板翅式換熱器的研究與應用進展

1、板翅式換熱器的研究與應用進展板翅式換熱器的研究與應用進展原作者：凌祥涂善東陸衛(wèi)權出處：【關鍵詞關鍵詞】板翅式換熱器研制應用發(fā)展趨勢【論文摘要論文摘要】簡述了板翅式換熱器在設計理論如表面特性及選擇、傳熱和流動分析、計算機輔助工程、結構設計等方面的研究成果。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、鈦和不銹鋼換熱器的釬焊工藝等方面的新進展和存在的問題。指出板翅式換熱器的技術發(fā)展趨勢是：耐高壓、高溫和耐腐蝕新材

2、料的應用，擴散熔合焊和超塑性成型等先進制造工藝的研究，多相流傳熱機理及基于CFD技術的設計新方法的研究等。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

3、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板翅式換熱器設計理論1.1.表面特性及選擇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

4、較大的矩形通道流道品質(zhì)（jf）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(zhì)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

5、翅片，Shah通過多種多孔翅片表面?zhèn)鳠?、壓降和流動特性試驗，提出了一些可供設計參考的結論?？傊晒┦褂玫亩喾N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（Computationalfluiddynamics，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(zhì)，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

6、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。3.3.計算機輔助工程（計算機輔助工程（CAECAE）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

7、算機輔助工程技術（ComputerAidedEngineering）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

8、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

9、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。4.4.結構設計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(cè)或在最外側(cè)布置1～2層以改善其

10、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(zhì)量和使用壽命。板翅式換熱器制造工藝進展板翅式換熱器制造工藝進展1.1.真空釬焊工藝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

11、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1200mm1200mm6000mm，最高設計壓力可達8.0MPa，流體股數(shù)最多達12股。2.2.高熱流密度的換熱表面技術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5650m2m3