板翅式換熱器的研究與應(yīng)用進(jìn)展

1、板翅式換熱器的研究與應(yīng)用進(jìn)展板翅式換熱器的研究與應(yīng)用進(jìn)展原作者：凌祥涂善東陸衛(wèi)權(quán)出處：【關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞】板翅式換熱器研制應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)【論文摘要論文摘要】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

2、料的應(yīng)用，擴(kuò)散熔合焊和超塑性成型等先進(jìn)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。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高效、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

3、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)理論板翅式換熱器設(shè)計(jì)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(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

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(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）。多孔翅片亦屬于高效

5、翅片，Shah通過(guò)多種多孔翅片表面?zhèn)鳠帷航岛土鲃?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)（Computationalfluiddynamics，簡(jiǎn)稱(chēng)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

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(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。3.3.計(jì)算機(jī)輔助工程（計(jì)算機(jī)輔助工程（CAECAE）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)

7、算機(jī)輔助工程技術(shù)（ComputerAidedEngineering）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公司等都曾推出專(zhuān)用商業(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(chǎng)家的使用結(jié)果表

8、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A(yíng)utoCAD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(mǎn)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

9、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。4.4.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(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)展板翅式換熱器制造工藝進(jìn)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(guó)的板翅式換熱器生產(chǎn)廠(chǎng)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(chǎng)，他們的產(chǎn)品性能比

11、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)的最大工件尺寸已達(dá)1200mm1200mm6000mm，最高設(shè)計(jì)壓力可達(dá)8.0MPa，流體股數(shù)最多達(dá)12股。2.2.高熱流密度的換熱表面技術(shù)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)5650m2m3