板翅式換熱器翅片的質(zhì)量控制技術(shù)

張 瑜

(杭州杭氧股份有限公司)

鋁制板翅式換熱器是一種高效節(jié)能的換熱設(shè)備，它以結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、體積小及傳熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于石油化工、化肥、空分設(shè)備以及天然氣液化等領(lǐng)域。我國(guó)板翅式換熱器制造廠家數(shù)量眾多，但制造水平與國(guó)際先進(jìn)水平相比仍存在較大差距，主要是翅片沖制能力和翅片質(zhì)量的差距。杭州杭氧股份有限公司在板翅式換熱器領(lǐng)域已有四十余年的研制歷史，通過引進(jìn)、消化吸收和自主創(chuàng)新，形成了獨(dú)特的質(zhì)量控制方式，使產(chǎn)品質(zhì)量躋身國(guó)際前列，筆者將對(duì)翅片質(zhì)量控制技術(shù)及其后續(xù)影響進(jìn)行全面介紹，以供借鑒和探討。

1 基本結(jié)構(gòu)

板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)形式很多，但其結(jié)構(gòu)單元體基本相同，通常由翅片、隔板、封條和導(dǎo)流片組成[1]。在相鄰兩隔板間放置翅片、導(dǎo)流片和封條組成夾層(圖1)，稱為通道，將這樣的夾層根據(jù)流體的不同方式疊置起來，釬焊成整體便組成板束，板束是板翅式換熱器的核心，配以必要的封頭、接管和支撐就組成了板翅式換熱器。

圖1 板翅式換熱器的單元結(jié)構(gòu)示意圖

翅片是板翅式換熱器最基本的元件，傳熱過程主要通過翅片熱傳導(dǎo)及翅片與流體之間的對(duì)流傳熱來完成[2]，同時(shí)承擔(dān)兩隔板之間的支撐作用。盡管翅片很薄(常用的有0.15～0.50mm)卻能承受較高的壓力[3]。

常用的翅片形式有平直翅片、多孔型直齒翅片、鋸齒翅片和波紋型翅片，其形態(tài)如圖2所示。

平直翅片是由金屬薄片沖壓而成的，具有較高的承壓強(qiáng)度,換熱系數(shù)和流動(dòng)阻力系數(shù)都比較小，其換熱和流動(dòng)摩擦特性與管內(nèi)流動(dòng)相似。這種翅片一般用于流動(dòng)阻力要求較小而其自身的傳熱系數(shù)又比較大(例如液側(cè)或相變)的場(chǎng)合。

多孔翅片是先在金屬薄片上沖孔，然后再?zèng)_壓成型。翅片上密布的小孔使熱阻邊界層不斷破裂，從而提高了傳熱性能，也有利于流體再分配。

鋸齒形翅片可看作是由平直翅片切成許多短小的片段，并相互錯(cuò)開一定間隔而形成的間斷式翅片，這種形式的翅片對(duì)促進(jìn)湍流和破壞熱阻十分有效。換熱系數(shù)比平直翅片高30%以上，又稱高效翅片。鋸齒形翅片多用于需要強(qiáng)化換熱(尤其是氣側(cè))的場(chǎng)合。

波紋翅片是將金屬薄片沖壓成一定的波形，形成彎曲流道，通過增加流體的擾動(dòng)來提高傳熱性能，有較高承壓能力。

圖2 常用翅片的外形

2 質(zhì)量控制要點(diǎn)和控制技術(shù)

雖然現(xiàn)在我國(guó)《鋁制板翅式熱交換器》標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際ALPEMA標(biāo)準(zhǔn)均未對(duì)翅片的質(zhì)量控制要求作出具體規(guī)定，作為板翅式換熱器中的最基本的換熱單元，翅片質(zhì)量的好壞直接決定了芯體釬焊縫的質(zhì)量，從而影響換熱器的換熱性能，因此加強(qiáng)換熱器翅片的質(zhì)量尤為重要，現(xiàn)階段主要從翅片材料、翅片尺寸、翅片性能檢測(cè)以及翅片的清洗等方面來控制翅片的質(zhì)量。

2.1 翅片材料

翅片沖制前應(yīng)核對(duì)材料和材料證明，確保符合圖樣和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。沖制前用壁厚千分尺檢查鋁箔材料厚度應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。鋁箔材料表面不允許有明顯腐蝕或難以清除洗凈的大片油污。當(dāng)前國(guó)內(nèi)鋁箔材料制造廠家提供的材料有時(shí)會(huì)因熱處理問題有軟硬不均的情況，沖制過程應(yīng)予以關(guān)注，材料的軟硬不均會(huì)導(dǎo)致翅片形狀和翅片高度的變化。

2.2 翅片尺寸和外形

單元翅片結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要幾何參數(shù)有：高度H、厚度t、節(jié)距p、每齒長(zhǎng)度B、翅側(cè)垂直度α、切開距離e、沖孔孔徑φ、翅端平面A和折彎圓角R。

圖3 單元翅片結(jié)構(gòu)示意圖

翅片沖制成型后檢查翅片表面是否有毛刺、是否平整，這會(huì)直接影響產(chǎn)品的氣阻特性，毛刺多則阻力大。為保證釬焊焊縫寬度，避免材料在成型過程中過大的機(jī)械損傷，翅片成型后及時(shí)進(jìn)行投影檢查是非常重要的，一般要求模具調(diào)試好以后，首件零件和沖制一百萬次后應(yīng)進(jìn)行投影檢查(檢查項(xiàng)目和建議控制要求見表1)。

表1 檢查項(xiàng)目和建議控制要求

翅片節(jié)距對(duì)換熱器的換熱性能和阻力特性均會(huì)產(chǎn)生重要影響，因此翅片節(jié)距的控制是一個(gè)關(guān)鍵項(xiàng)目，測(cè)量的方法通常通過單位長(zhǎng)度的翅數(shù)進(jìn)行計(jì)算判斷，同時(shí)也可測(cè)量每米長(zhǎng)度內(nèi)的翅片數(shù)，控制的公差必須在±2%以內(nèi)。隨著工業(yè)的發(fā)展，為了提高換熱性能，所有翅片均會(huì)向節(jié)距小的方向發(fā)展[4]。

成型翅片的翅端平面和折彎圓角對(duì)釬焊來說是一項(xiàng)關(guān)鍵因素，若翅端平面大一些，則釬焊時(shí)的接觸面也會(huì)大一些，這樣有利于增加釬焊縫的承壓強(qiáng)度。當(dāng)然翅端平面和折彎圓角存在一定的函數(shù)關(guān)系，折彎圓角大，則翅端平面?。蝗粽蹚潏A角小，則翅端平面大。根據(jù)機(jī)械彎曲的最小彎曲半徑推算，成型翅片的折彎圓角只能做到：R≥(1.5～2.5)t，在實(shí)踐中應(yīng)盡量用最小的折彎圓角。同時(shí)在實(shí)踐過程中，有的企業(yè)為了追求最大的翅端平面和最小的折彎圓角，通過強(qiáng)力形成翅端平面，導(dǎo)致翅端角部材料嚴(yán)重變形和減薄，出現(xiàn)應(yīng)力集中，降低承壓能力。

翅片成型形狀會(huì)直接影響翅片在釬焊高溫下的穩(wěn)定性，出現(xiàn)翅片失穩(wěn)將導(dǎo)致產(chǎn)品整體下凹，同時(shí)在高溫下翅片失穩(wěn)會(huì)呈現(xiàn)多米諾骨牌現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)局部失穩(wěn)則會(huì)帶動(dòng)相鄰翅片高溫失穩(wěn)，從而出現(xiàn)整體嚴(yán)重下凹等質(zhì)量問題。因此，在實(shí)踐過程中不能僅考慮翅片高度和節(jié)距，同時(shí)還要高度重視翅片的成型形狀，應(yīng)盡量保證翅片兩側(cè)的垂直度。

2.3 翅片阻力性能

一般企業(yè)只能對(duì)翅片的尺寸等實(shí)施檢測(cè)和控制，為了進(jìn)一步提高對(duì)翅片質(zhì)量的有效控制，筆者研制了一種新的判定板翅式換熱器翅片質(zhì)量的方法，即通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量翅片的阻力特性曲線來判斷翅片的質(zhì)量：采用翅片風(fēng)動(dòng)測(cè)試臺(tái)位測(cè)量翅片的阻力特性，利用計(jì)算機(jī)控制以標(biāo)準(zhǔn)阻力特性曲線為判定標(biāo)準(zhǔn)，通過測(cè)量壓差、溫度和流量算出翅片的摩擦因子和雷諾數(shù)，如果這個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)在標(biāo)準(zhǔn)曲線的下方就判定翅片是合格的，反之，則不合格。當(dāng)然，在實(shí)際生產(chǎn)中通常會(huì)給定一定的公差帶來判定翅片的質(zhì)量。通過以上方法能直接、定量地測(cè)量翅片的阻力特性，以判斷翅片成型的質(zhì)量。同時(shí)通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，翅片齒數(shù)、厚度、切開程度、寬度以及是否清洗等對(duì)翅片的阻力特性均有直接的影響。

2.4 翅片的清洗和烘干

翅片成型后應(yīng)進(jìn)行清洗，以確保其表面沒有固體物質(zhì)、浮銹、清洗液、油斑、堿跡及水漬等。當(dāng)前常見的清洗方法有物理清洗和化學(xué)清洗，優(yōu)先推薦化學(xué)清洗，因其可以去除鋁材表面的氧化膜，為真空釬焊創(chuàng)造條件。當(dāng)然因環(huán)保的需要，當(dāng)前很多企業(yè)使用了物理清洗，也能達(dá)到清洗的目的，但物理清洗無法去除鋁材表面的氧化膜，對(duì)真空釬焊會(huì)有一定的影響，在技術(shù)上也可通過改進(jìn)釬焊工藝和使用破除氧化膜的釬劑來達(dá)到真空釬焊的目的。

清洗后進(jìn)行油份檢測(cè)是驗(yàn)證清洗質(zhì)量的有效方法，在被檢測(cè)零件表面100mm×100mm范圍進(jìn)行取樣，取樣需有代表性，特別注意檢查那些有明顯油斑的部位。翅片清洗后表面含油量一般應(yīng)控制在30mg/m2范圍。

清洗之后應(yīng)對(duì)所有清洗零件進(jìn)行干燥處理，確保表面處于干燥狀態(tài)，因?yàn)槌崞慵砻娉睗駥?yán)重影響抽真空的效果，從而影響真空釬焊的質(zhì)量。

3 結(jié)束語

鋁制板翅式換熱器翅片的制造能力和精度控制在生產(chǎn)實(shí)踐中存在一定技術(shù)難度，體現(xiàn)了企業(yè)的技術(shù)水平和制造水平。通過分析翅片制造質(zhì)量控制要點(diǎn)、難點(diǎn)、最新控制技術(shù)和相關(guān)質(zhì)量問題的后續(xù)影響，希望能供從事本專業(yè)的科技人員和管理人員共同探討、研究，以提高相關(guān)的制造技術(shù)和能力。

[1] NB/T 47006-2009(JB/T 4757).鋁制板翅式熱交換器[S].北京：國(guó)家能源局,2009.

[2] 王偉平，張淑文，楊健，等.多孔式翅片傳熱與流阻特性分析[J]. 低溫工程, 2012,(2):40～43，59.

[3] 毛紹融，朱朔元，周智勇.現(xiàn)代空分設(shè)備技術(shù)與操作原理[M].杭州：杭州出版社, 2005.

[4] 閻振貴. 板翅式換熱器翅片性能的比較和選擇[J]. 杭氧科技, 2007, (4):1～5.