制冷用板式換熱器標(biāo)準(zhǔn)修訂介紹

陳永東 ，彭小敏 ，于改革 ，李 炅 ，吳曉紅

（1.合肥通用機(jī)械研究院，安徽合肥 230031；2.國家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心，安徽合肥 230031；3.合肥通用環(huán)境控制技術(shù)有限責(zé)任公司，安徽合肥 230088）

1 前言

阿法拉伐、舒瑞普、丹佛斯等公司推出的釬焊板式換熱器，提高了冷凝器、蒸發(fā)器的緊湊度和效率，促進(jìn)了制冷系統(tǒng)能效的提高［1～3］。半焊板式換熱器適用于滿液式機(jī)組的蒸發(fā)器、冷凝器和油冷卻器，具有充液量小、傳熱系數(shù)高、凍結(jié)危險(xiǎn)性小、抗熱沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，半焊板式換熱器還廣泛應(yīng)用于非共沸的HFC、HCFC、NH3以及HC（如丙烯、丙烷等）制冷劑系統(tǒng)［4，5］。在壓力更高的場合，更多地關(guān)注聚集于全焊板式換熱器。為了促進(jìn)中國緊湊式換熱器的技術(shù)進(jìn)步，在瑞典等國技術(shù)專家的支持下，全國冷凍設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會組織起草了JB8710-1998《制冷用板式換熱器》［6，7］。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)成為世界上第一個(gè)系統(tǒng)針對不可拆板式換熱器（包括釬焊板式換熱器、半焊板式換熱器、全焊板式換熱器）設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)與驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)起草對不可拆板式換熱器行業(yè)產(chǎn)生了較大的影響，不僅促進(jìn)了制冷機(jī)組生產(chǎn)商立足于國內(nèi)選擇高效率換熱器產(chǎn)品，降低了成本，也推動(dòng)了中國釬焊板式換熱器產(chǎn)品走出國門。

近年來，隨著各種熱力循環(huán)參數(shù)的提高，板式換熱器自身技術(shù)也在不斷進(jìn)步；另外，中國制造2025的實(shí)施也促進(jìn)了板式換熱器制造過程的自動(dòng)化、智能化水平。根據(jù)工信廳科［2013］年217號文的要求，重新修訂JB8710-1998《制冷用板式換熱器》。

2 總體修訂介紹

2.1 適用范圍

伴隨著核電工業(yè)的進(jìn)步和環(huán)保型制冷劑的應(yīng)用，超臨界CO2布雷頓循環(huán)和跨臨界CO2制冷循環(huán)等熱力循環(huán)采用了釬焊、擴(kuò)散焊等緊湊式換熱器。典型跨臨界CO2制冷系統(tǒng)的流程及熱力循環(huán)如圖1所示［8，9］。其中a-b為超臨界壓力以上的冷卻過程（而不是冷凝過程），b-c是為了提高性能在回?zé)崞髦斜粔嚎s機(jī)的回汽進(jìn)一步冷卻。實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)過程的設(shè)備可采用釬焊板式換熱器。

圖1 跨臨界CO2制冷系統(tǒng)的流程及熱力循環(huán)

阿法拉伐公司專門為使用CO2制冷劑的亞臨界循環(huán)和跨臨界循環(huán)研制了能夠承受13 MPa的釬焊板式換熱器，型號為AXP52；舒瑞普公司也推出了類似的產(chǎn)品。因此本次修訂過程中，將釬焊板式換熱器的設(shè)計(jì)壓力提高到14.0 MPa。

2.2 制冷劑的分組與安全性

相比JB8701-1998，標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí)主要參考了ISO5149 《制冷系統(tǒng)和熱泵的安全與環(huán)境要求》第一部分“定義、分類和選擇準(zhǔn)則”［10］，同時(shí)考慮到和冷凍空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)體系標(biāo)準(zhǔn)的一致性，尤其是和GB9237的協(xié)調(diào)性。制冷劑數(shù)量由18種變成了28種；在低壓側(cè)，不僅給出了規(guī)定的環(huán)境溫度對應(yīng)的飽和蒸汽壓力，還增加了不同蒸發(fā)溫度對應(yīng)的飽和蒸汽壓力。由于R717劃入了B2L，本次標(biāo)準(zhǔn)中不再包含B2和B3組制冷劑。

2.3 材料

板式換熱器用材料種類的增加及性能的提高，促使對標(biāo)準(zhǔn)的材料部分進(jìn)行了修訂。增加了GB/T 24511對應(yīng)的有關(guān)不銹鋼材料，同時(shí)還修改了主要受壓元件在不同溫度下的許用應(yīng)力表；依據(jù)最新材料標(biāo)準(zhǔn)，修改了本標(biāo)準(zhǔn)涉及的材料牌號。取消了Q235A（材料P、S含量高，沖擊功未作要求）、16Mn（Q345R可以替代之）、20D（NB/T47009已取消該牌號）、1Cr18Ni9Ti（更改為新牌號）、45（NB/T47008和GB150.2-2011中都未采用此材料）、BZN15-20（鎳箔標(biāo)準(zhǔn)中已刪除）部分材料；增加了Q235C （GB150-2011附錄中仍保留此材料）、30CrMoA（因取消45，30CrMOA許用應(yīng)力介于35和35CrMOA之間，便于法蘭合理設(shè)計(jì)），補(bǔ)充了不銹鋼夾緊螺栓材料S30408。

另外，考慮到技術(shù)的進(jìn)步，對釬焊板式換熱器的定義進(jìn)行了局部調(diào)整，允許采用釬箔或者其他改進(jìn)型涂料作為釬焊用釬料。

3 基于驗(yàn)證性試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法

由于釬焊板式換熱器板片包結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難用解析式來表達(dá)。對于這一類特殊的情況，國際上采用的是基于驗(yàn)證性試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法，即通過爆裂試驗(yàn)或型式許可試驗(yàn)等手段來確定其設(shè)計(jì)壓力（或者是最高允許工作壓力）。

表1給出了世界7個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)（或規(guī)范）對壓力容器、制冷系統(tǒng)部件爆裂試驗(yàn)或型式許可試驗(yàn)壓力的有關(guān)規(guī)定［11～16］。

表1 世界主要國家標(biāo)準(zhǔn)（或規(guī)范）對爆裂試驗(yàn)或型式許可試驗(yàn)壓力的有關(guān)規(guī)定

從表1可以看出，前3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都采用了4倍的安全系數(shù)，GB150.1-2011附錄C完全采納ASME BPVC.Ⅷ.1-2015 有關(guān)條款內(nèi)容，這3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都沒有提及疲勞試驗(yàn)。EN13445-2014附錄T規(guī)定了基于試驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)要求，并規(guī)定了可以選擇爆裂試驗(yàn)、結(jié)合總體變形的爆裂試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)任何一種方法。對于釬焊板式換熱器，疲勞試驗(yàn)的循環(huán)次數(shù)為5500次，無法滿足制冷系統(tǒng)及熱泵的要求。UL207更適用于管殼式熱交換器這類管、殼程設(shè)計(jì)壓力不同、結(jié)構(gòu)不對稱的的換熱器，對于制冷用板式換熱器來說顯得復(fù)雜而且保守。而ISO5149更切合制冷系統(tǒng)的要求，并明確規(guī)定了結(jié)合疲勞試驗(yàn)的強(qiáng)度試驗(yàn)對單一許可強(qiáng)度試驗(yàn)的替代性。JB8701修訂時(shí)采用了ISO5149-1的規(guī)定，并將型式許可強(qiáng)度試驗(yàn)和型式試驗(yàn)區(qū)別開來，前者隸屬于設(shè)計(jì)部分，可以選擇單一許可強(qiáng)度試驗(yàn)或者結(jié)合疲勞試驗(yàn)的強(qiáng)度試驗(yàn)，其目的是確定設(shè)計(jì)壓力；但在型式試驗(yàn)中必須完成爆裂試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)，只是疲勞試驗(yàn)的方法寫在了設(shè)計(jì)部分。

4 釬焊板式換熱器的釬焊工藝評定

4.1 釬焊板式換熱器的焊接接頭的型式與特點(diǎn)

在JB8701-1998第7.3.1.3中規(guī)定“按評定合格后的釬焊工藝選擇釬焊程序，釬焊工藝由制造單位自行評定”，而衡量釬焊工藝的最終評價(jià)指標(biāo)是產(chǎn)品是否通過爆裂試驗(yàn)，過程控制的作用未得到明顯發(fā)揮。因此，標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí)對釬焊工藝進(jìn)行了細(xì)致的研究：

（1）研究對比了ASME BPVC第Ⅸ卷有關(guān)釬焊的內(nèi)容；

（2）對制冷用釬焊板式換熱器生產(chǎn)商進(jìn)行了調(diào)研；

（3）深入研究了釬焊板式換熱器的接頭型式。

釬焊板式換熱器存在2種接頭形式，一是板片之間的搭接接頭（如圖2所示），另一類是接管與板之間的搭接接頭（如圖3所示）

圖2 板片之間的搭接接頭

圖3 接管與板之間的搭接接頭

由于釬焊時(shí)釬料是以預(yù)置的形式和板片組成板片包以后進(jìn)入釬焊爐內(nèi)，實(shí)際并無主漫流發(fā)生，因此在采用ASME BPVC第Ⅸ卷有關(guān)釬焊內(nèi)容的過程中刪除了漫流位置作為釬焊重要因素這一條款［17］。

4.2 釬焊工藝評定的技術(shù)規(guī)定

標(biāo)準(zhǔn)附錄B規(guī)定了針對搭接接頭釬焊工藝評定的技術(shù)內(nèi)容。

評定釬焊工藝所應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)的試樣類型和數(shù)量見表2，并規(guī)定了拉伸試樣、剝離試樣、切片試樣的制備方法，在無法進(jìn)行剝離試驗(yàn)時(shí)可以用切片試驗(yàn)來代替。

表2 搭接接頭的拉伸試驗(yàn)和剝離試驗(yàn)

附錄B同時(shí)規(guī)定了合格標(biāo)準(zhǔn)和接受準(zhǔn)則，除拉伸試驗(yàn)應(yīng)滿足足夠的機(jī)械強(qiáng)度要求外，還規(guī)定了剝離試驗(yàn)和切片試驗(yàn)的合格標(biāo)準(zhǔn)。

剝離試驗(yàn)要求接頭分離后的搭接面要達(dá)到以下標(biāo)準(zhǔn)：

（1）缺陷總面積（未釬焊面等）不得超過任一搭接總面積的25%；

（2）在搭接方向上的任意一條直線上所測得的缺陷長度之和不得超過搭接長度的25%；

（3）任意兩處缺陷的邊緣不能貫通。

切片試驗(yàn)要求試樣的每個(gè)側(cè)面分別計(jì)算，各側(cè)面未釬焊區(qū)的總長度不得超過接頭搭接長度的20%（每個(gè)側(cè)面都要拋光，用至少放大四倍的放大鏡進(jìn)行檢查）。

釬焊板式換熱器的釬焊工藝評定是整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)向前推進(jìn)的一大步，使釬焊工藝的過程控制有了更科學(xué)的保證。

5 氣密性試驗(yàn)

板式換熱器的氣密性是其制造質(zhì)量的一個(gè)重要標(biāo)志，也決定了板式換熱器的內(nèi)存的制冷劑向外界的泄漏量。EC842-2006及ISO5149-2014規(guī)定為1/4最大允許壓力下，制冷劑的年泄漏量應(yīng)少于 3 g［18］。

JB8701-1998《制冷用板式換熱器》就分別對3種不可拆板式換熱器的泄漏率作了明確的規(guī)定，在這一點(diǎn)上具有很大的前瞻性。本次修訂時(shí)，結(jié)合國內(nèi)外生產(chǎn)廠家的實(shí)際情況對制冷板式換熱器使用不同制冷劑的泄漏率再一次進(jìn)行了研究。

5.1 年泄漏量的驗(yàn)算

本標(biāo)準(zhǔn)要求釬焊板式換熱器在絕對壓力0.1 MPa下采用純氦氣進(jìn)行泄漏檢測時(shí)的泄漏率不大于5.0×10-7Pa·m3/s。以R134a制冷劑為例，其體積泄漏率為：

式中 LVR134a—— 制冷劑R134a在0.1 MPa下的體積泄漏率，Pa·m3/s

LHe—— 純氦氣在0.1 MPa下的泄漏率，Pa·m3/s，LHe=5.0×10-7Pa·m3/s

MHe——氦氣的摩爾質(zhì)量，g/mol，MHe=4 g/mol

MR134a—— 制冷劑 R134a的摩爾質(zhì)量，g/mol，MR134a=102 g/mol

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得LVR134a=9.9×10-13Pa·m3/s。

因此，對應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許泄漏率，R134a的年泄漏量：

式中 QR134a—— 制冷劑R134a在0.1 MPa下的年泄漏量，g

也就是說，以2.0 MPa設(shè)計(jì)壓力的R134a制冷劑為例，在0.25倍設(shè)計(jì)壓力（即0.5 MPa）下，年泄漏量為0.71 g，遠(yuǎn)少于EC842及ISO5149規(guī)定的年泄漏量3 g。

表3列出了釬焊板式換熱器使用不同制冷介質(zhì)在不同壓力下運(yùn)行，以本標(biāo)準(zhǔn)在絕對壓力0.1MPa下采用純氦氣進(jìn)行泄漏試驗(yàn)的允許泄漏率（5.0×10-7Pa·m3/s）換算成的年泄漏量。

表3 標(biāo)準(zhǔn)允許泄漏率對應(yīng)的制冷介質(zhì)年泄漏量 g

對于不同制冷介質(zhì)的不同壓力工況，按照國外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的年允許泄漏量換算成純氦氣在0.1 MPa下的泄漏率見表4。

表4 不同制冷介質(zhì)在不同壓力下的泄漏率比較

隨著釬焊板式換熱器制造技術(shù)的進(jìn)步，其使用壓力與以往相比提高了很多，因而進(jìn)行泄漏檢測時(shí)的泄漏率指標(biāo)要求嚴(yán)格化非常有必要。與國際上其它標(biāo)準(zhǔn)（如ISO5149-2014、EC842-2006）相比，JB8701對泄漏率的控制指標(biāo)已走在世界的前列。

另外，標(biāo)準(zhǔn)允許采用其他壓力和純度的氦氣或者示蹤氣體作為泄漏檢測的試驗(yàn)介質(zhì)，只要其允許泄漏率換算成在絕對壓力0.1 MPa下采用純氦氣時(shí)的允許泄漏率符合要求即可。

6 熱工性能測試方法

JB8701-1998只規(guī)定了板式換熱器作為空調(diào)系統(tǒng)蒸發(fā)器使用的測試系統(tǒng)及測試工況，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了當(dāng)前的應(yīng)用需求［19］。

附錄D不僅給出了空調(diào)系統(tǒng)的冷凝器測試工況，也給出了作為熱泵用的冷凝器使用的大溫差測試工況；蒸發(fā)器測試工況1對原標(biāo)準(zhǔn)中的蒸發(fā)器測試工況進(jìn)行了一定的調(diào)整：進(jìn)出水溫度不變，閥前制冷劑液體溫度由30℃調(diào)整為35℃；同時(shí)根據(jù)企業(yè)實(shí)際使用情況，將蒸發(fā)溫度由2℃調(diào)整為4℃，過熱度為5℃。

標(biāo)準(zhǔn)還給出了一套板式換熱器作為冷凝器的測試系統(tǒng)原理圖和一套板式換熱器作為蒸發(fā)器的測試系統(tǒng)原理圖。

在冷凝器的測試系統(tǒng)中，被測試?yán)淠髋c制冷劑系統(tǒng)主冷凝器并聯(lián)，通過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)進(jìn)入被測試?yán)淠鞯闹评鋭┝髁?。對于名義測試工況，進(jìn)水溫度通過水箱溫度及三通調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。出水溫度通過調(diào)節(jié)水流量達(dá)到。入口制冷劑蒸氣溫度由壓縮機(jī)和換熱器（預(yù)冷或加熱）共同調(diào)節(jié)。入口制冷劑蒸氣壓力對應(yīng)的飽和溫度由入口制冷劑蒸汽壓力（壓縮機(jī)排氣壓力）決定，主要通過主回路主冷凝器水流量調(diào)節(jié)。出口制冷劑液體溫度由過冷器調(diào)節(jié)。

在蒸發(fā)器的測試系統(tǒng)中，被測試蒸發(fā)器與量熱器并聯(lián)，通過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)進(jìn)入被測試蒸發(fā)器的制冷劑流量。對于名義測試工況，進(jìn)水溫度通過水箱溫度及三通調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。出水溫度通過調(diào)節(jié)水流量達(dá)到。膨脹閥前制冷劑液體溫度由過冷器調(diào)節(jié)。出口制冷劑蒸氣壓力對應(yīng)的飽和溫度由出口制冷劑蒸汽壓力（吸氣壓力）決定，通過主回路調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。出口制冷劑蒸氣溫度通過被測試回路調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。

制冷用板式換熱器的熱工性能測試屬于板式換熱器的型式試驗(yàn)。

7 結(jié)語

本文介紹了標(biāo)準(zhǔn)JB8701制冷用板式換熱器的修訂原因及依據(jù)：

（1）適應(yīng)技術(shù)的發(fā)展修訂了板式換熱器的適用范圍、制冷劑種類及分組；

（2）采用了基于驗(yàn)證性試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法，將型式許可強(qiáng)度試驗(yàn)和型式試驗(yàn)區(qū)別開來；同時(shí)規(guī)定了制冷系統(tǒng)安全要求的疲勞試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)；

（3）釬焊板式換熱器的釬焊工藝評定使整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)向前推進(jìn)了一大步，使釬焊工藝的過程控制有了更科學(xué)的保證，是繼激光焊工藝評定后的又一創(chuàng)新；

（4）JB8701對泄漏率的控制指標(biāo)已達(dá)到世界領(lǐng)先水平。標(biāo)準(zhǔn)對泄漏檢測的試驗(yàn)介質(zhì)的規(guī)定既具有科學(xué)性，又具有靈活性；

（5）規(guī)定了板式換熱器作為空調(diào)、熱泵系統(tǒng)冷凝器和蒸發(fā)器使用的測試系統(tǒng)及測試工況，滿足了行業(yè)的應(yīng)用需求。

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