板翅式換熱器的研究與應用進展

早在1930年英國馬爾斯頓*艾克歇爾瑟公司就用銅合金浸漬釬焊方法制成航空發(fā)動機散熱用板翅式換熱器。經(jīng)過70年的發(fā)展，目前板翅式換熱器作為一種高效、緊湊、輕巧的的換熱設備，已在石油化工、航空航天、電子、原子能、武器工業(yè)、冶金、動力工程和機械等領域得到廣泛應用，并在利用熱能、回收余熱、節(jié)約原料、降低成本以及一些特殊用途上取得了顯著的經(jīng)濟效益。近年來，板翅式換熱器的設計理論、試驗研究、制造工藝、開拓應用的研究方興未艾，特別是一些新技術的滲透，使其應用范圍更加廣泛，進入了一個新的發(fā)展時期。

　　板翅式換熱器設計理論

　　1.表面特性及選擇
　　板翅式換熱器中的傳熱過程主要是通過翅片來完成的。美國斯坦福大學的Kays和London等人對緊湊表面進行了較系統(tǒng)的實驗研究，總結出40多種翅片形狀的板翅式換熱器傳熱和阻力關聯(lián)式。Shah對平直翅片的研究表明，寬高比較大的矩形通道流道品質（j/f）優(yōu)于三角形（正弦形）通道。Joshi和Webb對鋸齒翅片的表面特性進行了研究，提出了一系列關聯(lián)式。鋸齒翅片傳熱特性隨切開長度而變化^［1］，切開長度越短，傳熱性能越好，但壓降也增加。Goldstein 和Sparrow應用傳質模擬方法對波紋翅片進行了試驗研究，發(fā)現(xiàn)對低Re層流(25%, Re=1000)，波紋翅片引起傳熱強化很少，而對低Re湍流具有明顯的強化效果（200%，Re=600～800）。多孔翅片亦屬于高效翅片，Shah通過多種多孔翅片表面?zhèn)鳠帷航岛土鲃犹匦栽囼?，提出了一些可供設計參考的結論。
　　總之，可供使用的多種翅形j因子和f因子數(shù)據(jù)已有不少，但可供設計計算使用的擬合關聯(lián)式卻很有限。因此，應用計算流體力學（Computational fluid dynamics，簡稱CFD）、流動可視化技術和模擬測試來研究翅片流動和傳熱的本質，并建立j因子和f因子數(shù)據(jù)庫將是今后十分重要的工作。
　　表面選擇一般可從定性分析和定量分析來考慮，定量分析方法基本上可分為篩法和性能比較法，性能比較法適用于管翅式換熱器，而篩法則用于板翅式換熱器。篩法每次只考慮流體一側，在給定壓降時，根據(jù)最小迎風面和最小換熱面積（或體積）來選擇最佳表面。
　　2.傳熱和流動分析
　　板翅式換熱器傳熱分析一般采用傳熱單元數(shù)法（ε-Ntu），該法為便于手工計算，作了一些理想化的假設，這些假設條件有時會對換熱器的設計產(chǎn)生顯著影響，因此必須考慮進行修正。如傳熱計算中確定流體物性的單一溫度值，在冷端溫降不是很大的情況下，可用平均溫度計算物性^［2］。但若流體物性變化很大，則應將換熱器按能量平衡分成幾部分，假定各部分內(nèi)的物性為一常數(shù)。溫度對j和f的影響有時也需考慮，如 j和f試驗數(shù)據(jù)通常在常溫下獲得，用于高溫下時就要修正，文獻［2］應用物性比法計入了流體物性隨溫度變化對j或Ntu和f的影響。
　　物流不均勻會引起板翅式換熱器性能顯著下降，特別是Ntu大的板翅式換熱器尤甚。簡單的總管分配不均勻性分析可通過解析方法完成，如兩股流板翅式換熱器^［3］。復雜的只有通過數(shù)值計算方法來分析傳熱過程，如Chiou研究了兩種情況下流量分配不均勻性對單程錯流換熱器熱工性能的影響。對通道間物流分配不均勻的研究，London采用單通道模型對低Re層流狀態(tài)下的情況進行了理論分析。后來又將該理論分析推廣于N通道模型分析^［4］。Weimer等就不均勻流體分配對多股流多通道換熱器性能影響進行了研究。對于兩相流問題，不均勻分配問題顯得尤為突出^［5～7］，物流的不均勻分配使得板翅式換熱器嚴重偏離設計工況。綜觀國內(nèi)外學者的研究，較多是定性的，離設計應用仍有很大距離，因此物流不均勻性問題仍是中外學者研究的一個重要方向。
　　多股流板翅式換熱器目前研究的重點在通道分配及通道排列問題上，對于這方面的研究還不充分，從來沒有形成一個較為一致的原則來指導設計通道分配及通道排列。因此，對多股流換熱的物理模型和計算方法等還有待于進一步研究。
　　板翅式換熱器表面可以在沸騰與冷凝的工況下提供很大的換熱系數(shù)，但相對于單相流的傳熱和流動，兩相流傳熱機理研究還很不夠，目前公開發(fā)表的關于板翅式表面在相變和兩相流方面的文獻還較多局限于空分設備領域中^{［8，9］}。由于板翅式換熱器中沸騰和冷凝的性能數(shù)據(jù)非常有限，因此還無法提供用于設計的通用綜合關系式，也不能提供對圓管公式的修正方法。
　　從上面評述的幾個問題不難看出，板翅式換熱器內(nèi)流體流動與傳熱規(guī)律是十分復雜的，僅掌握經(jīng)驗關聯(lián)式并不能最終達到開發(fā)新的傳熱表面和精確設計的目的。解決上述問題，完全通過實驗研究雖然可行，但費用高，周期長。因此，近年來國內(nèi)外重點加強了設計制造方法學的研究，提出通過“數(shù)值試驗”——計算流體力學（CFD）模擬計算，來評價、選擇和優(yōu)化設計方案，從而大幅度地減少實驗室和實體試驗研究工作量。
　　應用計算流體力學進行換熱器模擬最早由Patankar在1972年提出。80年代核電廠換熱設備向大型化、高參數(shù)化的發(fā)展，促進了這方面的研究，多種通用的大型計算軟件，如CFD2000、PHOENICS等已經(jīng)商品化，使復雜的流場分析得以實現(xiàn)。國外利用PHOENICS和FLOW3D等大型通用流場軟件在模擬蒸汽發(fā)生器、冷卻塔及電站冷凝器方面進行了一些分析工作；國內(nèi)鄭州工業(yè)大學^［10］用PHOENICS對管殼式換熱器流場進行模擬研究，也取得了階段性成果。應用CFD研究板翅式換熱器雖然還少有人問津，但筆者認為，應用CFD分析揭示板翅式換熱器傳熱機理和進行優(yōu)化設計將是今后研究的重點內(nèi)容，考慮到我國板翅式換熱器開發(fā)和試驗經(jīng)費還相對缺乏的具體情況，CFD的應用研究更具有特別重要意義。
　　3.計算機輔助工程（CAE）
　　由于板翅式換熱器的設計公式較為復雜，通道設計十分困難，手算過程十分費時且易出現(xiàn)人為的誤差，另外還必須忽略許多二階量的影響以便簡化計算，因此板翅式換熱器經(jīng)常棄置不用，工程技術人員通常選用低效但相對簡單的管殼式換熱器來取代^［11］。近年來隨著計算機輔助工程技術（Computer Aided Engineering）的發(fā)展，應用計算機模擬技術對換熱器穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)進行性能模擬已成為可能，這將解決多年來一直困擾設計人員的手工熱力計算的難題。
　　Shah首先對緊湊式換熱器的計算機輔助熱工計算進行了討論。英國傳熱服務公司（HTFS）、美國ALTEC公司和SW公司等都曾推出專用商業(yè)軟件。國內(nèi)，筆者于1995年正式推出了板翅式換熱器的計算機輔助設計（PFECAD）軟件包^［12］，部分廠家的使用結果表明，可提高設計效率8～10倍，大大減少了過去設計、繪圖文件生成中的人為錯誤，使產(chǎn)品的設計周期大為縮短。與國外軟件相比，除了熱工計算外，國內(nèi)還具有物性計算模塊和用C語言開發(fā)的基于AutoCAD系統(tǒng)計算機繪圖模塊。
　　一個高水平的計算機輔助設計程序還應兼?zhèn)鋬?yōu)化程序，Shah等詳細討論了各種優(yōu)化技術，并闡述了實現(xiàn)換熱器設計優(yōu)化的方法。到目前為止，即使有了計算機程序，換熱器設計仍然是一門藝術，當不能滿足所有約束條件時，或當發(fā)現(xiàn)優(yōu)化解對有關變量的敏感性時，設計者必須依靠經(jīng)驗作出決策，因此今后還必須加強人工智能化的優(yōu)化技術研究。
　　4.結構設計
　　交變載荷下工作的板翅式換熱器，會因疲勞而使隔板產(chǎn)生裂紋，發(fā)生泄漏，因此疲勞破壞在結構設計中必須考慮。目前板翅式換熱器動態(tài)特性的研究仍是空白，文獻［13］獲得的一些定性結論是：控制翅片與翅片、封條間疊裝間隙，在相鄰流道間采用翅片斷面錯列接縫等措施來防止隔板因疲勞產(chǎn)生裂紋，同時將承受交變載荷的流道不布置在最外側或在最外側布置1～2層以改善其受力狀況。另外，還采取將封頭和板束焊接加襯圈、開焊接坡口和焊加強板等措施來減小壓力，提高產(chǎn)品制造質量和使用壽命。

板翅式換熱器制造工藝進展

　　1.真空釬焊工藝
　　真空釬焊工藝已被世界各國的板翅式換熱器生產(chǎn)廠家所接受，并已取代了原來的鹽浴浸漬老工藝。目前世界上真空釬焊設備的主要供應商是英國康薩克（CONSARC）公司、日本真空技術株式會社、美國伊普森（IPSEN）公司以及國內(nèi)的蘭州真空設備廠，他們的產(chǎn)品性能比較可參見文獻［13，14］。我國板翅式換熱器真空釬焊工藝應用時間雖短，但發(fā)展迅速^{［13，15］}，目前應用大型真空釬焊爐生產(chǎn)的最大工件尺寸已達1200mm×1200mm×6000mm，最高設計壓力可達8.0MPa，流體股數(shù)最多達12股。
　　2.高熱流密度的換熱表面技術
　　目前對于高熱流密度的換熱表面的開發(fā)研究也很活躍，美國空氣研究公司報道，已開發(fā)出一種錯位片條翅片，其翅片密度為1451片/m，傳熱面積率β高達5650m²/m³。美國3M公司已有緊密度為4000～8600片/m的翅片，水力直徑D_h僅為0.1mm，并曾在試驗中獲得2MW/m²的熱流密度。德國卡而斯魯厄核研究中心與梅塞德斯密特-布爾柯-布洛姆（MBB）公司也宣稱開發(fā)出β=15000 m²/m³的微型換熱器。
　　3.鈦和不銹鋼板翅式換熱器釬焊工藝
　　據(jù)國外文獻報道，現(xiàn)在不銹鋼板翅式換熱器產(chǎn)品的耐溫和耐壓極限已達到850℃及14.0MPa。不銹鋼板翅式換熱器最常用的釬料^［16］是鎳基釬料，其次是銅基、銀基和錳基釬料，其中只有采用鎳基釬料才能使產(chǎn)品既耐高溫又耐腐蝕。采用真空釬焊的不銹鋼主要是奧氏體^［17］、鐵素體和馬氏體^［18］不銹鋼。目前鎳基釬料釬焊不銹鋼的工藝還不成熟，特別是大型不銹鋼板翅式換熱器，還有許多問題需要解決，如不銹鋼熱膨脹系數(shù)大，導熱系數(shù)低，容易因熱應力產(chǎn)生裂紋，易產(chǎn)生脆性極大的σ相和發(fā)生晶間貧鉻等。另外，不銹鋼板翅式換熱器對釬焊前的處理要求非常高，對表面異物敏感性高。鈦板翅式換熱器的制造工藝研究國內(nèi)剛剛起步，蘇云海曾應用銀基釬料對鈦合金板翅式換熱器的釬焊工藝進行了探索^［19］。

板翅式換熱器的技術發(fā)展趨勢

　　當前，國際上對板翅式換熱器的研究正在不斷深入，主要集中在以下幾個方面。
　　1.耐高壓、高溫和耐腐蝕的新型板翅式換熱器開發(fā)
　　雖然板翅式換熱器的優(yōu)點已得到公認，但人們始終沒有放棄對適應性更廣，特別是能耐更高壓力、耐高溫和耐腐蝕、不易結垢的新型板翅式換熱器的追求。日本仲摩信人的試驗^［20］表明，用鋁碳釬維復合材料制成板翅式換熱器可以承受35MPa的壓力。南京化工大學開發(fā)的石墨改性碳纖維增強聚四氟乙烯板翅式換熱器，具有極強的抗腐蝕和抗結垢能力，可以用于石油化工領域的許多惡劣工況條件下。由特殊陶瓷材料制成的板翅式換熱器，可耐1000℃以上高溫。由于航天、電子及超導等工業(yè)的要求，各種微型板翅式換熱器的研制與改進正方興未艾^［21］。
　　2.真空釬焊工藝的推廣和改進以及新制造工藝的研究
　　鋁板翅式換熱器的真空釬焊工藝已經(jīng)成熟，但鈦和不銹鋼板翅式換熱器真空釬焊工藝還有待進一步完善和改進。采用釬焊技術制造板翅式換熱器，很難大幅度提高其耐壓能力。擴散熔合焊為大幅度提高板翅式換熱器的耐壓能力提供新的途徑。英國洛爾斯-羅伊思公司采用超塑性成型和擴散熔合的技術生產(chǎn)出一種可在35MPa下運行的鈦板翅式換熱器。英國馬爾斯頓公司研究應用擴散焊法（激光焊和電子束焊）生產(chǎn)不銹鋼板翅式換熱器。
　　3.基于CFD技術的傳熱、流動及防結垢研究
　　關于傳熱、流動及防結垢的研究主要有以下幾個方面。
　　(1)傳熱、壓降系數(shù)及有關關聯(lián)式　目前這些系數(shù)和關聯(lián)式還不齊備，有許多工業(yè)上用的傳熱表面的數(shù)據(jù)不全或缺少可用的關聯(lián)式，對于傳熱單元數(shù)NTU較大的情況，試驗技術有較大的誤差，有待于改進，翅片與隔板聯(lián)接的熱阻及其對整個傳熱過程的影響也需要更進一步研究。
　　(2)傳熱機理和各種傳熱表面的數(shù)值解　由于僅僅掌握經(jīng)驗關系式并不能最終解決開發(fā)新的傳熱表面、強化傳熱和精確設計等問題，研究工作者越來越多地把精力投入到應用CFD技術求傳熱與流動的數(shù)值解方面，以期建立模擬傳熱和流動的數(shù)值模型，并通過計算來預測新型表面的傳熱及阻力系數(shù)及其關系。
　　(3)伴有相變及兩相流的傳熱及流動^［22］　相對于單相流的傳熱與流動，這一方面的研究顯得很薄弱，今后仍是重點研究的一個領域。
　　(4)防結垢問題　氣側結垢一般并不十分嚴重，但是傳熱面緊湊程度越高，其水力直徑D_h越小，垢層對流道截面減小的影響就越大，因而這一問題仍然是工業(yè)界最為關心的問題之一。
　　(5)其它問題　物性變化的影響、表面選擇方法、如何從結構上保證流體均布、流道如何合理布置以及縱向導熱影響等多方面的問題在設計中一直未徹底解決，仍然有待進一步研究。
　　4.計算機輔助工程（CAE）技術的應用
　　CAE研究將集中在計算機優(yōu)化設計、計算機參數(shù)化繪圖、計算機快速創(chuàng)型和快速報價系統(tǒng)等幾方面。
　　5.應用領域的進一步拓寬
　　在化學工業(yè)中，利用板翅式換熱器作為反應器的研究已進行多年，使板翅式換熱器除了起換熱作用外，還同時完成其它功能如傳熱反應等一直是工業(yè)界關心的問題。在核能、宇航、超導等尖端技術中應用板翅式換熱器還遇到不少問題。隨著板翅式換熱器技術的進一步發(fā)展與完善，可以預期其應用領域將不斷拓寬。