薛焘 佘志鸿 陈诚 汤瀚源 于型伟

（1.中国石油天然气股份有限公司规划总院2.中国石油大学（北京）化学工程学院）

板翅式换热器技术的发展与应用

薛焘*1佘志鸿1陈诚1汤瀚源2于型伟1

（1.中国石油天然气股份有限公司规划总院2.中国石油大学（北京）化学工程学院）

阐述了板翅式换热器的基本结构、翅片类型以及传热机理。从钎焊工艺、新型材料开发和计算机辅助系统三个方面，探讨了板翅式换热器技术近些年的发展历程和发展方向。简述了板翅式换热器在多股流复杂换热过程中的应用，并展望了板翅式换热器在新能源开发等领域的发展前景。

板翅式换热器 结构特点 真空钎焊 新材料 应用 发展前景

0 引言

板翅式换热器又称紧凑式换热器、钎焊铝制换热器、二次表面换热器等。早在20世纪30年代英国Marston Excelsior公司就用浸渍钎焊方法，用铜及其合金制成了板翅式换热器，用于航空发动机的散热器。美国、日本、前苏联从20世纪40年代也相继开始进行板翅式换热器的研究和制造[1]。

我国在20世纪60年代初，开始采用前苏联的空气炉钎焊工艺，生产小型的板翅式换热器，应用于航空工业。1970年我国成功研制出盐浴钎焊工艺，试制出高效铝制板翅式换热器，用于大型低压空分设备和石油化工业。1992年杭州制氧机集团公司从美国S-W公司引进了大型真空钎焊炉，同时还引进了该公司的设计程序和工艺。通过设计人员的努力研发，杭州制氧机集团中、高压板翅式换热器的设计和制造技术更加成熟，制造工艺更加完善[2]。目前，我国板翅式换热器的设计和制造水平已达到和接近世界先进水平。

由于板翅式换热器具有传热效率高、结构紧凑、轻巧牢固、适应性强和经济性好的特点，经过半个多世纪的发展，其产品已经广泛应用于空气分离设备、石油化工、航空工业、车辆、船舶、动力等工业部门。

1 板翅式换热器的结构特点

1.1 基本结构

板翅式换热器的结构形式很多，但其板束单元结构是基本相同的。常用的板束单元结构如图1所示，它是在相邻的两隔板之间放置翅片及封条组成一夹层，即成为通道[3]。

图1 板束单元结构

对各个通道进行不同方式的叠置和排列，钎焊成整体，即组成常用的逆流、错流、错逆流的板束（或称芯体），如图2所示。

图2 介质流动方式

一般情况下，板束两侧还各有1～2层不走介质的强度层，或称之为假通道。有了板束，再在板束上配置适当的介质进出口分配段（导流片）和集流箱（封头），就组成一个完整的板翅式换热器。

由图3可见，一台典型的板翅式换热器主要由翅片a、隔板b、封条c、分配段d和集流箱e五部分组成。

1.2 翅片

翅片的作用是扩大传热面积、提高换热器的紧凑性，提高传热效率，兼做隔板的支承，提高换热器的强度和承压能力。

如图4所示，翅片常用的形式有平直形、锯齿形、多孔形和人字波纹形等。国外还有百叶窗式翅片、片条翅片、钉状（或针状）翅片[4]。

翅片的选择，需根据最高工作压力、传热能力、允许压力降、流体性能、流量和有无相变等因素，进行综合考虑。美国斯坦福大学的W M Kays和A L London著有“紧凑式换热器”（Compact Exchangers）一书，其中包括56种翅片传热面的实验数据。

图3 逆流板翅式换热器结构

图4 翅片类型

1.3 传热机理

板翅式换热器属于间壁式换热器，主要特点是具有扩展的二次表面（翅片），传热过程不仅在一次表面（隔板）上进行，而且同时在二次表面（翅片）上进行[5]。其传热机理如图5所示。

板翅式换热器主要缺点在于其制造工艺复杂，要求严格；通道容易堵塞，清洗和检修较困难，若因腐蚀产生内漏，则很难修理。

2 板翅式换热器技术的发展

2.1 钎焊工艺发展

适宜于铝制板翅式换热器的钎焊方法有盐浴浸渍钎焊、高温气体保护下的高温炉钎焊、真空钎焊和无焊剂钎焊等。传统的钎焊工艺以盐浴浸渍钎焊最为成熟。这种钎焊工艺是利用盐浴热容量大、浴盐可迅速流入通道内各个角落的特点，使工件迅速而均匀地加热到钎焊温度，获得均匀而牢固的焊缝，避免了局部过热的现象。同时，浴盐的浮力作用可以减少工件在高温下因自重而产生的下塌和走样。但盐浴浸渍钎焊工艺管理费用高、能耗高、盐耗高，而且浴盐还容易引起铝的腐蚀，因此已逐渐被真空钎焊工艺所取代[6]。

图5 翅片表面传热机理

真空钎焊工艺是在真空环境下，不用钎剂而进行钎焊的一种方法。实际上就是把由隔板、翅片、隔条组成的铝制板翅式换热器置于真空环境中加热的过程。真空钎焊的优点是电能消耗低、无盐耗、无环境污染、成品率高、工序少、自动化程度高。目前世界上真空钎焊设备的主要供应商是英国CONSARC公司、日本真空技术株式会社、美国IPSEN公司以及中国的兰州真空设备厂[7]。

采用钎焊技术制造铝制板翅式换热器，很难大幅度提高其耐压能力。扩散熔化焊为大幅度提高新材料板翅式换热器的耐压能力开辟了新的途径。钛合金板翅式换热器、不锈钢板翅式换热器的扩散熔化钎焊技术在近些年都有所发展。

2.2 新型材料开发

铝制板翅式换热器所能承受的最高压力仅为9 MPa，能承受的最高温度为300℃。为进一步提高板翅式换热器的使用压力、使用温度和耐腐蚀性能，较好的方法是开发新型材料板翅式换热器。钛合金、不锈钢、聚四氟乙烯这三种新型材料在生产中都得到了应用，其中，以不锈钢板翅式换热器的开发最为成熟。

不锈钢材料主要分为奥氏体、铁素体、马氏体和双相不锈钢，其中，奥氏体不锈钢应用最广。采用的钎料有银基、铜基、锰基、镍基、金属和含铅钎料。不锈钢的连接可以采用钎焊，也可以采用熔化焊方法。一般钎焊方法采用受控保护气真空钎焊方法。近年来出现了一种经济实用的钎焊-热处理工艺，即真空钎焊与真空热处理一体化工艺。这种工艺不仅能保证接头的力学性能与母材几乎相同，并且还可使部件受热均匀，将变形、有害气体的影响减小到最低限度，不用焊后处理就可以保持光亮的表面[8]。

2.3 计算机辅助系统

计算机辅助系统是计算机技术工程应用的重要方面，它可以模拟实际工作情况，获得一系列的工作参数，从而为具体操作过程提供指导和帮助。将计算机模拟与板翅式换热器相结合的计算机辅助系统，能够提高设计的效率、质量及设备的可用性，有较高的使用价值。

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的商业软件。国内，1997年南京化工大学推出了新开发的板翅式换热器计算机辅助设计（PFECAD）软件包[9]。在同一时期，西安交通大学制冷系从国外引进了计算流体动力学（CFD）商业软件，并且结合数值计算理论知识对软件加以完善，现已成功地将CFD技术应用到板翅式换热器优化设计、涡轮叶片设计以及制冷低温等多个领域[10]。

近年来，国内研究机构对板翅式换热器计算机辅助系统的研究逐步深入，已开发出基于不同平台的多种动态模拟和仿真系统。这些辅助系统的应用大幅度提高了板翅式换热器的设计效率，优化了板翅式换热器的操作条件。

3 板翅式换热器的应用

3.1 空气分离装置

空气分离装置（简称空分装置）是利用深度冷冻原理将空气液化，然后根据各组分沸点的不同，在精馏塔内进行精馏，最后获得氧、氮，或同时提取一种或几种稀有气体的装置。

空分装置广泛用于炼钢、石油化工及其他一些部门中。空分装置中的主换热器、冷凝蒸发器、液氮和液空过冷器、粗氩塔和精氩塔的冷凝器、蒸发器以及制氩系统中的液化器等，都是采用板翅式换热器。这不仅节省了大量的铜及其他低温材料，而且实现了多股流体在同一台设备内冷却、冷凝或蒸发的复杂换热过程，因此简化了装置的工艺设计，减少了工艺设备，降低了设备的安装和操作费用[11]。

3.2 石油化工方面

在石油化工领域，例如在乙烯厂、天然气液化厂中，板翅式换热器广泛地应用于气体分离装置以及其他生产装置。乙烯装置，从天然气中提取氦气，无水氨生产过程的提纯和液化氢气，回收和生产乙烯，天然气液化等，在这些方面都有板翅式换热器的应用。

尤其是在乙烯装置上应用最为广泛，主要有：甲烷馏除器的预冷器、甲烷馏除器次冷却器、乙烯制冷剂冷凝器、丙烷进料蒸发器、重沸器、乙烷再循环冷却器、拔头油冷凝器和乙烯次冷却器、氢回收器等。此外，还有许多特殊用途，并正在不断扩大应用范围。比如：芳香烃、脂肪烃蒸气的冷凝，氟利昂、惰性气体等的冷凝以及室温空气冷却为压缩空气等[12]。

3.3 原子能、航天和电子工业方面

在原子能工业方面，板翅式换热器主要用于氢气提纯、重氢分离装置。原子能研究机构大多采用小型铝制板翅式换热器进行氢的提纯和蒸馏实验[13]。

在航空工业方面，板翅式换热器用作火箭的油冷却器和空气冷却器。在美国阿波罗月球飞船上也曾用铝制板翅式换热器作为飞船内环境温度调节器。

在电子设备上应用的有：硅酮液体/空气换热器、雷达电子设备换热器、空气冷却机箱、水-甘醇/空气换热器等。

3.4 车辆、船舶和动力机械方面

板翅式换热器在车辆、船舶和动力机械方面广泛应用于散热和冷却。如内燃机车散热器、汽车水箱、燃气轮机进气冷却系统、风冷压缩机、挖掘机循环油冷却器、压缩机空冷器和油冷器、船载散热和冷却器等。

4 市场及发展前景

随着板翅式换热器生产技术和加工工艺的不断提高，以及对高性能板翅式换热器的研究更加深入，其结构设计已向微通道和耐高压方向发展，应用领域也越来越广。目前，板翅式换热器的应用已拓展到了日常生活领域，例如空调[14]和家用取暖设备。

现今，新能源已被认为是即将作为第四次产业革命的主导力量，高效、高性能的板翅式换热器必将在新能源开发、工业节能减排等方面有其出色的表现，成为第四次产业革命中最有发展前途的新型换热器设备。

[1]杭州制氧机研究所.国外空分设备铝制板翅式换热器[J].深冷技术，1974，S2.

[2]嵇训达.我国板翅式换热器技术进展[J].低温与特气，1998（1）：22-27.

[3]兰州石油机械研究所.换热器[M].北京：烃加工出版社，1988.

[4]Shah R K.Compact heat exchanger surface selection methods in heat transfer[M].Washington:Hemisphere Publishing Corp,1978:193-199.

[5]朱跃钊，廖传华，史勇春.传热过程与设备[M].北京：中国石化出版社，2008.

[6]第一机械工业部石油机械研究所.板翅式换热器盐溶钎焊工艺[M].北京：第一机械工业部石油机械研究所，1970.

[7]Rabinkin A,Wenski E,Ribaudo A.Brazing stainless steel using a new MBF-series of Ni-Cr-B-Si amorphous brazing foils[J].Welding Research Supplement,1998(2):66-75.

[8]张洪涛，陈怀宁，吴昌忠，等.不锈钢及其板翅式换热器钎焊技术[J].宇航材料工艺，2005(4)：12-18.

[9]凌祥，柳雪华，涂善东.板翅式换热器CAD系统的开发[J].炼油设计，1997，27（6）：57-59.

[10]张哲，厉彦忠，田津津.CFD技术在板翅式换热器设计中的应用[J].低温与超导，2002，30（3）：42-45.

[11]秦叔经，叶文邦.化工设备设计全书——换热器[M].北京：化学工业出版社，2003.

[12]北京石油化工总厂设计院.石油化工技术情报[M].北京：北京石油化工总厂设计院，1978.

[13]化学工业部第四设计院.深冷手册[M].北京：化学工业出版社，1979.

[14]张小松，周乐平.板翅式换热器作为房间空调器蒸发器的试验研究[J].流体机械，1999，28（8）：307-311.

Technological Development and Application of Plate-fin Heat Exchanger

Xue TaoShe ZhihongChen ChengTang HanyuanYu Xingwei

The basic structure,the fin type and the heat transfer mechanism of the plate-fin heat exchanger is elaborated,followed by the discussion of its development history and direction in respect of the brazing technology, the new-material development and the computer-aided system.Moreover,its application in the complex process of the multi-stream heat exchanging as well as the development potential in the field of the new energy resources is briefly introduced.

Plate-fin heat exchanger;Structural characteristics;Vacuum brazing;New material;Application; Development potential

TQ 051.5

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.08.007

2015-12-31)

*薛焘，男，1985年生，硕士研究生，工程师。北京市，100083。