板翅式换热器的技术进展

板翅式换热器的技术进展

陈泳华

佛山神威热交换器有限公司528000

摘要：阐述了板翅式换热器在设计理论方面的进展，包括表面传热分析、流动阻力、表面选择、优化设计、计算机辅助设计等。分析讨论了板翅式换热器在制造工艺方面如真空钎焊工艺、不锈钢制和钛制及耐热高合金换热器钎焊工艺、扩散焊工艺的研究进展与存在问题。指出了板翅式换热器在真空钎焊技术和新材料开发方面的前景与方向。

关键词：板翅式换热器；应用；钎焊；传热

1.板翅式换热器的简述

板翅式换热器具有结构紧凑、传热效率高等特点，与传统的管壳式换热器相比，其传热效率提高20%～30%，成本可降低50%，现已广泛应用于石油化工、航空航天、电子、原子能和机械等领域。目前板翅式换热器的制造材料主要使用铝合金，因此存在耐腐蚀性差、承压低等缺点。另外，板翅式换热器结构比较复杂，人工进行热力设计困难，特别是有相变、多股流体换热的情况，用手工进行精确热力设计计算几乎不可能。为了进一步拓宽其应用范围，近年来板翅式换热器的设计理论、试验研究、制造工艺及开拓应用的研究方兴未艾[1]，特别是一些新技术的渗透，使板翅式换热器的应用范围更加广泛。

2.板翅式换热器的发展进展

我国从20世纪60年代初期开始试制板翅式换热器，首先用于空分制氧，制成了第一套板翅式空分设备。近几年来，在产品结构、翅片规格、生产工艺和设计、科研方面都有较大发展，

可满足对流、错流、逆流、错逆流和多股流换热，可进行气-液、气-气、液-液间的冷却、冷凝和蒸发等换热过程，广泛用于空分装置、压缩气体冷却、石化产品生产、燃料电池、热回收、污染控制系统等领域。近年来，由于一些新技术和新理念的渗透，使得板翅式换热器在设计理论、制造工艺、模糊评价、开拓应用等方面有了进一步的发展。

3设计理论

板翅式换热器结构的复杂性增加了其流体流动和传热的复杂性，无疑使得板翅式换热器的理论设计更加困难。长期以来，翅片的结构形式、表面特性，j和f因子的选择和修正，通道的分配和排列以及通道间的物流分配，换热器内相变传热机理等都是板翅式换热器理论设计的难点。

3.1传热分析

板翅式换热器的主要特点是具有二次传热表面，即翅片。在传热工况下，隔板表面温度以及翅片沿高度方向的温度连续变化，板翅传热面上各部分的传热系数也不同，使传热计算十分困难。

3.2流动阻力

对于充分发展的流动，在层流区f与Re的乘积是由通道的几何形状确定的，而在湍流

区则是与通道壁面粗糙度相关。

板翅式换热器的流动阻力主要由芯体阻力ΔPcore、入口端阻力ΔPin和出口端阻力ΔPout三部分组成：

ΔPcore=G22ρin2ρinρout-1+4fLdeρinρm

ΔPin=G22ρin（1-σ2）+kcG22ρin

ΔPout=G22ρout（1-σ2）+kcG22ρout

其中，G为芯体中的质量流速，kg·m-2·s-1；ρ为流体密度，kg·m-3；σ为芯体中流体通道的自由流通面积与横截面积之比；kc为收缩阻力系数下标in、out、core分别表示入口端、出口端和芯体中。则板翅式换热器总的流动阻力为ΔP=ΔPcore+ΔPin+ΔPout。

3.3表面选择

不同型式的传热表面使得板翅式换热器具有不同的经济性和热工性。而传热表面特性、整个换热器的布置、工艺参数、流体特点、设计目标等则是正确选择传热表面的关键因素。

对于紧凑式换热器，表面选择的常用方法有：定性分析和定量分析。定性分析又可分为一

般定性分析和特定定性分析。一般定性分析是指根据不同用途选择换热器的类型，特定定性分析是指根据不同的要求选择翅片类型。定量分析方法基本上可分为筛法和性能比较法，性能比较法适用于管翅式换热器，而筛法则用于板翅式换热器。筛法每次只考虑流体一侧，在给定压降时，根据最小迎风面和最小换热面积（或体积）来选择最佳表面。根据筛法，板翅传热表面主要用于气-气换热器，可提供高达6000m2/m3的面积密度，其两侧的面积密度可独立变化，工作压力有限制且不宜用于有污垢和易堵的介质。

3.4优化设计

板翅式换热器的优化设计应在满足用户性能要求的前提下，具有最小的投资费用和匀装费用。优化设计包括翅型选择、空间尺度、流道布置、流体分布、温度场分布、纵向热传导等。其中，合理的流道布置对多股流换热器尤为重要。冷热流道可间隔布置或根据局部热平衡排列。所以，在设计中，以局部热平衡偏差、允许阻力值、流道计算长度偏差、主要技术经济指标为主要控制指标，进行流道排列分配，使设计更趋合理。

3.5计算机辅助设计

板翅式换热器结构的复杂性增加了其流体流动和传热的复杂性，无疑使得板翅式换热器的理论设计更加困难。长期以来，翅片的结构形式、表面特性，j和f因子的选择和修正，通道的分配和排列以及通道间的物流分配，换热器内相变传热机理等都是板翅式换热器理论设计的难点，应用理论推导不切实际，而试验研究费用太高、周期太长。计算机辅助工程技术的发展，使得应用计算流体力学对换热器进行模拟计算成为20世纪80年代以来换热器理论设计的主要方法，许多商业化的模拟计算软件被用来研究板翅式换热器的传热机理，进而进行优化设计。

3.6发展前景

经过几十年的生产实践以及新技术的逐步渗透，高、中、低各种压力等级、各种规格尺寸、各种翅片形式、各种材料的板翅式换热器已经可以生产并配套应用于空分设备、乙烯设备、合成氨等装置，动力工程、机械工程、航空航天等部门领域。

3.7真空钎焊技术研究

真空钎焊技术在工业生产上的应用时间不长，尚有很多技术问题有待于探索和深入研究，在产品外观和内在质量上，尤其在炉温控制、真空度、加热速率和夹具预紧力等真空钎焊工艺上，还有待提高和完善。对于不锈钢板翅式换热器的真空钎焊，目前还存在很多问题，尤其是对于空间尺寸较大的不锈钢板翅式换热器，容易发生泄漏或压塌。

3.8新型材料的开发研究

热交换的广泛性要求换热装置具有更广的适用范围。针对高温、高压、易腐蚀、易结垢等甚而恶劣的工况条件，具有相应对抗特性的不同材质的新型板翅式换热器相继问世，并广泛应用于各行各业。日本铝碳纤维复合材料制板翅式换热器可承压35MPa；我国开发的石墨改性碳纤维增强聚四氟乙烯板翅式换热器，具有极强的抗腐蚀和抗结垢能力；由特殊陶瓷材料制成的板翅式换热器，可耐1000℃以上高温。但是，现有材料的换热器只能满足某一项特殊要求，在整体性能方面较差，如改性聚四氟乙烯板翅式换热器强度较低、导热系数较低。综合性能较高的材料亟待开发研究。

参考文献：

[1]史美中，王中铮.热交换器原理与设计.南京：东南大学出版社，1996.

[2]王松汉.板翅式换热器.北京：化学工业出版社，1984.

[3]吴恩，周帼彦，涂善东.紧凑式换热器的性能比较及经济性分析.化工机械，2006，（6）.

[4]凌祥，柳雪华，涂善东.板翅式换热器CAD系统的开发.炼油设计，1997，27（6）：57-59.

[5]凌祥，陆卫权，涂善东.板翅式换热器的研究与应用进展[J].石油机械，1999，28（5）：54-58.

[6]屠恒悦.真空钎焊技术的应用.金属热处理，1998，（5）：21-23.

[7]涂善东，凌祥，黄健，等.非金属板翅式换热器制造工艺[P].中国专利：CN1276515A，2000.

[8]刘红，李文，张世航.马氏体不锈钢真空钎焊与真空热处理一体化工艺.沈阳工业学院学报，1999，18（2）：37-41.