機(jī)載換熱器設(shè)計(jì)*

朱巖泉，袁相勇

(中國電子科學(xué)研究院， 北京 100041)

機(jī)載換熱器設(shè)計(jì)*

朱巖泉，袁相勇

(中國電子科學(xué)研究院， 北京 100041)

換熱器是液冷系統(tǒng)的重要設(shè)備，在特種飛機(jī)上安裝使用是一項(xiàng)新應(yīng)用，其研制經(jīng)驗(yàn)值得總結(jié)和提煉，以便為新型機(jī)載換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)和換熱器設(shè)計(jì)規(guī)范的擬制提供參考。文中簡要介紹了換熱器的工作原理，從設(shè)備選型、主要技術(shù)參數(shù)的計(jì)算和要求、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、表面處理等幾個(gè)方面闡述了機(jī)載換熱器設(shè)計(jì)技術(shù)和方法，指出了換熱器研制生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑。依據(jù)文中介紹的技術(shù)和方法設(shè)計(jì)的換熱器實(shí)現(xiàn)了小批量生產(chǎn)，在某型多架特種飛機(jī)上得到應(yīng)用，獲得了良好的使用效果，驗(yàn)證了換熱器設(shè)計(jì)技術(shù)和方法的正確性。相應(yīng)的研制經(jīng)驗(yàn)值得推廣，以便更好地指導(dǎo)機(jī)載換熱器的設(shè)計(jì)。

換熱器；設(shè)計(jì)；機(jī)載；液冷系統(tǒng)

引 言

特種飛機(jī)大功率電子設(shè)備發(fā)熱量大，工作時(shí)需要液冷系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。在地面調(diào)試或聯(lián)試時(shí)，液冷系統(tǒng)需要重要的熱交換用設(shè)備——液液換熱器，使機(jī)載液冷系統(tǒng)與地面液冷車之間形成各自的密閉循環(huán)液流，方便整個(gè)液冷系統(tǒng)的操作和保障。

機(jī)載換熱器要求設(shè)備性能可靠，結(jié)構(gòu)輕巧，剛強(qiáng)度高，耐蝕性好，使用壽命長，通用性好，使用維護(hù)方便，性價(jià)比高。美俄國家由于載機(jī)平臺(tái)好，制造材料和生產(chǎn)工藝先進(jìn)，有多年的使用經(jīng)驗(yàn)，已解決了機(jī)載換熱器設(shè)計(jì)方面的技術(shù)問題。我國近些年上馬了多個(gè)型號(hào)的大中型特種飛機(jī)項(xiàng)目，換熱器得到初步使用，相應(yīng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)需要總結(jié)，特別是在設(shè)備性能參數(shù)，與任務(wù)系統(tǒng)液冷需求匹配性、與載機(jī)適裝性和整機(jī)協(xié)調(diào)性方面，需要進(jìn)行分析、提煉和總結(jié)，為新型特種飛機(jī)換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)和換熱器設(shè)計(jì)規(guī)范等文件的擬制提供參考。

1 工作原理

換熱器的工作原理是：利用金屬良好的導(dǎo)熱性，兩種不同溫度的冷卻介質(zhì)在金屬波紋板片兩側(cè)相向循環(huán)流動(dòng)發(fā)生熱量交換，高溫液體在流動(dòng)過程中失去熱量得到冷卻，使任務(wù)系統(tǒng)設(shè)備正常工作；低溫液體在流動(dòng)過程中帶走高溫液體的熱量，并將熱量散發(fā)到外部環(huán)境中，使循環(huán)換熱得以持續(xù)進(jìn)行。

換熱器一側(cè)與任務(wù)系統(tǒng)液冷管網(wǎng)配接，另一側(cè)通過配接的自密封接頭和管道可以與地面液冷車連接，見圖1。空中狀態(tài)工作時(shí)，換熱器僅作為冷卻介質(zhì)通道，任務(wù)系統(tǒng)設(shè)備產(chǎn)生的熱量經(jīng)氣液換熱器散發(fā)到高空大氣中。地面狀態(tài)工作時(shí)，液冷車循環(huán)流動(dòng)的冷卻介質(zhì)流經(jīng)換熱器時(shí)發(fā)生熱交換，帶走熱量，由車載散熱片將熱量散發(fā)到周圍大氣中，保證任務(wù)系統(tǒng)設(shè)備在合適溫度區(qū)間內(nèi)正常工作。

圖1 換熱器配接示意圖

2 設(shè)計(jì)方案

2.1設(shè)備選型

根據(jù)機(jī)載換熱器的主要技術(shù)要求和市場現(xiàn)有換熱器狀況，一般采用不銹鋼材質(zhì)的釬焊板式換熱器。這種設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，免拆洗，強(qiáng)度高，密封性好，重量輕，換熱高效，安裝維護(hù)便捷，使用廣泛，性價(jià)比高，適于機(jī)載使用環(huán)境條件，見圖2。

圖2 銅釬焊式換熱器外形圖

2.2主要技術(shù)參數(shù)和要求

2.2.1 換熱量

按飛機(jī)巡航典型工況為設(shè)計(jì)點(diǎn)，任務(wù)系統(tǒng)熱負(fù)載為Q1，n臺(tái)離心泵熱負(fù)載nQ2，環(huán)境傳熱Q3，設(shè)計(jì)安全余量λ1，換熱器換熱量Q，則

Q=(1+λ1)(Q1+nQ2+Q3)

換熱量Q決定設(shè)備板片數(shù)量及尺寸，在100 kW數(shù)量級(jí)，取25 kW左右余量，使設(shè)備適用于高原或沙漠地區(qū)等各種惡劣氣候條件，并使任務(wù)系統(tǒng)有加裝熱負(fù)載的余量。

2.2.2 設(shè)計(jì)壓力

機(jī)上液冷泵的極限壓力P0，換熱器設(shè)計(jì)壓力P不小于P0，耐1.5P0試驗(yàn)壓力。

一般工況下，P0在1.0 MPa量級(jí)。當(dāng)前市場上常規(guī)釬焊板式換熱器設(shè)計(jì)壓力為2.0 MPa、2.5 MPa、3 MPa等系列，均可滿足各種工況壓力要求。

2.2.3 流量和流阻

換熱器要求有較好的流阻特性，一般工況下，換熱器流阻不大于0.06 MPa。

典型工況下，換熱器熱側(cè)額定流量qp，冷卻介質(zhì)的比熱cp，密度ρ，進(jìn)出口溫差ΔT1，則

一般工況下，qp在30 m3/h量級(jí)。

2.2.4 重量

換熱器和配接的管道接口及安裝固定件總重須滿足項(xiàng)目工程分配的重量指標(biāo)要求。當(dāng)前國內(nèi)軍用運(yùn)輸機(jī)的載重能力有限，需要注意安裝固定件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度，減輕重量。

一般狀況下，整個(gè)換熱器組件總重不大于25 kg。

2.2.5 密封性、耐腐蝕性和使用壽命

試驗(yàn)壓力不小于1.5P0條件下，保壓不小于0.5 h后，換熱器氣密性良好，無內(nèi)外漏氣和結(jié)構(gòu)上的永久變形。

換熱器使用的冷卻介質(zhì)一般為乙二醇和水的混合液，具有一定的腐蝕性，要求換熱器使用的波紋板片、釬焊材料和接口等具有相應(yīng)的耐蝕性，要求耐冷卻介質(zhì)長期腐蝕。

在典型介質(zhì)和典型工況下，換熱器的使用壽命不小于一次飛機(jī)大修間隔期(6～10年)，一般設(shè)計(jì)為與飛機(jī)同壽命(30年)。

2.2.6 六性設(shè)計(jì)

MTTF：不小于一次飛機(jī)大修間隔期。

維修性：MTTR不大于1.0 h。

滿足機(jī)載環(huán)境、振動(dòng)沖擊環(huán)境適應(yīng)性要求。

2.2.7 互換性

換熱器成型波紋板片、接口和安裝架等組件，要求使用通用標(biāo)準(zhǔn)件或按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造的產(chǎn)品，使相同型號(hào)的組件在功能、性能、結(jié)構(gòu)外形和安裝接口上具有互換性，提高設(shè)備通用性。

2.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 選料

根據(jù)機(jī)載換熱器耐腐蝕性要求和市場現(xiàn)有換熱器狀況，波紋板片主材采用AISI316L(00Cr17Ni14Mo2)，釬焊材料采用純銅，接口采用AISI316L或1Cr18Ni9Ti棒料加工成型。實(shí)踐證明材料長期耐各種濃度乙二醇冷卻液的腐蝕，性能可靠。

因人字形波紋板片與波浪形和雙人字形波紋板片相比有較高的換熱系數(shù)和較小的流阻特性，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度適中，故采用人字形波紋板片。

考慮到換熱器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、整體重量、傳熱效率、腐蝕余量和使用壽命等要求，波紋板片基體板料的厚度取0.4 mm，一般不用更厚的板片或更薄的0.2 mm板片。

2.3.2 結(jié)構(gòu)外形

2.3.2.1 高度

換熱器立式吊掛安裝在飛機(jī)設(shè)備艙艙板下的加強(qiáng)筋上，一般偏離維護(hù)通道一定距離進(jìn)行安裝，以便于整個(gè)液冷系統(tǒng)設(shè)備和其他航電設(shè)備的裝拆維護(hù)，有高度方向的空間尺寸限制要求，見圖3。較短的設(shè)備可以減少流阻，較長的設(shè)備不利于牢固安裝；另一方面，要求設(shè)備有足夠的長度以保證循環(huán)流動(dòng)的冷卻介質(zhì)實(shí)現(xiàn)充分換熱，因此換熱器的高度方向尺寸在0.5 m左右。

圖3 換熱器安裝方式示意圖

2.3.2.2 寬度

載機(jī)液冷系統(tǒng)主管道外徑為D，管道接口中心距離LP，管道中心與兩側(cè)邊之間的距離LC，換熱器寬度為B，則B=D+LP+2LC。市場上現(xiàn)有換熱器的寬度尺寸為125、187、247、307等系列?？紤]一般特種飛機(jī)換熱量，一般選取187、247兩種寬度的換熱器。

2.3.2.3 厚度

換熱器冷熱側(cè)流量為q2，流速vM，流道有效利用系數(shù)α，換熱器首末端板的厚度為L0，換熱器波紋板片總厚度L1，換熱器單側(cè)光管接口長度L3，卡箍接口長度L4，換熱器總厚度L，換熱器設(shè)備厚度LM，則

LM=2L0+L1

L=LM+L3+L4

一般換熱器的α約為0.8，LM為100 mm量級(jí)，L不大于280 mm。

2.3.3 板片數(shù)量和波紋板厚

波紋板單片有效換熱面積為A0，換熱器有效換熱面積為A，片間平均距離為ζ，則波紋板片數(shù)n=[A/A0]，ζ=L1/n。

市場上常規(guī)的波紋板片厚度為2.3 mm、2.5 mm、2.7 mm等不同規(guī)格，取較大的ζ值可以減少設(shè)備流阻。

2.3.4 有效換熱面積及校核

換熱器兩側(cè)均以水為冷卻介質(zhì)，換熱系數(shù)為κ0。對(duì)于60#冷卻介質(zhì)，取校正系數(shù)η≈0.77。設(shè)備長期使用可能結(jié)垢，取校正系數(shù)β=0.95。冷熱側(cè)自然對(duì)數(shù)溫差為ΔT，則換熱器的有效換熱面積

換熱器在任務(wù)系統(tǒng)空中極限工況下的換熱能力記為QM，則QM=Aκ1ΔTM。換熱器在地面液冷車供液的極限工作狀態(tài)下的換熱能力記為QS，則QS=Aκ2ΔTS。要求QM>Q，QS>Q。

2.3.5 結(jié)構(gòu)改裝設(shè)計(jì)及其安裝固定

市購?fù)ㄓ脫Q熱器一般為光管接口，需要加裝卡箍接頭，某型換熱器上安裝的凸接頭見圖4。凸接頭與管道凹接頭以快卸卡箍進(jìn)行連接和緊固。凹凸接頭和快卸卡箍的尺寸參見HB 6879—1993[1]。

圖4 換熱器卡箍接口尺寸圖

卡箍接頭與換熱器光管接口之間焊接過程中，要求采取措施防止接頭發(fā)生嚴(yán)重變形，保證焊后接頭的平面度、垂直度和圓度要求，避免接頭處發(fā)生漏液。建議采用氬弧焊焊接，避免焊接過程中過高溫度損壞換熱器釬料。

換熱器吊裝安裝，需要安裝架，見圖5。要求安裝架輕質(zhì)，剛強(qiáng)度高，設(shè)備裝拆便捷。對(duì)容易造成應(yīng)力集中的安裝架根部要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計(jì)和可靠焊接，避免在振動(dòng)沖擊試驗(yàn)過程中和長期使用過程中發(fā)生疲勞開裂，造成安裝架或設(shè)備的損壞；并在設(shè)備安裝端面上加裝航空橡膠隔振墊，提高耐振動(dòng)沖擊能力。

圖5 換熱器安裝架圖

2.3.6 標(biāo)志標(biāo)識(shí)

乙二醇水溶液具有較強(qiáng)的有機(jī)物溶解能力，一般不使用粘貼標(biāo)牌或印字進(jìn)行標(biāo)識(shí)，以免接觸冷卻介質(zhì)造成粘貼的標(biāo)牌掉脫，印字褪色。建議按HB 5936—2011[2]的規(guī)定進(jìn)行換熱器標(biāo)志，按HB 6-84～87—1979[3]的規(guī)定制作標(biāo)牌、數(shù)控刻字或激光刻字進(jìn)行標(biāo)識(shí)。如果采用標(biāo)牌，標(biāo)牌四角需用氬弧焊或激光焊接牢固。

2.3.7 表面處理

3 關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑

3.1關(guān)鍵技術(shù)

波紋板片之間的壓合和釬焊質(zhì)量直接決定換熱器設(shè)備的密封性和使用壽命。由專業(yè)廠家選用經(jīng)檢驗(yàn)驗(yàn)證合格的材料，使用專用模具和工裝、液壓機(jī)和真空爐等設(shè)備按照生產(chǎn)規(guī)程和工藝規(guī)范化生產(chǎn)，檢驗(yàn)合格的產(chǎn)品方可出廠和接受，減少設(shè)備發(fā)生焊縫腐蝕開裂和疲勞開裂的幾率。

對(duì)接受的設(shè)備進(jìn)行性能試驗(yàn)和環(huán)境試驗(yàn)，選用型號(hào)適用并檢驗(yàn)合格的產(chǎn)品作為裝機(jī)件。

3.2產(chǎn)品檢驗(yàn)

在典型介質(zhì)、溫度、壓力等工況條件下，從換熱性能、耐壓能力、密封性、流阻特性、振動(dòng)沖擊等環(huán)境適應(yīng)性、外形和接口尺寸、重量、外觀質(zhì)量及標(biāo)識(shí)標(biāo)志等方面對(duì)換熱器組件進(jìn)行摸底試驗(yàn)和檢驗(yàn)，以考核換熱器設(shè)備的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)質(zhì)量。

3.3風(fēng)險(xiǎn)分析和評(píng)估

釬焊板式換熱器為純機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，在國內(nèi)的化工行業(yè)和地面設(shè)備上使用廣泛，技術(shù)成熟，在飛機(jī)上也已開始使用。在保證設(shè)計(jì)質(zhì)量和生產(chǎn)質(zhì)量的條件下，可以避免發(fā)生漏液等問題，不存在人員、設(shè)備安全和技術(shù)上的風(fēng)險(xiǎn)，不存在影響載機(jī)安全性的問題。

4 結(jié)束語

依據(jù)本文所述經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行了某型機(jī)載換熱器的研制，并實(shí)現(xiàn)了小批量生產(chǎn)，在某型多架飛機(jī)上進(jìn)行了裝機(jī)和使用，取得了良好的實(shí)際效果，其設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值得推廣。

本文給出了機(jī)載換熱器選用及設(shè)計(jì)的技術(shù)和方法，尚需結(jié)合Fluent軟件進(jìn)行仿真分析，并在更寬廣更精深的層面繼續(xù)進(jìn)行研究和提煉，形成更加精準(zhǔn)適用的機(jī)載換熱器設(shè)計(jì)規(guī)范，以便更好地指導(dǎo)新型機(jī)載換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

[1] 中國航空工業(yè)總公司. HB 6879—1993帶密封圈高溫導(dǎo)管連接快卸卡箍[S]. 北京: 中國航空綜合技術(shù)研究所, 1994.

[2] 中國航空工業(yè)集團(tuán)公司. HB 5936—2011 維修性設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)[S]. 北京: 中國航空綜合技術(shù)研究所, 2011.

[3] 五一一廠. HB 6-84～87—1979 航空附件產(chǎn)品標(biāo)牌[S]. 北京: 第三機(jī)械工業(yè)部, 1979.

[4] 航空工業(yè)部. GJB 594—1988金屬鍍覆層和化學(xué)覆蓋層選擇原則與厚度系列[S]. 北京: 航空工業(yè)部621研究所, 1988.

朱巖泉(1985-)，男，助理工程師，主要從事電訊及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

袁相勇(1975-)，男，高級(jí)工程師，主要從事結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)計(jì)工作。

DesignofAirborneHeatExchanger

ZHUYan-quan，YUANXiang-yong

(ChinaAcademyofElectronicsandInformationTechnology,Beijing100041,China)

Heat exchanger is important equipment of liquid cooling system. It is a new application as equipping heat exchanger in special plane. Experiences of research and production of the airborne heat exchanger are worthy of summarizing and refining in order to instruct the optimization design of new-fashion airborne heat exchanger and the compilation of heat exchanger design specification. This article briefly introduces the principle of heat exchanger, expounds the design techniques and methods of heat exchanger from aspects of equipment type selection, calculation and requirements of main technical parameters, structure design, surface protecting process, and so on. Key technologies in heat exchanger research and production and their resolving method are indicated also. Heat exchanger has already been produced in small batches according to the techniques and methods introduced in this article. The application in several special planes gets good use effect, validating the correctness of the techniques and methods. The experiences of research and production are worthy of promotion in order to instruct the design of airborne heat exchanger better.

heat exchanger; design; airborne; liquid cooling system

2015-05-25

V243

：A

：1008-5300(2015)04-0024-04