板翅式换热器的研究与应用进展

发布时间:2008-07-02

　　早在1930年英国马尔斯顿*艾克歇尔瑟公司就用铜合金浸渍钎焊方法制成航空发动机散热用板翅式换热器。经过70年的发展，目前板翅式换热器作为一种高效、紧凑、轻巧的的换热设备，已在石油化工、航空航天、电子、原子能、武器工业、冶金、动力工程和机械等领域得到广泛应用，并在利用热能、回收余热、节约原料、降低成本以及一些特殊用途上取得了显著的经济效益。近年来，板翅式换热器的设计理论、试验研究、制造工艺、开拓应用的研究方兴未艾，特别是一些新技术的渗透，使其应用范围更加广泛，进入了一个新的发展时期。

　　板翅式换热器设计理论

　　1.表面特性及选择
　　板翅式换热器中的传热过程主要是通过翅片来完成的。美国斯坦福大学的Kays和London等人对紧凑表面进行了较系统的实验研究，总结出40多种翅片形状的板翅式换热器传热和阻力关联式。Shah对平直翅片的研究表明，宽高比较大的矩形通道流道品质（j/f）优于三角形（正弦形）通道。Joshi和Webb对锯齿翅片的表面特性进行了研究，提出了一系列关联式。锯齿翅片传热特性随切开长度而变化^［1］，切开长度越短，传热性能越好，但压降也增加。Goldstein 和Sparrow应用传质模拟方法对波纹翅片进行了试验研究，发现对低Re层流(25%, Re=1000)，波纹翅片引起传热强化很少，而对低Re湍流具有明显的强化效果（200%，Re=600～800）。多孔翅片亦属于高效翅片，Shah通过多种多孔翅片表面传热、压降和流动特性试验，提出了一些可供设计参考的结论。
　　总之，可供使用的多种翅形j因子和f因子数据已有不少，但可供设计计算使用的拟合关联式却很有限。因此，应用计算流体力学（Computational fluid dynamics，简称CFD）、流动可视化技术和模拟测试来研究翅片流动和传热的本质，并建立j因子和f因子数据库将是今后十分重要的工作。
　　表面选择一般可从定性分析和定量分析来考虑，定量分析方法基本上可分为筛法和性能比较法，性能比较法适用于管翅式换热器，而筛法则用于板翅式换热器。筛法每次只考虑流体一侧，在给定压降时，根据最小迎风面和最小换热面积（或体积）来选择最佳表面。
　　2.传热和流动分析
　　板翅式换热器传热分析一般采用传热单元数法（ε-Ntu），该法为便于手工计算，作了一些理想化的假设，这些假设条件有时会对换热器的设计产生显著影响，因此必须考虑进行修正。如传热计算中确定流体物性的单一温度值，在冷端温降不是很大的情况下，可用平均温度计算物性^［2］。但若流体物性变化很大，则应将换热器按能量平衡分成几部分，假定各部分内的物性为一常数。温度对j和f的影响有时也需考虑，如 j和f试验数据通常在常温下获得，用于高温下时就要修正，文献［2］应用物性比法计入了流体物性随温度变化对j或Ntu和f的影响。
　　物流不均匀会引起板翅式换热器性能显著下降，特别是Ntu大的板翅式换热器尤甚。简单的总管分配不均匀性分析可通过解析方法完成，如两股流板翅式换热器^［3］。复杂的只有通过数值计算方法来分析传热过程，如Chiou研究了两种情况下流量分配不均匀性对单程错流换热器热工性能的影响。对通道间物流分配不均匀的研究，London采用单通道模型对低Re层流状态下的情况进行了理论分析。后来又将该理论分析推广于N通道模型分析^［4］。Weimer等就不均匀流体分配对多股流多通道换热器性能影响进行了研究。对于两相流问题，不均匀分配问题显得尤为突出^［5～7］，物流的不均匀分配使得板翅式换热器严重偏离设计工况。综观国内外学者的研究，较多是定性的，离设计应用仍有很大距离，因此物流不均匀性问题仍是中外学者研究的一个重要方向。
　　多股流板翅式换热器目前研究的重点在通道分配及通道排列问题上，对于这方面的研究还不充分，从来没有形成一个较为一致的原则来指导设计通道分配及通道排列。因此，对多股流换热的物理模型和计算方法等还有待于进一步研究。
　　板翅式换热器表面可以在沸腾与冷凝的工况下提供很大的换热系数，但相对于单相流的传热和流动，两相流传热机理研究还很不够，目前公开发表的关于板翅式表面在相变和两相流方面的文献还较多局限于空分设备领域中^［8，9］。由于板翅式换热器中沸腾和冷凝的性能数据非常有限，因此还无法提供用于设计的通用综合关系式，也不能提供对圆管公式的修正方法。
　　从上面评述的几个问题不难看出，板翅式换热器内流体流动与传热规律是十分复杂的，仅掌握经验关联式并不能最终达到开发新的传热表面和精确设计的目的。解决上述问题，完全通过实验研究虽然可行，但费用高，周期长。因此，近年来国内外重点加强了设计制造方法学的研究，提出通过“数值试验”——计算流体力学（CFD）模拟计算，来评价、选择和优化设计方案，从而大幅度地减少实验室和实体试验研究工作量。
　　应用计算流体力学进行换热器模拟最早由Patankar在1972年提出。80年代核电厂换热设备向大型化、高参数化的发展，促进了这方面的研究，多种通用的大型计算软件，如CFD2000、PHOENICS等已经商品化，使复杂的流场分析得以实现。国外利用PHOENICS和FLOW3D等大型通用流场软件在模拟蒸汽发生器、冷却塔及电站冷凝器方面进行了一些分析工作；国内郑州工业大学^［10］用PHOENICS对管壳式换热器流场进行模拟研究，也取得了阶段性成果。应用CFD研究板翅式换热器虽然还少有人问津，但笔者认为，应用CFD分析揭示板翅式换热器传热机理和进行优化设计将是今后研究的重点内容，考虑到我国板翅式换热器开发和试验经费还相对缺乏的具体情况，CFD的应用研究更具有特别重要意义。
　　3.计算机辅助工程（CAE）
　　由于板翅式换热器的设计公式较为复杂，通道设计十分困难，手算过程十分费时且易出现人为的误差，另外还必须忽略许多二阶量的影响以便简化计算，因此板翅式换热器经常弃置不用，工程技术人员通常选用低效但相对简单的管壳式换热器来取代^［11］。近年来随着计算机辅助工程技术（Computer Aided Engineering）的发展，应用计算机模拟技术对换热器稳态和瞬态进行性能模拟已成为可能，这将解决多年来一直困扰设计人员的手工热力计算的难题。
　　Shah首先对紧凑式换热器的计算机辅助热工计算进行了讨论。英国传热服务公司（HTFS）、美国ALTEC公司和SW公司等都曾推出专用商业软件。国内，笔者于1995年正式推出了板翅式换热器的计算机辅助设计（PFECAD）软件包^［12］，部分厂家的使用结果表明，可提高设计效率8～10倍，大大减少了过去设计、绘图文件生成中的人为错误，使产品的设计周期大为缩短。与国外软件相比，除了热工计算外，国内还具有物性计算模块和用C语言开发的基于AutoCAD系统计算机绘图模块。
　　一个高水平的计算机辅助设计程序还应兼备优化程序，Shah等详细讨论了各种优化技术，并阐述了实现换热器设计优化的方法。到目前为止，即使有了计算机程序，换热器设计仍然是一门艺术，当不能满足所有约束条件时，或当发现优化解对有关变量的敏感性时，设计者必须依靠经验作出决策，因此今后还必须加强人工智能化的优化技术研究。
　　4.结构设计
　　交变载荷下工作的板翅式换热器，会因疲劳而使隔板产生裂纹，发生泄漏，因此疲劳破坏在结构设计中必须考虑。目前板翅式换热器动态特性的研究仍是空白，文献［13］获得的一些定性结论是：控制翅片与翅片、封条间叠装间隙，在相邻流道间采用翅片断面错列接缝等措施来防止隔板因疲劳产生裂纹，同时将承受交变载荷的流道不布置在最外侧或在最外侧布置1～2层以改善其受力状况。另外，还采取将封头和板束焊接加衬圈、开焊接坡口和焊加强板等措施来减小压力，提高产品制造质量和使用寿命。

板翅式换热器制造工艺进展

　　1.真空钎焊工艺
　　真空钎焊工艺已被世界各国的板翅式换热器生产厂家所接受，并已取代了原来的盐浴浸渍老工艺。目前世界上真空钎焊设备的主要供应商是英国康萨克（CONSARC）公司、日本真空技术株式会社、美国伊普森（IPSEN）公司以及国内的兰州真空设备厂，他们的产品性能比较可参见文献［13，14］。我国板翅式换热器真空钎焊工艺应用时间虽短，但发展迅速^{［13，15］}，目前应用大型真空钎焊炉生产的最大工件尺寸已达1200mm×1200mm×6000mm，最高设计压力可达8.0MPa，流体股数最多达12股。
　　2.高热流密度的换热表面技术
　　目前对于高热流密度的换热表面的开发研究也很活跃，美国空气研究公司报道，已开发出一种错位片条翅片，其翅片密度为1451片/m，传热面积率β高达5650m²/m³。美国3M公司已有紧密度为4000～8600片/m的翅片，水力直径D_h仅为0.1mm，并曾在试验中获得2MW/m²的热流密度。德国卡而斯鲁厄核研究中心与梅塞德斯密特-布尔柯-布洛姆（MBB）公司也宣称开发出β=15000 m²/m³的微型换热器。
　　3.钛和不锈钢板翅式换热器钎焊工艺
　　据国外文献报道，现在不锈钢板翅式换热器产品的耐温和耐压极限已达到850℃及14.0MPa。不锈钢板翅式换热器最常用的钎料^［16］是镍基钎料，其次是铜基、银基和锰基钎料，其中只有采用镍基钎料才能使产品既耐高温又耐腐蚀。采用真空钎焊的不锈钢主要是奥氏体^［17］、铁素体和马氏体^［18］不锈钢。目前镍基钎料钎焊不锈钢的工艺还不成熟，特别是大型不锈钢板翅式换热器，还有许多问题需要解决，如不锈钢热膨胀系数大，导热系数低，容易因热应力产生裂纹，易产生脆性极大的σ相和发生晶间贫铬等。另外，不锈钢板翅式换热器对钎焊前的处理要求非常高，对表面异物敏感性高。钛板翅式换热器的制造工艺研究国内刚刚起步，苏云海曾应用银基钎料对钛合金板翅式换热器的钎焊工艺进行了探索^［19］。

板翅式换热器的技术发展趋势

　　当前，国际上对板翅式换热器的研究正在不断深入，主要集中在以下几个方面。
　　1.耐高压、高温和耐腐蚀的新型板翅式换热器开发
　　虽然板翅式换热器的优点已得到公认，但人们始终没有放弃对适应性更广，特别是能耐更高压力、耐高温和耐腐蚀、不易结垢的新型板翅式换热器的追求。日本仲摩信人的试验^［20］表明，用铝碳钎维复合材料制成板翅式换热器可以承受35MPa的压力。南京化工大学开发的石墨改性碳纤维增强聚四氟乙烯板翅式换热器，具有极强的抗腐蚀和抗结垢能力，可以用于石油化工领域的许多恶劣工况条件下。由特殊陶瓷材料制成的板翅式换热器，可耐1000℃以上高温。由于航天、电子及超导等工业的要求，各种微型板翅式换热器的研制与改进正方兴未艾^［21］。
　　2.真空钎焊工艺的推广和改进以及新制造工艺的研究
　　铝板翅式换热器的真空钎焊工艺已经成熟，但钛和不锈钢板翅式换热器真空钎焊工艺还有待进一步完善和改进。采用钎焊技术制造板翅式换热器，很难大幅度提高其耐压能力。扩散熔合焊为大幅度提高板翅式换热器的耐压能力提供新的途径。英国洛尔斯-罗伊思公司采用超塑性成型和扩散熔合的技术生产出一种可在35MPa下运行的钛板翅式换热器。英国马尔斯顿公司研究应用扩散焊法（激光焊和电子束焊）生产不锈钢板翅式换热器。
　　3.基于CFD技术的传热、流动及防结垢研究
　　关于传热、流动及防结垢的研究主要有以下几个方面。
　　(1)传热、压降系数及有关关联式　目前这些系数和关联式还不齐备，有许多工业上用的传热表面的数据不全或缺少可用的关联式，对于传热单元数NTU较大的情况，试验技术有较大的误差，有待于改进，翅片与隔板联接的热阻及其对整个传热过程的影响也需要更进一步研究。
　　(2)传热机理和各种传热表面的数值解　由于仅仅掌握经验关系式并不能最终解决开发新的传热表面、强化传热和精确设计等问题，研究工作者越来越多地把精力投入到应用CFD技术求传热与流动的数值解方面，以期建立模拟传热和流动的数值模型，并通过计算来预测新型表面的传热及阻力系数及其关系。
　　(3)伴有相变及两相流的传热及流动^［22］　相对于单相流的传热与流动，这一方面的研究显得很薄弱，今后仍是重点研究的一个领域。
　　(4)防结垢问题　气侧结垢一般并不十分严重，但是传热面紧凑程度越高，其水力直径D_h越小，垢层对流道截面减小的影响就越大，因而这一问题仍然是工业界最为关心的问题之一。
　　(5)其它问题　物性变化的影响、表面选择方法、如何从结构上保证流体均布、流道如何合理布置以及纵向导热影响等多方面的问题在设计中一直未彻底解决，仍然有待进一步研究。
　　4.计算机辅助工程（CAE）技术的应用
　　CAE研究将集中在计算机优化设计、计算机参数化绘图、计算机快速创型和快速报价系统等几方面。
　　5.应用领域的进一步拓宽
　　在化学工业中，利用板翅式换热器作为反应器的研究已进行多年，使板翅式换热器除了起换热作用外，还同时完成其它功能如传热反应等一直是工业界关心的问题。在核能、宇航、超导等尖端技术中应用板翅式换热器还遇到不少问题。随着板翅式换热器技术的进一步发展与完善，可以预期其应用领域将不断拓宽。

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