板翅式换热器新技术

板翅式换热器具有结构紧凑、传热效率高等特点,与传统的管壳式换热器相比,其传热效率提高20%～30%,成本可降低50%,现已广泛应用于石油化工、航空航天、电子、原子能和机械等领域。目前板翅式换热器的制造材料主要使用铝合金,因此存在耐腐蚀性差、承压低等缺点。另外,板翅式换热器结构比较复杂,人工进行热力设计困难,特别是有相变、多股流体换热的情况,用手工进行精确热力设计计算几乎不可能。为了进一步拓宽其应用范围,近年来板翅式换热器的设计理论、试验研究、制造工艺及开拓应用的研究方兴未艾，特别是一些新技术的渗透,使板翅式换热器的应用范围更加广泛,下面将介绍我们近年来在板翅式换热器研究与开发方面所做的工作。

1表面处理技术

板翅式换热器在压缩机中主要用于油冷却器和压缩空气冷却器,有空冷和水冷两种形式。无论是空冷还是水冷冷却器,高温压缩空气在冷却过程中都会有冷凝水析出,并在翅片上聚集形成“水桥”,阻止了空气的流通,从而使空气压力降增大,并导致热交换效率下降,空调中的板翅式换热器也存在类似的情况。尽管铝及其合金具有良好的抗蚀性能,但是长期滞留在铝表面的冷凝水吸收空气中的氧、硫及氮等,在铝表面形成腐蚀电池,加速腐蚀。腐蚀产物在铝翅片表面聚集,将降低热交换效率。对于水冷却器,在水侧同样存在腐蚀性问题,长期运行也将缩短铝制板翅式换热器的寿命。

为提高铝表面的抗腐蚀和亲水性能,作者对铝翅片表面处理技术进行研究,提出了一种两步成膜法。先用铬酸2铬盐在铝翅片表面形成一层防蚀纳米膜。在此涂层之上,再用小于100nm的细硅酸微粒进行涂膜,这样,2SiOH基团将在水中离解并产生负电荷,可使水中分散的负电荷很稳定,当加热此液态悬浮液时,硅粒子就很难再分散并且很难从表面移走。这些粒子上的2SiOH基团可以吸附水分子形成亲水表面。实际使用效果表明,采用此方法能提高换热器寿命和减小空气侧压力降。

2快速创型系统

目前,不借助计算机,手工完全可以进行一个完整的换热器热力计算。然而,由于板翅式换热器的设计公式比较复杂,通道设计又十分困难,计算过程将十分费时且易出现人为的误差,为便于简化计算还必须忽略许多二阶量的影响。另外多股流板翅式换热器和有相变板翅式换热器的手工计算几乎不可能,因此板翅式换热器经常弃置不用,设计者通常选用低效但相对简单的管壳式换热器。近年来计算机辅助工程技术(ComputerAidedEngineering)的发展,使应用计算机模拟技术对换热器稳态和瞬时进行性能模拟已成为可能,这将解决多年来一直困扰设计人员的手工热力计算的难题。

Shah首先对紧凑式换热器的计算机辅助热工计算进行了讨论。英国传热服务公司HTFS、美国ALTEC公司和SW公司等都曾推出专用商业软件。笔者经过多年的研究与开发,于1995年正式推出了板翅式换热器的快速创型系统(RIS2PFHE)软件包,该系统具有优化设计、参数化绘图和快速报价等功能。经过部分厂家使用,结果表明可提高设计效率10～20倍,大大减少了过去设计、绘图文件生成中的人为错误,使产品的设计周期大为缩短。与国外软件相比,除了热工计算外,还具有物性计算模块和用C++开发的基于AutoCAD系统的计算机参数化绘图模块以及快速报价等功能。

一个高水平的计算机辅助设计程序必须兼备优化功能,RIS2PFHE系统应用遗传算法实现了板翅式换热器多目标的人工智能设计优化。实际使用表明,该方法具有极强的鲁棒性和全局寻优能力,应用该方法,我们已开发了风冷和水冷两个系列的压缩空气板翅式中冷器和后冷器。

3新产品

虽然板翅式换热器的设计和制造技术已有很大的发展,其优点也已得到公认,但人们始终没有放弃对造价更低,适应性更广,特别是能耐更高压力、耐高温和耐腐蚀、不易结垢的新型板翅式换热器的研究。近年来,笔者应用先进制造工艺和引进新材料开发出一系列板翅式换热器新产品。

3.1板翅式风机

在风冷式冷热水空调机组中,分散空气调节系统的末端装置广泛使用的是风机盘管,应用的是管翅式换热器,存在体积和质量大、热效率较低等缺点。针对上述问题,笔者应用板翅式换热器来代替管翅式换热器,提出了一种板翅式风机,其单位体积内换热面积大,热效率高,能很好克服常用风机盘管的缺点。实验证明,板翅式风机的热效率比同样风量风机盘管提高30%,水侧压力降仅为风机盘管的25%,总质量减小20%,现已申请实用新型专利。

3.2非金属板翅式换热器

由作者开发的非金属板翅式换热器,系采用改性增强的聚四氟乙烯制成。聚四氟乙烯(简称F4)有塑料王之美称,化学性能相当稳定,可耐一切有机、无机化合物腐蚀介质,是迄今为止耐腐蚀性能最好的材料。F4具有优异的抗老化性能,根据国外资料,其老化期在10a以上。F4分子间引力小,表面自由能仅为1.9×10-4N/cm2,几乎所有介质都不能粘附其表面,使用时不会有污垢,具有极强的抗结垢能力。鉴于上述优异的性能,该换热器可用于石油化工、制药和冶炼等行业中有特殊要求(如强酸、强碱等)的冷凝、冷却及加热等多种工艺操作中。

自从20世纪60年代杜邦公司最早研制成功氟塑料换热器以来,国外先后开发了管壳式、板式和浸没螺旋管式等多种形式的塑料换热器,所用材料有聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯、聚丙烯和聚碳酸脂等,并已尝试用石墨改性来提高聚四氟乙烯和聚丙烯的导热系数以及通过碳纤维来增强聚丙烯,但研究仅限制备工艺,得到的仅是经验结果,缺乏定量分析。

为进一步降低聚四氟乙烯板翅式换热器制造材料成本,作者对应用石墨改性来提高聚四氟乙烯的导热系数进行了定量研究。聚四氟乙烯的导热系数很小,仅为0.18W/(m·K),通过添加高导热纳米石墨颗粒对聚四氟乙烯进行改性,提高聚四氟乙烯基复合材料导热系数。石墨和碳纤维对聚四氟乙烯基复合材料导热系数的影响见表1。随着石墨质量百分含量的增加,聚四氟乙烯基复合材料等效导热系数明显增大(图1),添加20%石墨可使其导热系数提高3倍左右。应用定向纤维增强技术提高聚四氟乙烯基复合材料的强度和抗热变形能力,现工艺已使强度提高了1倍,抗热变形和抗蠕变(冷流)能力也有显著提高。从图1中还可以看出,添加碳纤维也能提高聚四氟乙烯基复合材料的导热系数。满足同样热力条件,本换热器比聚四氟乙烯列管换热器成本降低了50%,但体积仅为聚四氟乙烯列管换热器的1/6。研制出的改性增强聚四氟乙烯板翅式换热器主要技术参数为:使用温度为-180～250℃,使用压力不大于1.2MPa,加速试验证明使用寿命可超过8a。

3.3不锈钢板翅式换热器

铝制板翅式换热器所能承受的最高压力仅为9MPa,承受最高温度300℃。进一步提高板翅式换热器使用压力、使用温度和耐腐蚀性能,较好的办法是开发不锈钢板翅式换热器。根据国外文献报道,现在钎焊工艺生产的不锈钢板翅式换热器产品的耐热极限已达到850℃,耐压最高达14.0MPa。不锈钢板翅式换热器最常用的钎料是镍基钎料,其次是铜基,还有银基和锰基钎料。其中铜基、银基和锰基钎料都不是高温钎料,铜基和锰基钎料的耐腐蚀性能很差,而采用镍基钎料不但能使产品耐高温而且具有很好的耐蚀性。采用真空钎焊的不锈钢主要是奥氏体、铁素体和马氏体不锈钢。目前镍基钎料钎焊不锈钢的工艺还不很成熟,特别是大型不锈钢板翅式换热器,还有许多问题需要解决,如不锈钢热膨胀系数大,导热系数低,由于热应力容易导致产生的裂纹在470～815℃长时间停留,可能产生脆性极大的R相。奥氏体不锈钢由870℃以上的温度缓冷会因C和Cr结合而致晶间贫铬,晶间贫铬将导致抗腐蚀性能甚至力学性能下降。另外不锈钢板翅式换热器钎焊前处理的要求非常高,对表面异物敏感性高。为解决上述问题,作者应用激光焊和扩散焊相结合的先进制造工艺来制造大型不锈钢板翅式换热器,已取得初步结果。该方法与常规的钎焊生产工艺不同,不仅生产成本低,耐压能力高,而且克服了钎焊中存在的难以解决的问题,进一步工程放大工作尚在进行中。

4高压板翅式换热器结构强度特性分析

高压下工作的板翅式换热器,因压力的循环变化会引起疲劳而使隔板产生裂纹,引起泄漏,因此在结构设计中必须考虑疲劳破坏。国内外对板翅式换热器结构强度特性的研究很少,我们结合模型实验和大型有限元ANSYS5.4的数值模拟,对板翅式换热器的结构进行了分析。图2为逆流式板翅式换热器芯体的有限元分析模型,采用8节点的三维四面体单元(Solid45),网格划分单位为10,有限元计算单元数为140248,节点数为37318。根据模拟计算结果已获得了如下一些定性结论:①承受3MPa以上的板翅式换热器,隔板厚度应不小于116mm,翅片厚度应不小于0.5mm。②控制翅片与翅片、封条间叠装间隙,在相邻流道间采用翅片断面错列接缝等措施可防止隔板产生疲劳裂纹,同时将承受交变载荷的流道不布置在最外侧,或在最外侧布置1～2层,以改善其受力状况。③可采用封头和板束焊接衬圈、开焊接坡口及焊加强板等措施来减小连接部位的应力,从而提高产品的可靠性。

5结语

(1)开发的表面处理技术,可提高铝板翅式换热器的耐蚀性和亲水性,能提高换热器寿命,降低压缩空气的压力损失。

(2)开发的板翅式换热器快速创型系统具有优化设计、参数化绘图和快速报价等功能,能提高设计效率几十倍,降低产品成本。

(3)通过应用先进制造工艺和引进新材料,开发了具有抗强腐蚀、抗结垢的聚四氟基复合材料板翅式换热器,对能耐高压和耐高温的不锈钢板翅式换热器的制造工艺进行了研究,取得了一些初步结果,这将进一步拓宽板翅式换热器的应用范围和领域。

(4)应用大型有限元ANSYS系统对高压板翅式换热器的结构进行了分析,得出了一些提高产品可靠性的设计准则。