半圆形的导流区11的板面上设计有不同夹角的导流波纹14，矩形段传热区12的板面上设计各种不同用途的强化传热波纹15。如图3所示，波纹薄板10的进液孔13A和出液孔13B的孔侧边缘即波纹薄板10的孔沿与波纹薄板10的外侧边缘即波纹薄板10的外沿位于相异的不同基面。如图5、6、8所示，当两个波纹薄板10翻反对扣时，两波纹薄板10的孔沿相对紧贴对齐而形成孔沿对缝，对孔沿实施焊接将两波纹薄板10由孔焊连接成一对板组，即由孔焊相连的板组之间通过孔沿焊缝19连接在一起。每一对板组的波纹彼此交叉形成密而均部的支撑触点，支撑触点之间又形成换热介质通道。由此可知，本发明中板组的结构方式既能承受载荷压力，又自然形成迷宫式的换热介质通道。本发明中波纹薄板10的圆矩连续的几何要素及均部的波纹结构，使波纹薄板10具有均匀连续的弹性变形特性，低消了温差线应变产生的刚性的约束应力。波纹薄板10的厚度δ I为0.6 1.2mm, δ I优选为0.6 0.8mm,波纹薄板10选用不锈钢、钛、镍基合金等材质的薄板压制而成，单板尺寸范围为600X2000mm 1200X4000mm,可组焊的最大板束面积为3200M2。1.2 封条如图11、12所示，封条20的横断面为弓弧形，封条20的材质与波纹薄板10的材质相同。如图12所示，封条20的板厚δ 2为2 2.5倍波纹薄板10的板厚δ I ;设弯弧状封条20的沿封条长度方向的横截面的外侧圆弧21所对应的弦的长度为L，图3中起伏状的波纹薄板10的两侧板面的高差值为H，则所 述弦长L = 2Η ;所述弯弧状封条20的沿封条长度方向的横截面的外侧圆弧21与其所对应的弦组成的弓形的弓高h为1.8 2.2mm。封条20的上述形状和结构使焊接板束80中产生的线性热应变得以转成数段可微弯的弹性形变，从而大大减小了热应力对外沿焊缝18的影响。封条20可通过碾拉方法制得。1.3 箱槽如图13、14所示，箱槽30包括薄板状的箱板31和端板32，所述箱板31上设有壳程管道33，且箱板31上带有可弹性压缩的膨胀环34，膨胀环34的设置使箱槽30的轴向热应变处在分段可控的范围内，大大减小了箱槽30与封条20焊接连接后热应变的影响。膨胀环34之间的间距J按下式确定:J = 4/ (ΤΒΧ α B) mm上式中:TB为通过箱槽的介质的最高温度，单位为。C ；α B为箱槽材质的线胀系数，单位为1/°C。箱槽30的轴向长度与设计组装的焊接板束80的面积有关，当箱槽30所需轴向长度小于J值，箱槽80可不设置膨胀环34。1.4焊接板束如图7、10所示，焊接板束80主要由波纹薄板10和封条20构成。焊接板束80的主体由N组两片翻反对扣的波纹薄板10经孔沿焊接构成，具体的，由孔焊连接而成的板组依次垒叠，并施焊外沿连接而成，如图19 21所示。
如图10所示，两个波纹薄板10的外沿周边焊接封闭后，与焊孔连通形成的N个空腔既构成焊接板束80中的板程通道，以供A介质进出。任意两组翻反对扣的波纹薄板10之间均封焊有封条20，封条20的上下两端延伸至波纹薄板10的导流区11处，封条与波纹薄板之间以及两个波纹薄板组之间构成焊接板束80中的壳程通道。1.5换热基体如图4所示，换热基体由焊接板束80、上下两侧的箱槽30、板程进液管单元40、板程出液管单兀50、盲板60共同构成。在焊接板束80的上下两端处扣焊箱槽30，并使得箱槽30的箱板31封焊在封条20的端部外侧，箱槽30的端板32通过端板焊缝321焊接在焊接板束80最外侧的半圆周边外沿焊缝182处，从而壳程管道33、箱槽30与焊接板束80之间形成的箱槽空腔、焊接板束80中的壳程通道彼此连通形成所谓的壳程通道，供B介质进出，如图18所示。如图4所示，处于焊接板束80的前端的首侧波纹薄板的进液孔和出液孔分别与进液过渡板41和出液过渡板51相焊接，处于焊接板束80的后端的尾侧波纹薄板的进液孔和出液孔处均封焊有盲板60。板程进液管42、进液孔通道、焊接板束80中的板程通道、出液孔通道、板程出液管52依次连通形成所谓的板程通道，供A介质进出，如图18所示。如图8、10所示，焊接板束80的换热面也即翻反对扣的波纹薄板板面上的波纹成正反交错，从而形成密集的支撑触点和流体通道，支撑触点既保证了焊接板束80的刚性和承压性能，又起到对介质的扰流作用。A和B介质在各自的流道内沿波纹板面成相向逆流的膜状流态，交错的波纹和触点对流体流动状态下的剧烈扰动更强化了流体的紊流效应，从而可得到比管束传热元件柱状流态高数倍的换热系数，大大提高了换热效率。1.6夹紧机构如图1、15所示，所述夹紧机构70主要由垫板71、夹紧板72、加强环73和夹紧螺柱74构成。`垫板71的厚度与进液过渡板41和出液过渡板51的厚度均相一致，垫板71紧贴焊接板束80前后两端的首尾波纹薄板的波纹板面，使夹紧板72的夹紧力通过垫板71施作于首尾波纹薄板的波纹面并进而传递至焊接板束80，最终达到板束承压的目的。所述焊接板束80与垫板71和夹紧板72之间不存在任何焊接连接，当受热膨胀时，焊接板束80可沿垫板71板面所限定的方向相对切向移动。如图15所示，加强环73在安装时焊接在板程进液管42和板程出液管52的外侧管壁上，加强环73在焊接时紧贴夹紧板72，此时加强环73与进液过渡板41之间以及加强环73与出液过渡板51之间均构成卡状结构，这种卡状结构使安装板程进液管42和板程出液管52时产生的弯矩力仅作用于夹紧板72，从而减少乃至避免了安装时对焊接板束80所产生的不利影响。如图15所示，由于焊接板束80与夹紧机构中的部件的受热伸长量不同，因此本发明在垫板71的上端开口 711和进液过渡板41之间以及下端开口 712和出液过渡板51之间均设置有间隙δ 3 ;夹紧板72上的通孔与板程进液管42之间以及夹紧板72上的通孔与板程出液管52之间都留有间隙δ4，间隙δ3与间隙δ 4的设置避免了焊接板束80与夹紧板72之间因受热伸长量不同产生干涉而形成的约束，并防止了因前述约束产生的应力而致使焊接板束80与进液过渡板41以及焊接板束80与出液过渡版51之间的焊缝失效。间隙S3与间隙δ4之间的最小取值公式如下:5L = 0.375 αρΧ (tp — t0) XL0上式中:Cip为焊接板束材料的线胀系数，单位为1/°C。tp为焊接板束的最高使用温度，单位为。C ；tQ为环境温度，单位为。C ;L0为环境温度下的接管中心距，单位为mm。2.下面结合图1、18 22对本换热器的组装过程作详细说明如图19所示，经模具压力机压制和冲剪床冲剪，制备得到单片波纹薄板10。单片波纹薄板10采用圆形和矩形相组合的几何形状设计，板面设计用模具压制不同用途的波纹。焊接部位为波纹薄板10的孔沿和外沿，波纹薄板10的孔沿和外沿设置在相向的不同基面，通过模具冲剪使其待焊孔沿和外沿满足规矩整齐的自动氩弧焊接要求。具体的，制备单片波纹薄板10的主要工艺路线为I下料；一II压制身段；一III压制两端头；一IV切头；一V剪边；一VI冲孔；一Vn修切冲边；一VDI检验；一IX清洗入库待焊。如图20所示，将压制而成的两片波纹薄板翻反对扣在一起，然后在两片波纹薄板彼此对接在一起的孔沿处实施孔焊，施焊后的两片波纹薄板通过二者孔沿处的孔沿焊缝19彼此连接为一组。施焊后应 严格按技术要求进行检查，检查步骤为目检；着色；密封检验，合格后方可进入下一板组组焊工序。如图21所示，将按照图20所示制作得到的多个板组垒叠后依次对波纹薄板的半圆周边外沿和直边外沿进行焊接以组成板束换热部件，施焊后的板束换热部件在波纹薄板的半圆周边处形成半圆周边外沿焊缝182，并在波纹薄板的直边外沿处形成直边外沿焊缝181。如图21所示，在板束换热部件的首侧波纹薄板的进液孔处沿孔沿贴焊进液过渡板41，然后在首侧波纹薄板的出液孔处焊接出液过渡板51，进液过渡板41和出液过渡板51在板程进液管42和板程出液管52与板束换热部件的连接中起过渡和增强作用。然后在板束换热部件的尾侧波纹薄板的进液孔和出液孔处均沿孔沿贴焊盲板60。如图22所示，在板束换热部件的外侧塞焊封条20构成焊接板束80，所述封条20封焊在波纹薄板10的直边外沿处，且封条20延伸至波纹薄板10的导流区11处，所述封条20在板束换热部件的上、下端部位留出供B介质进出的缺口。最后在焊接板束80的两端部依次焊接箱槽30的端板32、箱板31、板程进液管42和板程出液管52，从而制成完整的换热基体。如图1所示，在换热基体的外侧用夹紧机构70安装紧固即可制成本发明中的全焊接波纹薄板换热器。图1中所示的换热基体在垫板71、夹紧板72装卡完成后，在介质A的接管即板程进液管42和板程出液管52上套装加强环73，并使加强环73紧贴在夹紧板72的外侧，将加强环73的内环环焊于介质A的接管后再焊接外侧法兰，以完成换热器的组装。如图18所示，板程进液管42、多个进液孔彼此串通而成的进液孔通道、焊接板束80中的板程通道、多个出液孔彼此串通而成的出液孔通道、板程出液管52共同组成供A介质进出的换热器的板程。壳程管道33、箱槽30与焊接板束80之间的空腔、焊接板束80中的壳程通道共同组成供B介质进出的换热器的壳程。温差应力只有同时具备温差和约束两个要素时才会产生，本发明中的技术方案一方面采用了大量的薄板焊接的结构方式，另一方面将因热胀冷缩产生的线应变转换为允许的弹性变形，并采用了去除约束的板束结构设计以消除或减小了约束影响，因而有效地避免了产生高危温差应力的可能。定性分析结果表明，本发明中的焊接板束在外载压力4.0MPa、工作温度575 °C的条件下拥有充裕的 安全裕度。
权利要求
1.一种全焊接波纹薄板换热器，其特征在于 本换热器包括波纹薄板(10)，所述波纹薄板由导流区(11)和传热区(12)构成，所述导流区(11)呈半圆状，所述传热区(12)呈矩形状，导流区(11)对称分布在传热区(12)的两侦牝且两个导流区(11)与传热区(12)彼此相连为一个整体；所述两个导流区(11)上分别设置有贯穿板体的进液孔(13A)和出液孔(13B);所述波纹薄板(10)的板体呈高低不平的起伏状或波浪状，且波纹薄板(10)的进液孔(13A)和出液孔(13B) 二者的孔侧边缘共同所处的平面与波纹薄板(10)的外侧边缘所围成的平面相异； 所述若干片波纹薄板(10)依次焊接贴靠在一起，且所述若干片波纹薄板(10)与焊接在此若干片波纹薄板(10)外侧的封条共同构成焊接板束(80);焊接板束中波纹薄板(10)的进液孔(13A)中心均处于同一板程进液直线上，出液孔(13B)中心处于同一板程出液直线上，所述板程进液直线和板程出液直线彼此平行，处于焊接板束最外侧的波纹薄板(10)的进液孔(13A)与板程进液管单元(40 )或盲板(60 )焊接在一起，处于焊接板束最外侧的波纹薄板(10 )的出液孔(13B )与板程出液管单元(50 )或盲板(60 )焊接在一起； 焊接板束中的相邻波纹薄板(10)的板面彼此贴靠在一起，此贴靠在一起的相邻的波纹薄板之间形成焊接板束中的板程通道和壳程通道；焊接板束中两波纹薄板(10)的彼此贴靠在一起的进液孔(13A)互相焊接在一起形成进液孔焊缝，所述处于同一板程进液直线上的进液孔(13A)、进液孔焊缝以及紧贴在一起的波纹薄板共同围成与板程进液管单元(40)相连通的进液孔通道；焊接板束中两波纹薄板(10)的彼此贴靠在一起的出液孔(13B)互相焊接在一起形成出液孔焊缝，所述处于同一板程出液直线上的进液孔(13B)、出液孔焊缝以及紧贴在一起的波纹薄板共同围成与板程出液管单元(50)相连通的出液孔通道； 焊接板束中两波纹薄板(10)的彼此贴靠在一起的外侧边缘互相焊接在一起构成外沿焊缝；多个薄壳状的封条(20)并行排布在焊接板束(80)的沿平行于板程进液直线方向的左右两侧；所述封条(20)的沿垂直于其长度方向的横截面呈弯弧状或弯曲状；所述封条(20)在焊接板束的呈板面状的两端面之间依次相连，且封条(20)的沿其宽度方向的两端分别与两相邻的外沿焊缝焊接，所述封条(20)的沿其长度方向的上下两端沿所述外沿焊缝延伸至波纹薄板导流区(11)的外侧； 所述焊接板束的上下两侧均罩设焊接有箱槽(30)，所述箱槽(30)的侧部边缘与封条(20)的端部边缘彼此相连，所述箱槽(30)与焊接板束之间设置有空腔，且箱槽(30)的远离焊接板束的一侧设置有与所述空腔相连通的壳程管道； 所述焊接板束、处于焊接板束上下两侧的箱槽(30)、板程进液管单元(40)、板程出液管单元(50)通过焊接彼此相连构成换热基体；所述夹紧机构从换热基体的前后两侧即平行于板程进液直线的两侧将换热基体夹合在其中，且夹紧机构使得换热基体中的各个部分均夹紧压靠在一起；所述换热基体的设置在垂直于板程进液直线方向的上下两侧以及左右两侧均为自由端； 所述板程进液管单元(40)、进液孔通道、相邻波纹薄板之间形成的板程通道、出液孔通道、板程出液管单元(50)共同构成换热器的板程通道； 所述箱槽(30)上的壳程管道、箱槽(30)与焊接板束之间的封闭空腔、封条(20)与波纹薄板(10)之间的间隙、相邻波纹薄板之间形成的壳程通道共同构成换热器的壳程通道。
2.根据权利要求I所述的全焊接波纹薄板换热器，其特征在于所述波纹薄板(10)以两片为一组，且此两片波纹薄板(10)上的进液孔(13A)彼此对应贴靠焊接在一起，出液孔(13B)也彼此对应贴靠焊接在一起；若干组波纹薄板依次相连并挤靠在一起；此挤靠在一起的若干组波纹薄板的前后两侧分别设置有首侧波纹薄板和尾侧波纹薄板，所述首侧波纹薄板和尾侧波纹薄板均通过外沿焊缝与此若干组波纹薄板相连，且首侧波纹薄板和尾侧波纹薄板的上侧边缘与设置在焊接板束上侧的箱槽(30)焊接在一起，首侧波纹薄板和尾侧波纹薄板的下侧边缘与设置在焊接板束下侧的箱槽(30)焊接在一起；首侧波纹薄板的进液孔和尾侧波纹薄板的进液孔分别与板程进液管单元(40)或盲板(60)焊接在一起，首侧波纹薄板的进液孔和尾侧波纹薄板的出液孔分别与板程出液管单元(50)或盲板(60)焊接在一起；所述首侧波纹薄板、若干组彼此贴靠的波纹薄板、尾侧波纹薄板共同构成焊接板束。
3.根据权利要求I所述的全焊接波纹薄板换热器，其特征在于所述波纹薄板(10)的导流区(11)的板面上设置有导流波纹(14)，所述传热区(12)的板面上设置有传热波纹(15)。
4.根据权利要求2所述的全焊接波纹薄板换热器，其特征在于所述箱槽(30)包括薄板状的箱板(31)和端板(32); 所述箱板(31)呈弯弧状，箱板(31)的沿弧长方向的两端与所述焊接板束两侧的封条的端部相连并焊接在一起； 所述端板(32)设置为两块，两块端板(32)分设在箱板(31)的前后两侧，两端板(32)一方面与箱板(31)的弯弧状边缘焊接在一起，另一方面则与设置在焊接板束前后两侧的外沿焊缝焊接在一起； 所述箱板(31)、端板(32)、封条(20)、焊接板束彼此相连并围成一个空腔；所述箱板(31)的远离焊接板束的一侧设置有与所述空腔相连通的壳程管道(33)； 所述端板(32)与板程进液管单元(40)、端板(32)与板程出液管单元(50)、端板(32)与盲板(60)之间均设置有间隙。
5.根据权利要求2所述的全焊接波纹薄板换热器，其特征在于所述板程进液管单元(40)包括焊接在一起的进液过渡板(41)和板程进液管(42),所述进液过渡板(41)罩盖在焊接板束的最外侧的进液孔(13A)处，进液过渡板(41)的板面上设置有与所述进液孔(13A)孔径尺寸相吻合的开口，所述进液过渡板(41)的开口边缘与进液孔(13A)处的进液孔焊缝焊接在一起； 所述板程出液管单元(50)包括焊接在一起的出液过渡板(51)和板程出液管(52)，所述出液过渡板(51)罩盖在焊接板束的最外侧的出液孔(13B )处，出液过渡板(51)的板面上设置有与所述出液孔(13B)孔径尺寸相吻合的开口，所述出液过渡板(51)的开口边缘与出液孔(13B)处的出液孔焊缝焊接在一起。
6.根据权利要求4所述的全焊接波纹薄板换热器，其特征在于所述箱板(31)在两侧端板(32)之间的箱板板体上设置有可弹性伸缩的膨胀环(34)，所述膨胀环(34)所处的环面垂直于板程进液直线。
7.根据权利要求5所述的全焊接波纹薄板换热器，其特征在于所述夹紧机构(70)包括垫板(71)、夹紧板(72)、加强环(73)和夹紧螺柱(74)； 所述垫板(71)呈平板状，垫板(71)设置为两个，两个垫板(71)分别贴靠在焊接板束的前后两侧；所述垫板(71)的板厚与进液过渡板(41)、出液过渡板(51)的板厚均相同，且所述垫板(71)与进液过渡板(41)之间、垫板(71)与出液过渡板(51)以及垫板(71)与盲板(60)之间均设置有间隙； 所述平板状的夹紧板(72)也设置为两个，夹紧板(72)的板厚大于垫板(71)的板厚，两个夹紧板(72)分别设置在相应的垫板(71)的外侧，且夹紧板(72)上还设置有供板程进液管(42)和板程出液管(52)穿过的通孔，此所述通孔的内壁与所述板程进液管(42)和板程出液管(52)的外侧管壁之间均设置有间隙； 所述夹紧板(74)的板面尺寸大于波纹薄板(10)的板面尺寸，所述夹紧螺柱(74)穿过夹紧板(72)的伸出在波纹薄板(10)外侧的板面并将垫板(71)、处于两垫板(71)之间的焊接板束、板程进液管单元(40)、板程出液管单元(50)紧紧地挤压贴靠在一起； 所述环板状的加强环(73)设置在夹紧板(72)的背离焊接板束的外侧，且加强环(73)分别套设在板程进液管(42)和板程出液管(52)的管壁上，所述加强环(73)的朝向焊接板束一侧的端面紧紧地贴靠在夹紧板(72)上，加强环(73)的背离焊接板束一侧的端面的内环边缘处与板程进液管(42)或板程出液管(52)的管壁焊接在一起。
8.根据权利要求I 7任一项所述的全焊接波纹薄板换热器，其特征在于所述波纹薄板(10)的板片厚度δ I为O. 6 I. 2mm，波纹薄板(10)的材质为不锈钢或钛或镍基合金； 所述封条(20)的板片厚度δ 2为波纹薄板(10)板片厚度δ I的2 2. 5倍； 设弯弧状封条(20)的沿封条长度方向的横截面的外侧圆弧(21)所对应的弦的长度为L，起伏状的波纹薄板(10)的两侧板面的高差值为H，则所述弦长L = 2Η ； 所述弯弧状封条(20)的沿封条长度方向的横截面的外侧圆弧(21)与其所对应的弦组成的弓形的弓高h为I. 8 2. 2mm ； 所述封条(20)的材质与波纹薄板(10)的材质相同。
9.根据权利要求6所述的全焊接波纹薄板换热器，其特征在于所述膨胀环(34)沿板程进液直线方向的设置数量多于一个，且两相邻膨胀环(34)中心之间的间距J按下式确定J = 4/ (TBX a J mm 上式中TB为通过箱槽的介质的最高温度，单位为。C ； α B为箱槽材质的线胀系数，单位为1/°C。
10.根据权利要求7所述的全焊接波纹薄板换热器，其特征在于所述垫板(71)的形状与波纹薄板(10)的形状相吻合，且垫板(71)的上下两端分别设置有与进液过渡板(41)和出液过渡板(51)的外侧形状相吻合的上端开口(711)和下端开口(712)； 所述垫板(71)的背离焊接板束的板面、进液过渡板(41)的背离焊接板束的板面、出液过渡板(51)的背离焊接板束的板面、与所述垫板(71)处于焊接板束同一侧的箱槽端板的外侧板面处于同一平面上。
全文摘要
本发明属于换热设备技术领域，具体涉及一种新型的全焊接波纹薄板换热器。本发明包括由多个波纹薄板和封条共同构成的焊接板束，焊接板束最外侧的进液孔与盲板或板程进液管单元焊接在一起，焊接板束最外侧的出液孔与盲板或板程出液管单元焊接在一起，焊接板束、盲板、板程进液管单元、板程出液管单元以及上下两侧的箱槽共同构成换热基体；换热基体夹设在由垫板、夹紧板、加强环和夹紧螺柱构成的夹紧机构中。本发明中波纹薄板的均匀而连续的几何要素和柔性的焊接结构，克服了热应力和载荷应力集中等波纹薄板极度敏感的高危缺陷，实现了高效紧凑的焊接板束，而且在高温高压及压力和温度变化较为苛刻的条件下，本换热器仍然具有良好的安全可靠性能。
文档编号F28F9/18GK103256838SQ201310169418
公开日2013年8月21日 申请日期2013年5月9日 优先权日2013年5月9日
发明者张治川, 黄磊, 周波, 张卓, 孙楠 申请人:合肥通用机械研究院