板翅式換熱器技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

薛燾 佘志鴻 陳誠 湯瀚源 于型偉

（1.中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院2.中國石油大學（北京）化學工程學院）

板翅式換熱器技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

薛燾*1佘志鴻1陳誠1湯瀚源2于型偉1

（1.中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院2.中國石油大學（北京）化學工程學院）

闡述了板翅式換熱器的基本結(jié)構(gòu)、翅片類型以及傳熱機理。從釬焊工藝、新型材料開發(fā)和計算機輔助系統(tǒng)三個方面，探討了板翅式換熱器技術(shù)近些年的發(fā)展歷程和發(fā)展方向。簡述了板翅式換熱器在多股流復雜換熱過程中的應(yīng)用，并展望了板翅式換熱器在新能源開發(fā)等領(lǐng)域的發(fā)展前景。

板翅式換熱器 結(jié)構(gòu)特點 真空釬焊 新材料 應(yīng)用 發(fā)展前景

0 引言

板翅式換熱器又稱緊湊式換熱器、釬焊鋁制換熱器、二次表面換熱器等。早在20世紀30年代英國Marston Excelsior公司就用浸漬釬焊方法，用銅及其合金制成了板翅式換熱器，用于航空發(fā)動機的散熱器。美國、日本、前蘇聯(lián)從20世紀40年代也相繼開始進行板翅式換熱器的研究和制造[1]。

我國在20世紀60年代初，開始采用前蘇聯(lián)的空氣爐釬焊工藝，生產(chǎn)小型的板翅式換熱器，應(yīng)用于航空工業(yè)。1970年我國成功研制出鹽浴釬焊工藝，試制出高效鋁制板翅式換熱器，用于大型低壓空分設(shè)備和石油化工業(yè)。1992年杭州制氧機集團公司從美國S-W公司引進了大型真空釬焊爐，同時還引進了該公司的設(shè)計程序和工藝。通過設(shè)計人員的努力研發(fā)，杭州制氧機集團中、高壓板翅式換熱器的設(shè)計和制造技術(shù)更加成熟，制造工藝更加完善[2]。目前，我國板翅式換熱器的設(shè)計和制造水平已達到和接近世界先進水平。

由于板翅式換熱器具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧牢固、適應(yīng)性強和經(jīng)濟性好的特點，經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，其產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于空氣分離設(shè)備、石油化工、航空工業(yè)、車輛、船舶、動力等工業(yè)部門。

1 板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)特點

1.1 基本結(jié)構(gòu)

板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)形式很多，但其板束單元結(jié)構(gòu)是基本相同的。常用的板束單元結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是在相鄰的兩隔板之間放置翅片及封條組成一夾層，即成為通道[3]。

圖1 板束單元結(jié)構(gòu)

對各個通道進行不同方式的疊置和排列，釬焊成整體，即組成常用的逆流、錯流、錯逆流的板束（或稱芯體），如圖2所示。

圖2 介質(zhì)流動方式

一般情況下，板束兩側(cè)還各有1～2層不走介質(zhì)的強度層，或稱之為假通道。有了板束，再在板束上配置適當?shù)慕橘|(zhì)進出口分配段（導流片）和集流箱（封頭），就組成一個完整的板翅式換熱器。

由圖3可見，一臺典型的板翅式換熱器主要由翅片a、隔板b、封條c、分配段d和集流箱e五部分組成。

1.2 翅片

翅片的作用是擴大傳熱面積、提高換熱器的緊湊性，提高傳熱效率，兼做隔板的支承，提高換熱器的強度和承壓能力。

如圖4所示，翅片常用的形式有平直形、鋸齒形、多孔形和人字波紋形等。國外還有百葉窗式翅片、片條翅片、釘狀（或針狀）翅片[4]。

翅片的選擇，需根據(jù)最高工作壓力、傳熱能力、允許壓力降、流體性能、流量和有無相變等因素，進行綜合考慮。美國斯坦福大學的W M Kays和A L London著有“緊湊式換熱器”（Compact Exchangers）一書，其中包括56種翅片傳熱面的實驗數(shù)據(jù)。

圖3 逆流板翅式換熱器結(jié)構(gòu)

圖4 翅片類型

1.3 傳熱機理

板翅式換熱器屬于間壁式換熱器，主要特點是具有擴展的二次表面（翅片），傳熱過程不僅在一次表面（隔板）上進行，而且同時在二次表面（翅片）上進行[5]。其傳熱機理如圖5所示。

板翅式換熱器主要缺點在于其制造工藝復雜，要求嚴格；通道容易堵塞，清洗和檢修較困難，若因腐蝕產(chǎn)生內(nèi)漏，則很難修理。

2 板翅式換熱器技術(shù)的發(fā)展

2.1 釬焊工藝發(fā)展

適宜于鋁制板翅式換熱器的釬焊方法有鹽浴浸漬釬焊、高溫氣體保護下的高溫爐釬焊、真空釬焊和無焊劑釬焊等。傳統(tǒng)的釬焊工藝以鹽浴浸漬釬焊最為成熟。這種釬焊工藝是利用鹽浴熱容量大、浴鹽可迅速流入通道內(nèi)各個角落的特點，使工件迅速而均勻地加熱到釬焊溫度，獲得均勻而牢固的焊縫，避免了局部過熱的現(xiàn)象。同時，浴鹽的浮力作用可以減少工件在高溫下因自重而產(chǎn)生的下塌和走樣。但鹽浴浸漬釬焊工藝管理費用高、能耗高、鹽耗高，而且浴鹽還容易引起鋁的腐蝕，因此已逐漸被真空釬焊工藝所取代[6]。

圖5 翅片表面?zhèn)鳠釞C理

真空釬焊工藝是在真空環(huán)境下，不用釬劑而進行釬焊的一種方法。實際上就是把由隔板、翅片、隔條組成的鋁制板翅式換熱器置于真空環(huán)境中加熱的過程。真空釬焊的優(yōu)點是電能消耗低、無鹽耗、無環(huán)境污染、成品率高、工序少、自動化程度高。目前世界上真空釬焊設(shè)備的主要供應(yīng)商是英國CONSARC公司、日本真空技術(shù)株式會社、美國IPSEN公司以及中國的蘭州真空設(shè)備廠[7]。

采用釬焊技術(shù)制造鋁制板翅式換熱器，很難大幅度提高其耐壓能力。擴散熔化焊為大幅度提高新材料板翅式換熱器的耐壓能力開辟了新的途徑。鈦合金板翅式換熱器、不銹鋼板翅式換熱器的擴散熔化釬焊技術(shù)在近些年都有所發(fā)展。

2.2 新型材料開發(fā)

鋁制板翅式換熱器所能承受的最高壓力僅為9 MPa，能承受的最高溫度為300℃。為進一步提高板翅式換熱器的使用壓力、使用溫度和耐腐蝕性能，較好的方法是開發(fā)新型材料板翅式換熱器。鈦合金、不銹鋼、聚四氟乙烯這三種新型材料在生產(chǎn)中都得到了應(yīng)用，其中，以不銹鋼板翅式換熱器的開發(fā)最為成熟。

不銹鋼材料主要分為奧氏體、鐵素體、馬氏體和雙相不銹鋼，其中，奧氏體不銹鋼應(yīng)用最廣。采用的釬料有銀基、銅基、錳基、鎳基、金屬和含鉛釬料。不銹鋼的連接可以采用釬焊，也可以采用熔化焊方法。一般釬焊方法采用受控保護氣真空釬焊方法。近年來出現(xiàn)了一種經(jīng)濟實用的釬焊-熱處理工藝，即真空釬焊與真空熱處理一體化工藝。這種工藝不僅能保證接頭的力學性能與母材幾乎相同，并且還可使部件受熱均勻，將變形、有害氣體的影響減小到最低限度，不用焊后處理就可以保持光亮的表面[8]。

2.3 計算機輔助系統(tǒng)

計算機輔助系統(tǒng)是計算機技術(shù)工程應(yīng)用的重要方面，它可以模擬實際工作情況，獲得一系列的工作參數(shù)，從而為具體操作過程提供指導和幫助。將計算機模擬與板翅式換熱器相結(jié)合的計算機輔助系統(tǒng)，能夠提高設(shè)計的效率、質(zhì)量及設(shè)備的可用性，有較高的使用價值。

英國傳熱服務(wù)公司（HTFS）、美國ALTEC公司和SW公司等都曾推出專用的商業(yè)軟件。國內(nèi)，1997年南京化工大學推出了新開發(fā)的板翅式換熱器計算機輔助設(shè)計（PFECAD）軟件包[9]。在同一時期，西安交通大學制冷系從國外引進了計算流體動力學（CFD）商業(yè)軟件，并且結(jié)合數(shù)值計算理論知識對軟件加以完善，現(xiàn)已成功地將CFD技術(shù)應(yīng)用到板翅式換熱器優(yōu)化設(shè)計、渦輪葉片設(shè)計以及制冷低溫等多個領(lǐng)域[10]。

近年來，國內(nèi)研究機構(gòu)對板翅式換熱器計算機輔助系統(tǒng)的研究逐步深入，已開發(fā)出基于不同平臺的多種動態(tài)模擬和仿真系統(tǒng)。這些輔助系統(tǒng)的應(yīng)用大幅度提高了板翅式換熱器的設(shè)計效率，優(yōu)化了板翅式換熱器的操作條件。

3 板翅式換熱器的應(yīng)用

3.1 空氣分離裝置

空氣分離裝置（簡稱空分裝置）是利用深度冷凍原理將空氣液化，然后根據(jù)各組分沸點的不同，在精餾塔內(nèi)進行精餾，最后獲得氧、氮，或同時提取一種或幾種稀有氣體的裝置。

空分裝置廣泛用于煉鋼、石油化工及其他一些部門中?？辗盅b置中的主換熱器、冷凝蒸發(fā)器、液氮和液空過冷器、粗氬塔和精氬塔的冷凝器、蒸發(fā)器以及制氬系統(tǒng)中的液化器等，都是采用板翅式換熱器。這不僅節(jié)省了大量的銅及其他低溫材料，而且實現(xiàn)了多股流體在同一臺設(shè)備內(nèi)冷卻、冷凝或蒸發(fā)的復雜換熱過程，因此簡化了裝置的工藝設(shè)計，減少了工藝設(shè)備，降低了設(shè)備的安裝和操作費用[11]。

3.2 石油化工方面

在石油化工領(lǐng)域，例如在乙烯廠、天然氣液化廠中，板翅式換熱器廣泛地應(yīng)用于氣體分離裝置以及其他生產(chǎn)裝置。乙烯裝置，從天然氣中提取氦氣，無水氨生產(chǎn)過程的提純和液化氫氣，回收和生產(chǎn)乙烯，天然氣液化等，在這些方面都有板翅式換熱器的應(yīng)用。

尤其是在乙烯裝置上應(yīng)用最為廣泛，主要有：甲烷餾除器的預冷器、甲烷餾除器次冷卻器、乙烯制冷劑冷凝器、丙烷進料蒸發(fā)器、重沸器、乙烷再循環(huán)冷卻器、拔頭油冷凝器和乙烯次冷卻器、氫回收器等。此外，還有許多特殊用途，并正在不斷擴大應(yīng)用范圍。比如：芳香烴、脂肪烴蒸氣的冷凝，氟利昂、惰性氣體等的冷凝以及室溫空氣冷卻為壓縮空氣等[12]。

3.3 原子能、航天和電子工業(yè)方面

在原子能工業(yè)方面，板翅式換熱器主要用于氫氣提純、重氫分離裝置。原子能研究機構(gòu)大多采用小型鋁制板翅式換熱器進行氫的提純和蒸餾實驗[13]。

在航空工業(yè)方面，板翅式換熱器用作火箭的油冷卻器和空氣冷卻器。在美國阿波羅月球飛船上也曾用鋁制板翅式換熱器作為飛船內(nèi)環(huán)境溫度調(diào)節(jié)器。

在電子設(shè)備上應(yīng)用的有：硅酮液體/空氣換熱器、雷達電子設(shè)備換熱器、空氣冷卻機箱、水-甘醇/空氣換熱器等。

3.4 車輛、船舶和動力機械方面

板翅式換熱器在車輛、船舶和動力機械方面廣泛應(yīng)用于散熱和冷卻。如內(nèi)燃機車散熱器、汽車水箱、燃氣輪機進氣冷卻系統(tǒng)、風冷壓縮機、挖掘機循環(huán)油冷卻器、壓縮機空冷器和油冷器、船載散熱和冷卻器等。

4 市場及發(fā)展前景

隨著板翅式換熱器生產(chǎn)技術(shù)和加工工藝的不斷提高，以及對高性能板翅式換熱器的研究更加深入，其結(jié)構(gòu)設(shè)計已向微通道和耐高壓方向發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣。目前，板翅式換熱器的應(yīng)用已拓展到了日常生活領(lǐng)域，例如空調(diào)[14]和家用取暖設(shè)備。

現(xiàn)今，新能源已被認為是即將作為第四次產(chǎn)業(yè)革命的主導力量，高效、高性能的板翅式換熱器必將在新能源開發(fā)、工業(yè)節(jié)能減排等方面有其出色的表現(xiàn)，成為第四次產(chǎn)業(yè)革命中最有發(fā)展前途的新型換熱器設(shè)備。

[1]杭州制氧機研究所.國外空分設(shè)備鋁制板翅式換熱器[J].深冷技術(shù)，1974，S2.

[2]嵇訓達.我國板翅式換熱器技術(shù)進展[J].低溫與特氣，1998（1）：22-27.

[3]蘭州石油機械研究所.換熱器[M].北京：烴加工出版社，1988.

[4]Shah R K.Compact heat exchanger surface selection methods in heat transfer[M].Washington:Hemisphere Publishing Corp,1978:193-199.

[5]朱躍釗，廖傳華，史勇春.傳熱過程與設(shè)備[M].北京：中國石化出版社，2008.

[6]第一機械工業(yè)部石油機械研究所.板翅式換熱器鹽溶釬焊工藝[M].北京：第一機械工業(yè)部石油機械研究所，1970.

[7]Rabinkin A,Wenski E,Ribaudo A.Brazing stainless steel using a new MBF-series of Ni-Cr-B-Si amorphous brazing foils[J].Welding Research Supplement,1998(2):66-75.

[8]張洪濤，陳懷寧，吳昌忠，等.不銹鋼及其板翅式換熱器釬焊技術(shù)[J].宇航材料工藝，2005(4)：12-18.

[9]凌祥，柳雪華，涂善東.板翅式換熱器CAD系統(tǒng)的開發(fā)[J].煉油設(shè)計，1997，27（6）：57-59.

[10]張哲，厲彥忠，田津津.CFD技術(shù)在板翅式換熱器設(shè)計中的應(yīng)用[J].低溫與超導，2002，30（3）：42-45.

[11]秦叔經(jīng)，葉文邦.化工設(shè)備設(shè)計全書——換熱器[M].北京：化學工業(yè)出版社，2003.

[12]北京石油化工總廠設(shè)計院.石油化工技術(shù)情報[M].北京：北京石油化工總廠設(shè)計院，1978.

[13]化學工業(yè)部第四設(shè)計院.深冷手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，1979.

[14]張小松，周樂平.板翅式換熱器作為房間空調(diào)器蒸發(fā)器的試驗研究[J].流體機械，1999，28（8）：307-311.

Technological Development and Application of Plate-fin Heat Exchanger

Xue TaoShe ZhihongChen ChengTang HanyuanYu Xingwei

The basic structure,the fin type and the heat transfer mechanism of the plate-fin heat exchanger is elaborated,followed by the discussion of its development history and direction in respect of the brazing technology, the new-material development and the computer-aided system.Moreover,its application in the complex process of the multi-stream heat exchanging as well as the development potential in the field of the new energy resources is briefly introduced.

Plate-fin heat exchanger;Structural characteristics;Vacuum brazing;New material;Application; Development potential

TQ 051.5

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.08.007

2015-12-31)

*薛燾，男，1985年生，碩士研究生，工程師。北京市，100083。