板翅式换热器的技术进展

点击：2351 日期：[ 2014-04-26 21:53:33 ]

板翅式换热器的技术进展宋春元 (盐城纺织职业技术学院,江苏盐城　224005) 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;设计;制造;应用;钎焊;传热中图分类号：TQ051·5　　文献标识码：A　　文章编号：1003-6490(2008)04-0048-05 0　引　言 20世纪30年代,英国的马尔斯顿·艾克歇尔瑟(Marston Excelsior)公司首次开发出铜及铜合金制板翅式换热器,并将其用作航空发动机散热器。此后,各种金属材料的板翅式换热器相继出现在工程应用中,唯以铝合金材料为主。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。 1　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。 1·1　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,如两股流体作稳定流动时的传热性能可表示为流体出口温度或传热速率与4个操作条件及3个设计控制变量之间的关系。为使计算简便,工程上一般做些理想化的假设,将前述这些变量合理地归结为三个无量纲数ε、NTU和C*,应用能量守恒方程和传热速率方程进行求解,即运用ε-NTU(有效度-传热单元数)法[1]。但这些假设条件有时会对换热器的设计产生显著影响,因此必须考虑进行修正。如传热计算中确定流体物性的单一温度值,在冷端温降不是很大的情况下,可用平均温度计算物性[2]。但若流体物性变化很大,则应将换热器按能量平衡分成几部分,假定各部分内的物性为一常数。传热分析中常用的无量纲准数有两组:Nu、Re和Pr以及St、Pr和Re。研究表明,在湍流区域,Nu大致上与Pr1/3成正比,即St与Pr2/3成反比。据此, Colburn[3]提出j=St·Pr2/3,用以表征表面传热特性。一般地,表面的理论传热特性采用Nu-Re关系来表示而实验传热特性采用j-Re关系来表示比较方便。板翅式换热器传热表面的传热特性都是来自实验数据,且j与单侧NTU有直接的联系,所以采用j-Re函数关系来表示传热特性。但温度对j的影响有时也需考虑,如j试验数据通常在常温下获得,用于高温下时就要修正,文献[2]应用物性比法计人了流体物性随温度变化对j或NTU的影响。当流体在流动过程中有相变发生时,其传热分析的研究工作还很不够。综合有关资料,可根据文献[4-5]给出的一些关联式进行相应的计算。 1·2　流动阻力关于流动阻力的规律,一般由范宁摩擦系数f与Re的关联式给出。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: 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(相应取值参见文献[6]);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。 2·3　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。 Shah[7]于1978年曾经总结归纳了30种传热表面的选择方法。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6 000m2/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。在各种型式的翅片中,锯齿翅片的传热性能较好,波纹翅片和百叶窗翅片也不错,当两侧流体温差很小或要求换热器有效度很高时,可以优选这些翅片型式,但若平直翅片能满足要求,则优先选用平直翅片。在这方面主要由使用经验和成本来确定。 2·4　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。Shah[8]、吴恩[9]等人提出了用于紧凑式换热器优化设计的计算机程序包。它包括换热器设计程序及优化设计程序两大部分。必须强调指出,正确进行换热器设计计算是优化设计的前提。 2·5　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。南京化工大学综合了经验、试验和数值模拟的数据库,于1995年推出了板翅式换热器的计算机辅助设计(PFECAD)软件包[10],兼具了物性计算模块和计算机绘图模块,缩短了设计周期和提高了设计精度,使得板翅式换热器的理论设计进入一个新的发展平台。在此基础上,文献[9]中介绍的设计系统增加了经济性评价和优选模块,使得板翅式换热器的计算机辅助设计更加完善和智能。 3　制造工艺 3·1　真空钎焊工艺板翅式换热器的工业化生产始于在制造中采用钎焊工艺,而其整个技术进步的进程也是与钎焊工艺的不断进步紧密相关的。钎焊工艺的确定和钎焊中各工艺参数的严格控制是决定板翅式换热器质量和使用性能的关键因素。其中,盐浴浸渍钎焊和无熔剂真空钎焊是两种最主要的钎焊工艺。初始的盐浴浸渍钎焊工艺要求高、能耗大,因使用昂贵的碱金属或碱土金属与卤族元素组成的氯化物和氟化物金属钎剂,生产成本高,而且有严重的环境和大气污染。20世纪80年代以来,无熔剂真空钎焊以其适应性强、抗腐蚀、短周期、低能耗、低成本、无污染等优点而逐渐成为板翅式换热器最主要的生产工艺(其主要技术特性见表1)。铝合金作为最早的板翅式换热器制造材料,具有质轻强度高、导热性能良好、极好的耐低温性能、一定的耐腐蚀性能和较好的加工性能,其钎焊工艺也最成熟。目前可钎焊的最大铝板翅式换热器芯体尺寸为1·2m×1·2m×6m,最大承压8·0MPa,最多12股流。 3·2　不锈钢、钛板翅式换热器的钎焊工艺钎焊工艺不仅朝着纵向发展,横向也有很大的扩展。目前还开发了对不锈钢、钛合金等材质的钎焊工艺,且正逐渐趋于成熟。目前,对于不锈钢板翅式换热器产品的耐温和耐压极限已达到850℃及14·0MPa。不锈钢板翅式换热器最常用的钎料[12]是镍基钎料,其次是铜基、银基和锰基钎料,其中只有采用镍基钎料才能使产品既耐高温又耐腐蚀。采用真空钎焊的不锈钢主要是奥氏体[13]、铁素体和马氏体[14]不锈钢。南京工业大学[15]对镍基钎料钎焊不锈钢板翅式换热器的工艺进行了探索,经实验证明:选择镍基钎料钎焊不锈钢的最佳间隙为0·05~0·12mm,且尽可能均匀一致,以保证钎焊质量。组合件接头的装配间隙大小是影响钎焊焊缝致密性和接头强度的关键因素之一。间隙过小,阻碍钎料流入,不易形成大量焊适率良好的接头;间隙太大,毛细作用减弱,钎料填充困难,合金化作用减弱,导致接头力学性能较差。另外,不锈钢在钎焊中对表面异物的敏感性很高,微量油脂等含碳杂质不但会影响钎焊质量,而且在高温下还会渗入不锈钢中造成局部贫铬。因此,不锈钢板翅式换热器的零件在钎焊之前需要经过彻底的清洗以便除去一切表面上附着的异物和油脂。一般用酸洗除去油、污、氧化物,再用高压水进行冲洗。对于钛板翅式换热器的制造工艺研究的报道不多,哈尔滨船舶锅炉涡轮机研究所的苏云海[16]曾应用银基钎料对钛合金板翅式换热器的钎焊工艺进行了探索。实验证明,由于焊料熔点远远低于基体(钛合金)熔点,在有银焊料的情况下,氩弧焊无法进行。为防止“过熔”及“烧穿”现象发生,氩孤焊接应该在板束钎焊之前进行。采用银基钎焊料进行钛及其合金板翅式换热器的钎焊,有满意的浸润性及流动性,焊料充满度好,可以得到足够的焊接强度。但对于钛及其合金换热器的钎焊工艺还处于起步阶段,焊接工艺很不成熟。 3·3　耐热高合金换热器的钎焊工艺耐热高合金大多为镍基合金,其中一些含钴,其他元素为铬、铁、钨、钼等,具有很优越的高温力学性能和高温抗腐蚀性能,常温下能耐硝酸强碱等的浸蚀。由于价格昂贵,仅局限于操作条件苛刻的场合应用,如高温回热器。其使用条件的苛刻性也给钎焊带来了较高要求。这些合金大体上分以下几类:(1)工业纯镍,(2)Ni-Cu合金如Monel合金,(3)Ni-Cr-Fe合金如Inconel系列,Incoloy系列合金,在板翅式换热器及回热器芯子中常用,(4)Ni-Cr-Mo合金如Hastelloy系列,其中Hastelloy X在紧凑式换热器中常用,(5)Co基合金,如Haynes188等。其强化机理包括沉淀强化和固溶强化,沉淀强化型合金往往存在较强的应力腐蚀开裂的倾向。为了避免在使用中发生应力腐蚀开裂,可在焊前进行退火处理或在钎焊过程中使钎焊热循环同时起到退火作用。耐热高合金紧凑换热器的钎焊一般在真空炉或氢气保护气氛中进行,且一般不再用钎剂。零件表面的预清理要求与不锈钢相似。用于钎焊镍基高合金的钎料也是镍基的,而用于钎焊钴基高合金的钎料也是含钴的。此外,钎料还含有B、Si、Cr、P等元素,大量的Cr可提高钎接接头的耐高温性能,钎料可以做成箔状、带状、膏状并配置于焊件表面上。 3·4　扩散焊工艺随着换热器技术向小型化的发展,板翅式换热器的应用范围进一步扩大,空间尺度进一步减小。为防止介质泄漏、进一步提高结构强度,扩散焊接工艺被提出并开始应用到板翅式换热器的制造中。扩散焊一般在高温真空环境下进行,封焊温度较高。如对于铜,扩散焊温度要求为630℃以上,而对于不锈钢则在920℃以上,因此其制造难度较采用软钎料封焊(200℃)的MEMS大得多[17]。高温封焊时,在顶部施加液压载荷,使得材料界面发生非弹性变形,由此实现层间的扩散焊连接。扩散焊技术涉及材料表面处理工艺、过渡层成分的优化、温度压力的控制等问题,目前对于高温扩散焊技术的理论研究还十分薄弱,已有的针对电子封装的研究工作大量地集中于熔点较低的软钎焊,且主要是针对焊后的评价。因此,温度、压力、时间、真空环境对封焊结构可靠性的影响及其尺度效应对封焊强度的影响是扩散焊技术的两个重要部分。只有合理解决这两个问题,才能保证封焊技术的可靠性和产品质量的稳定性。目前,华东理工大学针对扩散焊技术的关键性问题,正尝试采用试验法和分子动力学模拟法对其进行深入的研究。 4　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。 4·1　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。 4·2　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[18];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[19],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1 000℃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]：略

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