板翅式換熱器

板翅式換熱器的出現把換熱器的換熱效率提高到了一個新的水平，同時板翅式換熱器具有體積小、重量輕、可處理兩種以上介質等優點。目前，板翅式換熱器已廣泛應用於石油、化工、天然氣加工等行業。

以平板和翅片作為傳熱元件的換熱器。它主要由板束和封頭等構成(見圖)。板束中有若干通道。在每層通道的兩平板間放置翅片，並在兩側用封條密封。根據流體流動方式不同，冷、熱流體通道間隔迭置、排列並釺焊成整體，即製成板束。兩流體流動方式有逆流、錯流和錯逆流等。A、B流體分別由入口封頭經一分配段的導流片導入各自的板束通道，再經另一分配段的導流片導至出口封頭而引出，兩流體呈逆流間壁換熱。常用的翅片有平直、多孔、鋸齒和波紋等形式。

①效能高。因翅片對流體的擾動，使構成熱阻的邊界層不斷更新，傳熱係數一般為管殼式換熱器的3倍；而且在小溫差(1.5～2℃)下，熱(冷)量回收效果好。用於氣-氣換熱時效果最好。

②緊湊。因大部分熱量是經翅片通過平板傳遞，設備單位體積的傳熱面積可達1500米2/米3。

③重量輕。傳熱面積相同時，重量近於管殼式換熱器的 1/5。④堅固。因板束為一整體件而且翅片在兩平板間起支承作用，故可承受較高的工作壓力。此外，還可在同一設備中實現多種流體同時換熱。但板翅式換熱器通道狹小、易堵塞，清洗維修較困難，製造工藝較複雜。它大多用鋁合金製造，也可用銅、不鏽鋼和鈦等。由於鋁具有良好的低溫性能、重量又輕，故鋁製板翅式換熱器特別適用於制氧、乙烯和氦液化等深低溫設備，也可用於動力裝置中。鋁製板翅式換熱器一般用於設計壓力小於 6.3兆帕、設計溫度為+200～-270℃的場合。

1.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式。Shah對平直翅片的研究表明，寬高比較大的矩形通道流道品質（j/f）優於三角形（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應用傳質模擬方法對波紋翅片進行了試驗研究，發現對低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）。多孔翅片亦屬於高效翅片，Shah通過多種多孔翅片表面傳熱、壓降和流動特性試驗，提出了一些可供設計參考的結論。

總之，可供使用的多種翅形j因子和f因子數據已有不少，但可供設計計算使用的擬合關聯式卻很有限。因此，應用計算流體力學（Computational fluid dynamics，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，並建立j因子和f因子資料庫將是今後十分重要的工作。

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為篩法和性能比較法，性能比較法適用於管翅式換熱器，而篩法則用於板翅式換熱器。篩法每次只考慮流體一側，在給定壓降時，根據最小迎風面和最小換熱面積（或體積）來選擇最佳表面。

2.傳熱和流動分析

板翅式換熱器傳熱分析一般採用傳熱單元數法（ε-Ntu），該法為便於手工計算，作了一些理想化的假設，這些假設條件有時會對換熱器的設計產生顯著影響，因此必須考慮進行修正。如傳熱計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，可用平均溫度計算物性［2］。但若流體物性變化很大，則應將換熱器按能量平衡分成幾部分，假定各部分內的物性為一常數。溫度對j和f的影響有時也需考慮，如 j和f試驗數據通常在常溫下獲得，用於高溫下時就要修正，文獻［2］應用物性比法計入了流體物性隨溫度變化對j或Ntu和f的影響。

物流不均勻會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。簡單的總管分配不均勻性分析可通過解析方法完成，如兩股流板翅式換熱器［3］。複雜的只有通過數值計算方法來分析傳熱過程，如Chiou研究了兩種情況下流量分配不均勻性對單程錯流換熱器熱工性能的影響。對通道間物流分配不均勻的研究，London採用單通道模型對低Re層流狀態下的情況進行了理論分析。後來又將該理論分析推廣於N通道模型分析［4］。Weimer等就不均勻流體分配對多股流多通道換熱器性能影響進行了研究。對於兩相流問題，不均勻分配問題顯得尤為突出［5～7］，物流的不均勻分配使得板翅式換熱器嚴重偏離設計工況。綜觀國內外學者的研究，較多是定性的，離設計應用仍有很大距離，因此物流不均勻性問題仍是中外學者研究的一個重要方向。

多股流板翅式換熱器目前研究的重點在通道分配及通道排列問題上，對於這方面的研究還不充分，從來沒有形成一個較為一致的原則來指導設計通道分配及通道排列。因此，對多股流換熱的物理模型和計算方法等還有待於進一步研究。

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係數，但相對於單相流的傳熱和流動，兩相流傳熱機理研究還很不夠，目前公開發表的關於板翅式表面在相變和兩相流方面的文獻還較多局限於空分設備領域中［8，9］。由於板翅式換熱器中沸騰和冷凝的性能數據非常有限，因此還無法提供用於設計的通用綜合關係式，也不能提供對圓管公式的修正方法。

從上面評述的幾個問題不難看出，板翅式換熱器內流體流動與傳熱規律是十分複雜的，僅掌握經驗關聯式並不能最終達到開發新的傳熱表面和精確設計的目的。解決上述問題，完全通過實驗研究雖然可行，但費用高，周期長。因此，近年來國內外重點加強了設計製造方法學的研究，提出通過“數值試驗”——計算流體力學（CFD）模擬計算，來評價、選擇和優化設計方案，從而大幅度地減少實驗室和實體試驗研究工作量。

應用計算流體力學進行換熱器模擬最早由Patankar在1972年提出。80年代核電廠換熱設備向大型化、高參數化的發展，促進了這方面的研究，多種通用的大型計算軟體，如CFD2000、Phoenics等已經商品化，使複雜的流場分析得以實現。國外利用PHOENICS和flow3d等大型通用流場軟體在模擬蒸汽發生器、冷卻塔及電站冷凝器方面進行了一些分析工作；國內鄭州工業大學［10］用PHOENICS對管殼式換熱器流場進行模擬研究，也取得了階段性成果。應用CFD研究板翅式換熱器雖然還少有人問津，但筆者認為，應用CFD分析揭示板翅式換熱器傳熱機理和進行優化設計將是今後研究的重點內容，考慮到我國板翅式換熱器開發和試驗經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.計算機輔助工程（CAE）

由於板翅式換熱器的設計公式較為複雜，通道設計十分困難，手算過程十分費時且易出現人為的誤差，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］。近年來隨著計算機輔助工程技術（Computer Aided Engineering）的發展，應用計算機模擬技術對換熱器穩態和瞬態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軟體。國內，筆者於1995年正式推出了板翅式換熱器的計算機輔助設計（PFECAD）軟體包［12］，部分廠家的使用結果表明，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，使產品的設計周期大為縮短。與國外軟體相比，除了熱工計算外，國內還具有物性計算模塊和用C語言開發的基於AutoCAD系統計算機繪圖模塊。

一個高水平的計算機輔助設計程序還應兼備優化程序，Shah等詳細討論了各種優化技術，並闡述了實現換熱器設計優化的方法。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，或當發現優化解對有關變數的敏感性時，設計者必須依靠經驗作出決策，因此今後還必須加強人工智慧化的優化技術研究。

4.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生裂紋，發生泄漏，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，在相鄰流道間採用翅片斷面錯列接縫等措施來防止隔板因疲勞產生裂紋，同時將承受交變載荷的流道不布置在最外側或在最外側布置1～2層以改善其受力狀況。另外，還採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，提高產品製造質量和使用壽命。

1.真空釺焊工藝

真空釺焊工藝已被世界各國的板翅式換熱器生產廠家所接受，並已取代了原來的鹽浴浸漬老工藝。目前世界上真空釺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）公司以及國內的蘭州真空設備廠，他們的產品性能比較可參見文獻［13，14］。我國板翅式換熱器真空釺焊工藝應用時間雖短，但發展迅速［13，15］，目前應用大型真空釺焊爐生產的最大工件尺寸已達1200mm×1200mm×6000mm，最高設計壓力可達8.0MPa，流體股數最多達12股。

2.高熱流密度的換熱表面技術

目前對於高熱流密度的換熱表面的開發研究也很活躍，美國空氣研究公司報道，已開發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5650m2/m3。美國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，並曾在試驗中獲得2MW/m2的熱流密度。德國卡而斯魯厄核研究中心與梅塞德斯密特-布爾柯-布洛姆（MBB）公司也宣稱開發出β=15000 m2/m3的微型換熱器。

二十世紀三十年代，板翅式換熱器首先在航空工業上被採用，它結構緊湊、輕巧、傳熱效率高等特點引起了研究人員和設計工作者的興趣。隨後在製冷、石油化工、空氣分離、航空航天、動力機械、超導等工業部門得到廣泛應用，被公認是高效新型換熱器之一。

1942年，美國的諾利斯首先進行了平直翅片、鋸齒翅片、波紋翅片、釘狀翅片的傳熱機理研究，找出幾種主要翅片的摩擦因子(f)，傳熱因子(j)與雷諾數(Re)的關係，為以後的研究與設計奠定了基礎。

1947年美國海軍研究署、船舶局、航空局合作在斯坦福大學擬定了系統的研究計劃並擴大了研究範圍。

板翅式換熱器發展中另一方面是製造工藝，對於結構複雜、隔板和翅片又很薄的鋁合金釺焊工藝掌握是在經歷了一段相當漫長又曲折過程，在突破許多關鍵技術后才達到今天的水平。現在國外板翅式換熱器最高設計壓力可達10MPa以上，最大芯體尺寸（L×W×H）6000~7000×1200×1200mm，重達10噸以上，可以有十多種流體同時換熱。

我國是從20世紀60年代中期開始板翅式換熱器試驗研究，70年代初期自行開發成功，並首先在空分設備上得到應用。90年代初，杭氧廠引進美國S.W公司大型真空釺焊爐和板翅式換熱器製造技術，板翅式換熱器生產在我國得到飛速發展。現在已在空氣分離、石油化工（乙烯、合成氨、天然氣分離與液化）、動力機械及航天（神舟號飛船）等工業部門得到廣泛應用。並有部分出口國外（美國、加拿大等國）。

近十年來，我國板翅式換熱器生產發展很快，設計和製造技術也較成熟，已在空氣分離、石油化工、動力機械及航空航天等上業部門得到廣泛應用，並有部分出口國外。

（1）傳熱效率高，由於翅片對流體的擾動使邊界層不斷破裂，因而具有較大的換熱係數；同時由於隔板、翅片很薄，具有高導熱性，所以使得板翅式換熱器可以達到很高的效率。

（2）緊湊，由於板翅式換熱器具有擴展的二次表面，使得它的比表面積可達到1000㎡/m。

（3）輕巧，原因為緊湊且多為鋁合金製造，現在鋼製，銅製，複合材料等的也已經批量生產。

（4）適應性強，板翅式換熱器可適用於：氣－氣、氣－液、液－液、各種流體之間的換熱以及發生集態變化的相變換熱。通過流道的布置和組合能夠適應：逆流、錯流、多股流、多程流等不同的換熱工況。通過單元間串聯、並聯、串並聯的組合可以滿足大型設備的換熱需要。工業上可以定型、批量生產以降低成本，通過積木式組合擴大互換性。

（5）製造工藝要求嚴格，工藝過程複雜。

（6）容易堵塞，不耐腐蝕，清洗檢修很困難，故只能用於換熱介質乾淨、無腐蝕、不易結垢、不易沉積、不易堵塞的場合。

一台典型的板翅式換熱器主要組成元件有翅片、隔板、封條、導流片和封頭等。

1、翅片

翅片是鋁板翅式換熱器的基本元件，傳熱過程主要通過翅片熱傳導及翅片與流體之間的對流傳熱來完成。翅片的主要作用是擴大傳熱面積，

提高換熱器得緊湊性，提高傳熱效率，兼做隔板的支撐，提高換熱器的強度和承壓能力。翅片間的節距一般從1mm~4.2mm，翅片的種類和型式多種多樣，常用的形式有鋸齒型、多孔型、平直型、波紋型等，國外還有百葉窗式翅片、片條翅片、釘狀翅片等。

2、隔板

隔板是二層翅片之間的金屬平板，，它在母體金屬表面覆蓋有一層釺料合金，在釺焊時合金熔化而使翅片、封條與金屬平板焊接成一體。隔板把相鄰兩層隔開，熱交換通過隔板進行，常用隔板一般厚1mm~2mm。

3、封條

封條在每層的四周，其作用是把介質與外界隔開。封條按其截面形狀可分為燕尾槽形、槽鋼形和腰鼓形三種。一般，封條的上下兩個側面應具有0.3/10的斜度，以便在與隔板組合成板束時形成縫隙，利於溶劑的滲透和形成飽滿的焊縫。

4、導流片

導流片一般布置在翅片的兩端，在鋁板翅式

換熱器中主要是起流體的進出口導向作用，以利於流體在換熱器內的均勻分佈，減少流動死區，提高換熱效率。

5、封頭

封頭也叫集流箱，通常由封頭體、接管、端板、法蘭等零件經焊接組合而成。封頭的作用是分佈和集聚介質、連接板束與工藝管道。

另外，一台完整的板翅式換熱器還應包括支座、吊耳、隔熱層等附屬裝置。支座與支架相連用來支承換熱器的重量；吊耳為換熱器吊裝使用；鋁板翅式換熱器外面一般都要考慮隔熱。通常採用乾燥珠光砂、礦渣棉或硬性聚胺脂發泡等方法。

從傳熱機理上看，板翅式換熱器仍然屬於肩臂式換熱器。其主要特點是，它具有擴展的二次傳熱表面（翅片），所以傳熱過程不僅是在一次傳熱表面（隔板）上進行，而且同時也在二次傳熱表面上進行。高溫側介質的熱量除了有一次表面倒入低溫側介質外，還沿翅片表面高度方向傳遞部分熱量，即沿翅片高度方向，有隔板倒入熱量，再將這些熱量對流傳遞給低溫側介質。由於翅片高度大大超過了翅片厚度，因此，沿翅片高度方向的導熱過程類似於均質細長導桿的導熱。此時，翅片的熱阻就不能被忽略。翅片兩端的溫度最高等於隔板溫度，隨著翅片和介質的對流放熱，溫度不斷降低，直至在翅片中部區域介質溫度。

1、製造工藝

板翅式換熱器的製造工藝有如下幾種：非焊接的粘接、有溶劑的鹽浴釺焊、無溶劑的真空釺焊和氣體保護釺焊。

2、製造材料

板翅式換熱器所用的材料，應根據換熱器不同的用途和操作條件選用，常用材料有鋁，鋁合金、銅、黃銅、鎳、欽、不鏽鋼、因科鎳合金等。其中因鋁和鋁合金有較好的釺焊性和成形性、較高的機械強度、良好的耐蝕性和導熱性以及延展性和杭拉強度隨溫度降低而提高的特性，所以在世界各國的板翅式換熱器中，特別是低溫的板翅式換熱器中，獲得最為廣泛的應用。

適宜干釺焊的鋁合金很多，製造板翅式換熱器板束本體(翅片、封條、隔板)的常用材料是鋁錳合金(3003)。封頭與接管的常用材料是鋁鎂合金（5083）。

3、檢查與試驗

優秀的設計、精細的製作和完善的檢測是保證產品質量的三個方面。為提高我國板翅式換熱器產品質量，緊密貼近世界先進國家同類產品技術的進展，以強化檢測為手段、技術數據為依靠、提高產品質量為目的，制定了JB/T《鋁製板翅式換熱器技術條件》。此標準的試驗方法和檢驗規則從我國生產實際出發、既參考英、美、日等先進國家的技術標準，又融合美國鍋爐與壓力容器ASME規範內容，並包含我國技術進步和研究成果，使標準具有合理性、科學性和先進性，對換熱器質量的提高起了促進和推動作用。

板翅式換熱器的檢查和試驗，主要分零部件質量檢查和成品的性能檢查。

（1）零部件質量檢查主要是翅片幾何形狀和尺寸精度的檢查口成品性能檢查，主要是釺焊質量的外觀檢查和技術性能的試驗。

（2）外觀檢查是檢查焊后板束尺寸是否在規定容許範圍內，板束釺焊接頭有無釺料堆積、熔蝕及變形等缺陷。

（3）技術性能檢查需進行清潔度試驗、無損探傷檢查、耐壓及緻密性試驗、最終T-燥度檢查等。對於多個單元串聯或並聯組合的換熱器的流體流動性能試驗和介質為易燃易爆、對緻密性有特殊要求的換熱器。

此標準對通道阻力偏差允許值和真空檢漏、氦質譜檢漏漏率的規定與日本等國國際標準等同。標準對產品質量的控制，包含了原材料、設計、製造、性能檢測、裝運、儲存等全過程，通過這一系列檢查和試驗來保證和提高換熱器的質量。

4、換熱器的存放

對需存放的換熱器和備件，應存放在乾燥通風和無污染的地方，因設備多數在低溫下使用，因此必須嚴格防止水分和炔烴進入，以保證使用安全，否則會因溫度變化而冰凍脹裂以及炔烴在內部積聚而發生爆炸。

在安裝現場一般因存放時間較短而儲於室外時，存放地應平整，換熱器可置於枕木上，便於排水；上部應有適當遮蓋，有效防塵防水。當存放時間較長，如換熱器備件等，則應儲於室內，要求周圍環境乾燥、通風、無腐蝕性氣體，還應定期檢查氮封壓力並補充乾燥氮氣。

如換熱器在含有鹽分的水霧或含鹽大氣環境中(如海島、沿海地區或海上運輸等)則必須採取特殊的保護措施。

板翅式換熱器由於其優越的性能和成熟的技術已在各工業部門得到越來越廣泛的應用。

1、空氣分離設備：空分設備的主換熱器、過冷器、冷凝蒸發器等低溫換熱器採用板翅式換熱器后可以節省設備投資和安裝費用，並降低單位能耗。

2、石油化工：板翅式換熱器具有處理量大、分離效果好、能耗低等優點，已被用於乙烯深冷分離、合成氨氮洗、天然氣、油田氣分離與液化等工藝過程。

3、工程機械：經過20多年的研究和實踐，世界各國已在汽車、機車散熱器、挖掘機油冷器、製冷機散熱器、大功率變壓器散熱器上成批生產和使用板翅式換熱器。

4、超導和宇宙空間技術：低溫超導和宇宙空間技術的發展，為板翅式換熱器的應用提供了新的途徑，板翅式換熱器在美國阿波羅飛船和中國神舟飛船上都有應用。

在生產過程中，由於板翅式換熱器的管板受水分沖刷、氣蝕和微量化學介質的腐蝕，管板焊縫處經常出現滲漏，導致水和化工材料出現混合，生產工藝溫度難以控制，致使生成其它產品，嚴重影響產品質量，降低產品等級。

冷凝器管板焊縫滲漏后，企業通常利用傳統補焊的方法進行修復，管板內部易產生內應力，且難以消除，致使其它換熱器出現滲漏，企業通過打壓，檢驗設備修復情況，反覆補焊、實驗，2～4人需要幾天時間才能修復完成，使用幾個月後管板焊縫再次出現腐蝕，給企業帶來人力、物力、財力的浪費，生產成本的增加。

發生在板束內部深處的隔板裂紋或溶蝕產生的泄漏。修補困難，可採用堵塞通道來處。堵塞通道數在總數的5%~10%以內是設計所允許的。但必須注意，若換熱介質相變，則應在相鄰兩通道上打若干孔相通，以防止發生液體汽化而壓力升高的爆炸事故。此修補方法在空分設備冷凝蒸發器和化工設備熱虹吸蒸發器上用得較為普遍。當發生嚴重泄漏、修補十分困難或已無法滿足設計要求時，可調換整個。單元。為了提高設備的互換性，換熱器單元的標準化和系列化是設計中的一個重要方面。