凌　祥　涂善東
摘要　簡(jiǎn)述了板翅式換熱器在設(shè)計(jì)理論如表面特性及選擇、傳熱和流動(dòng)分析、計(jì)算機(jī)輔助工程、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的研究成果。分析討論了板翅式換熱器在制造工藝如真空釬焊工藝、高熱流密度的換熱表面技術(shù)、鈦和不銹鋼換熱器的釬焊工藝等方面的新進(jìn)展和存在的問(wèn)題。指出板翅式換熱器的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是:
耐高壓、高溫和耐腐蝕新材料的應(yīng)用, 擴(kuò)散熔合焊和超塑性成型等*制造工藝的研究, 多相流傳熱機(jī)理及基于CFD 技術(shù)的設(shè)計(jì)新方法的研究等。
主題詞　板翅式換熱器　研制　應(yīng)用　發(fā)展趨勢(shì)
早在1930 年英國(guó)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(dòng)機(jī)散熱用板翅式換熱器。經(jīng)過(guò)70 年的發(fā)展, 目前板翅式換熱器作為一種、緊湊、輕巧的的換熱設(shè)備,
已在石油化工、航空航天、電子、原子能、武器工業(yè)、冶金、動(dòng)力工程和機(jī)械等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)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(jì)效益。近年來(lái),
板翅式換熱器的設(shè)計(jì)理論、試驗(yàn)研究、制造工藝、開(kāi)拓應(yīng)用的研究方興未艾, 特別是一些新技術(shù)的滲透, 使其應(yīng)用范圍更加廣泛, 進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期。
板翅式換熱器設(shè)計(jì)理論
1. 表面特性及選擇
板翅式換熱器中的傳熱過(guò)程主要是通過(guò)翅片來(lái)完成的。美國(guó)斯坦福大學(xué)的Kays 和London 等人對(duì)緊湊表面進(jìn)行了較系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究, 總結(jié)出40 多種翅片形狀的板翅式換熱器傳熱和阻力關(guān)聯(lián)式。Shah
對(duì)平直翅片的研究表明, 寬高比較大的矩形通道流道品質(zhì)（ j/ f ） 優(yōu)于三角形（ 正弦形） 通道。Joshi 和Webb 對(duì)鋸齒翅片的表面特性進(jìn)行了研究,提出了一系列關(guān)聯(lián)式。鋸齒翅片傳熱特性隨切開(kāi)長(zhǎng)度而變化[1
] , 切開(kāi)長(zhǎng)度越短, 傳熱性能越好, 但壓降也增加。Goldstein 和Sparrow 應(yīng)用傳質(zhì)模擬方法對(duì)波紋翅片進(jìn)行了試驗(yàn)研究, 發(fā)現(xiàn)對(duì)低Re 層流（25
% , Re = 1000） ,波紋翅片引起傳熱強(qiáng)化很少,而對(duì)低Re 湍流具有明顯的強(qiáng)化效果（200 % , Re =600～800） 。多孔翅片亦屬于翅片,
Shah 通過(guò)多種多孔翅片表面?zhèn)鳠?、壓降和流?dòng)特性試驗(yàn), 提出了一些可供設(shè)計(jì)參考的結(jié)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(shè)計(jì)計(jì)算使用的擬合關(guān)聯(lián)式卻很有限。因此, 應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)（Computationalfluid
dynamics ,簡(jiǎn)稱CFD） 、流動(dòng)可視化技術(shù)和模擬測(cè)試來(lái)研究翅片流動(dòng)和傳熱的本質(zhì), 并建立j 因子和f 因子數(shù)據(jù)庫(kù)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(lái)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(cè),
在給定壓降時(shí), 根據(jù)zui小迎風(fēng)面和zui小換熱面積（或體積） 來(lái)選擇*表面。
2. 傳熱和流動(dòng)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(jì)算, 作了一些理想化的假設(shè), 這些假設(shè)條件有時(shí)會(huì)對(duì)換熱器的設(shè)計(jì)產(chǎn)生顯著影響,
因此必須考慮進(jìn)行修正。如傳熱計(jì)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(jì)算物性[2 ] 。但若流體物性變化很大, 則應(yīng)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(duì)j 和f的影響有時(shí)也需考慮, 如j 和f 試驗(yàn)數(shù)據(jù)通常在常溫下獲得, 用于高溫下時(shí)就要修正, 文獻(xiàn)[ 2 ]應(yīng)用物性比法計(jì)入了流體物性隨溫度變化對(duì)j
或Ntu 和f 的影響。
物流不均勻會(huì)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(jiǎn)單的總管分配不均勻性分析可通過(guò)解析方法完成, 如兩股流板翅式換熱器[3
] 。復(fù)雜的只有通過(guò)數(shù)值計(jì)算方法來(lái)分析傳熱過(guò)程, 如Chiou 研究了兩種情況下流量分配不均勻性對(duì)單程錯(cuò)流換熱器熱工性能的影響。對(duì)通道間物流分配不均勻的研究,
London 采用單通道模型對(duì)低Re 層流狀態(tài)下的情況進(jìn)行了理論分析。后來(lái)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(duì)多股流多通道換熱器性能影響進(jìn)行了研究。對(duì)于兩相流問(wèn)題,
不均勻分配問(wèn)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(yán)重偏離設(shè)計(jì)工況。綜觀國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究, 較多是定性的, 離設(shè)計(jì)應(yīng)用仍有很大距離,
因此物流不均勻性問(wèn)題仍是中外學(xué)者研究的一個(gè)重要方向。
多股流板翅式換熱器目前研究的重點(diǎn)在通道分配及通道排列問(wèn)題上, 對(duì)于這方面的研究還不充分, 從來(lái)沒(méi)有形成一個(gè)較為一致的原則來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)通道分配及通道排列。因此,
對(duì)多股流換熱的物理模型和計(jì)算方法等還有待于進(jìn)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(duì)于單相流的傳熱和流動(dòng), 兩相流傳熱機(jī)理研究還很不夠, 目前公開(kāi)發(fā)表的關(guān)于板翅式表面在相變和兩相流方面的文獻(xiàn)還較多局限于空分設(shè)備領(lǐng)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(wú)法提供用于設(shè)計(jì)的通用綜合關(guān)系式, 也不能提供對(duì)圓管公式的修正方法。
從上面評(píng)述的幾個(gè)問(wèn)題不難看出, 板翅式換熱器內(nèi)流體流動(dòng)與傳熱規(guī)律是十分復(fù)雜的, 僅掌握經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式并不能zui終達(dá)到開(kāi)發(fā)新的傳熱表面和設(shè)計(jì)的目的。解決上述問(wèn)題,
*通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究雖然可行, 但費(fèi)用高, 周期長(zhǎng)。因此, 近年來(lái)國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)加強(qiáng)了設(shè)計(jì)制造方法學(xué)的研究, 提出通過(guò)“數(shù)值試驗(yàn)”———計(jì)算流體力學(xué)（CFD） 模擬計(jì)算,
來(lái)評(píng)價(jià)、選擇和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案, 從而大幅度地減少實(shí)驗(yàn)室和實(shí)體試驗(yàn)研究工作量。
應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)進(jìn)行換熱器模擬zui早由Patankar 在1972 年提出。80 年代核電廠換熱設(shè)備向大型化、高參數(shù)化的發(fā)展, 促進(jìn)了這方面的研究,多種通用的大型計(jì)算軟件,
如CFD2000、PHOEN2ICS 等已經(jīng)商品化, 使復(fù)雜的流場(chǎng)分析得以實(shí)現(xiàn)。
國(guó)外利用PHOENICS 和FLOW3D 等大型通用流場(chǎng)軟件在模擬蒸汽發(fā)生器、冷卻塔及電站冷凝器方面進(jìn)行了一些分析工作; 國(guó)內(nèi)鄭州工業(yè)大學(xué)[10 ] 用PHOENICS
對(duì)管殼式換熱器流場(chǎng)進(jìn)行模擬研究, 也取得了階段性成果。應(yīng)用CFD 研究板翅式換熱器雖然還少有人問(wèn)津, 但筆者認(rèn)為, 應(yīng)用CFD 分析揭示板翅式換熱器傳熱機(jī)理和進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)將是今后研究的重點(diǎn)內(nèi)容,
考慮到我國(guó)板翅式換熱器開(kāi)發(fā)和試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)還相對(duì)缺乏的具體情況, CFD 的應(yīng)用研究更具有特別重要意義。
3. 計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）
由于板翅式換熱器的設(shè)計(jì)公式較為復(fù)雜, 通道設(shè)計(jì)十分困難, 手算過(guò)程十分費(fèi)時(shí)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(jiǎn)化計(jì)算, 因此板翅式換熱器經(jīng)常棄置不用,
工程技術(shù)人員通常選用低效但相對(duì)簡(jiǎn)單的管殼式換熱器來(lái)取代[11 ] 。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)（ComputerAided Engineering） 的發(fā)展,應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對(duì)換熱器穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)進(jìn)行性能模擬已成為可能,
這將解決多年來(lái)一直困擾設(shè)計(jì)人員的手工熱力計(jì)算的難題。
Shah 首先對(duì)緊湊式換熱器的計(jì)算機(jī)輔助熱工計(jì)算進(jìn)行了討論。英國(guó)傳熱服務(wù)公司（HTFS） 、美國(guó)ALTEC 公司和SW 公司等都曾推出商業(yè)軟件。國(guó)內(nèi),
筆者于1995 年正式推出了板翅式換熱器的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（ PFECAD） 軟件包[12 ] ,部分廠家的使用結(jié)果表明, 可提高設(shè)計(jì)效率8～10 倍, 大大減少了過(guò)去設(shè)計(jì)、繪圖文件生成中的人為錯(cuò)誤,
使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期大為縮短。與國(guó)外軟件相比, 除了熱工計(jì)算外, 國(guó)內(nèi)還具有物性計(jì)算模塊和用C 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的基于AutoCAD 系統(tǒng)計(jì)算機(jī)繪圖模塊。
一個(gè)高水平的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)程序還應(yīng)兼?zhèn)鋬?yōu)化程序, Shah 等詳細(xì)討論了各種優(yōu)化技術(shù), 并闡述了實(shí)現(xiàn)換熱器設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法。到目前為止, 即使有了計(jì)算機(jī)程序,
換熱器設(shè)計(jì)仍然是一門(mén)藝術(shù),當(dāng)不能滿足所有約束條件時(shí), 或當(dāng)發(fā)現(xiàn)優(yōu)化解對(duì)有關(guān)變量的敏感性時(shí), 設(shè)計(jì)者必須依靠經(jīng)驗(yàn)作出決策, 因此今后還必須加強(qiáng)人工智能化的優(yōu)化技術(shù)研究。
4. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
交變載荷下工作的板翅式換熱器, 會(huì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須考慮。目前板翅式換熱器動(dòng)態(tài)特性的研究仍是空白, 文獻(xiàn)[13
]獲得的一些定性結(jié)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(cuò)列接縫等措施來(lái)防止隔板因疲勞產(chǎn)生裂紋, 同時(shí)將承受交變載荷的流道不布置在zui外側(cè)或在zui外側(cè)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(kāi)焊接坡口和焊加強(qiáng)板等措施來(lái)減小壓力, 提高產(chǎn)品制造質(zhì)量和使用壽命。
板翅式換熱器制造工藝進(jìn)展
1. 真空釬焊工藝
真空釬焊工藝已被世界各國(guó)的板翅式換熱器生產(chǎn)廠家所接受, 并已取代了原來(lái)的鹽浴浸漬老工藝。目前世界上真空釬焊設(shè)備的主要供應(yīng)商是英國(guó)康薩克（CONSARC）
公司、日本真空技術(shù)株式會(huì)社、美國(guó)伊普森（ IPSEN） 公司以及國(guó)內(nèi)的蘭州真空設(shè)備廠, 他們的產(chǎn)品性能比較可參見(jiàn)文獻(xiàn)[13 ,14 ] 。我國(guó)板翅式換熱器真空釬焊工藝應(yīng)用時(shí)間雖短,但發(fā)展迅速[13
,15] ,目前應(yīng)用大型真空釬焊爐生產(chǎn)的zui大工件尺寸已達(dá)1200mm ×1200mm ×6000mm , zui高設(shè)計(jì)壓力可達(dá)8.0MPa ,流體股數(shù)zui多達(dá)12
股。
2. 高熱流密度的換熱表面技術(shù)
目前對(duì)于高熱流密度的換熱表面的開(kāi)發(fā)研究也很活躍,美國(guó)空氣研究公司報(bào)道,已開(kāi)發(fā)出一種錯(cuò)位片條翅片,其翅片密度為1451 片/ m ,傳熱面積率β高達(dá)5650m2/
m3 。美國(guó)3M 公司已有緊密度為4000～8600 片/ m 的翅片,水力直徑Dh 僅為0.1mm ,并曾在試驗(yàn)中獲得2MW/ m2 的熱流密度。德國(guó)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(kāi)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(guó)外文獻(xiàn)報(bào)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(dá)到850 ℃及1410MPa 。不銹鋼板翅式換熱器zui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(wèn)題需要解決, 如不銹鋼熱膨脹系數(shù)大, 導(dǎo)熱系數(shù)低, 容易因熱應(yīng)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(duì)釬焊前的處理要求非常高,
對(duì)表面異物敏感性高。鈦板翅式換熱器的制造工藝研究國(guó)內(nèi)剛剛起步, 蘇云海曾應(yīng)用銀基釬料對(duì)鈦合金板翅式換熱器的釬焊工藝進(jìn)行了探索[19 ] 。
板翅式換熱器的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
當(dāng)前, 上對(duì)板翅式換熱器的研究正在不斷深入, 主要集中在以下幾個(gè)方面。
1. 耐高壓、高溫和耐腐蝕的新型板翅式換熱器開(kāi)發(fā)
雖然板翅式換熱器的優(yōu)點(diǎn)已得到*, 但人們始終沒(méi)有放棄對(duì)適應(yīng)性更廣, 特別是能耐更高壓力、耐高溫和耐腐蝕、不易結(jié)垢的新型板翅式換熱器的追求。日本仲摩信人的試驗(yàn)[20
]表明, 用鋁碳釬維復(fù)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(xué)開(kāi)發(fā)的石墨改性碳纖維增強(qiáng)聚四氟乙烯板翅式換熱器, 具有*的抗腐蝕和抗結(jié)垢能力,
可以用于石油化工領(lǐng)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(dǎo)等工業(yè)的要求, 各種微型板翅式換熱器的研制與改進(jìn)正方興未艾[21
] 。
2. 真空釬焊工藝的推廣和改進(jìn)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(jìn)一步完善和改進(jìn)。采用釬焊技術(shù)制造板翅式換熱器,很難大幅度提高其耐壓能力。擴(kuò)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(guó)洛爾斯-
羅伊思公司采用超塑性成型和擴(kuò)散熔合的技術(shù)生產(chǎn)出一種可在35MPa 下運(yùn)行的鈦板翅式換熱器。英國(guó)馬爾斯頓公司研究應(yīng)用擴(kuò)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(shù)的傳熱、流動(dòng)及防結(jié)垢研究
關(guān)于傳熱、流動(dòng)及防結(jié)垢的研究主要有以下幾個(gè)方面。
（1） 傳熱、壓降系數(shù)及有關(guān)關(guān)聯(lián)式　目前這些系數(shù)和關(guān)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(guān)聯(lián)式, 對(duì)于傳熱單元數(shù)NTU 較大的情況,
試驗(yàn)技術(shù)有較大的誤差, 有待于改進(jìn), 翅片與隔板聯(lián)接的熱阻及其對(duì)整個(gè)傳熱過(guò)程的影響也需要更進(jìn)一步研究。
（2） 傳熱機(jī)理和各種傳熱表面的數(shù)值解　由于僅僅掌握經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式并不能zui終解決開(kāi)發(fā)新的傳熱表面、強(qiáng)化傳熱和設(shè)計(jì)等問(wèn)題, 研究工作者越來(lái)越多地把精力投入到應(yīng)用CFD
技術(shù)求傳熱與流動(dòng)的數(shù)值解方面, 以期建立模擬傳熱和流動(dòng)的數(shù)值模型, 并通過(guò)計(jì)算來(lái)預(yù)測(cè)新型表面的傳熱及阻力系數(shù)及其關(guān)系。
（3） 伴有相變及兩相流的傳熱及流動(dòng)[22 ] 　相對(duì)于單相流的傳熱與流動(dòng), 這一方面的研究顯得很薄弱, 今后仍是重點(diǎn)研究的一個(gè)領(lǐng)域。
（4） 防結(jié)垢問(wèn)題　氣側(cè)結(jié)垢一般并不十分嚴(yán)重, 但是傳熱面緊湊程度越高, 其水力直徑Dh 越小, 垢層對(duì)流道截面減小的影響就越大, 因而這一問(wèn)題仍然是工業(yè)界zui為關(guān)心的問(wèn)題之一。
（5） 其它問(wèn)題　物性變化的影響、表面選擇方法、如何從結(jié)構(gòu)上保證流體均布、流道如何合理布置以及縱向?qū)嵊绊懙榷喾矫娴膯?wèn)題在設(shè)計(jì)中一直未*解決, 仍然有待進(jìn)一步研究。
4. 計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)的應(yīng)用
CAE 研究將集中在計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)參數(shù)化繪圖、計(jì)算機(jī)快速創(chuàng)型和快速報(bào)價(jià)系統(tǒng)等幾方面。
5. 應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步拓寬
在化學(xué)工業(yè)中, 利用板翅式換熱器作為反應(yīng)器的研究已進(jìn)行多年, 使板翅式換熱器除了起換熱作用外, 還同時(shí)完成其它功能如傳熱反應(yīng)等一直是工業(yè)界關(guān)心的問(wèn)題。在核能、宇航、超導(dǎo)等技術(shù)中應(yīng)用板翅式換熱器還遇到不少問(wèn)題。隨著板翅式換熱器技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展與完善,
可以預(yù)期其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嗤貙挕?