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

　　1.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，寬高比較大的矩形通道流道品質(zhì)（j/f）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)（Computational fluid dynamics，簡(jiǎn)稱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。篩法每次只考慮流體一側(cè)，在給定壓降時(shí)，根據(jù)最小迎風(fēng)面和最小換熱面積（或體積）來(lái)選擇最佳表面。
　　2.傳熱和流動(dòng)分析
　　板翅式換熱器傳熱分析一般采用傳熱單元數(shù)法（ε-Ntu），該法為便于手工計(jì)算，作了一些理想化的假設(shè)，這些假設(shè)條件有時(shí)會(huì)對(duì)換熱器的設(shè)計(jì)產(chǎn)生顯著影響，因此必須考慮進(jìn)行修正。如傳熱計(jì)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(jì)算物性^［2］。但若流體物性變化很大，則應(yīng)將換熱器按能量平衡分成幾部分，假定各部分內(nèi)的物性為一常數(shù)。溫度對(duì)j和f的影響有時(shí)也需考慮，如 j和f試驗(yàn)數(shù)據(jù)通常在常溫下獲得，用于高溫下時(shí)就要修正，文獻(xiàn)［2］應(yīng)用物性比法計(jì)入了流體物性隨溫度變化對(duì)j或Ntu和f的影響。
　　物流不均勻會(huì)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(jiǎn)單的總管分配不均勻性分析可通過(guò)解析方法完成，如兩股流板翅式換熱器^［3］。復(fù)雜的只有通過(guò)數(shù)值計(jì)算方法來(lái)分析傳熱過(guò)程，如Chiou研究了兩種情況下流量分配不均勻性對(duì)單程錯(cuò)流換熱器熱工性能的影響。對(duì)通道間物流分配不均勻的研究，London采用單通道模型對(duì)低Re層流狀態(tài)下的情況進(jìn)行了理論分析。后來(lái)又將該理論分析推廣于N通道模型分析^［4］。Weimer等就不均勻流體分配對(duì)多股流多通道換熱器性能影響進(jìn)行了研究。對(duì)于兩相流問(wèn)題，不均勻分配問(wèn)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(yán)重偏離設(shè)計(jì)工況。綜觀國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究，較多是定性的，離設(shè)計(jì)應(yīng)用仍有很大距離，因此物流不均勻性問(wèn)題仍是中外學(xué)者研究的一個(gè)重要方向。
　　多股流板翅式換熱器目前研究的重點(diǎn)在通道分配及通道排列問(wèn)題上，對(duì)于這方面的研究還不充分，從來(lái)沒(méi)有形成一個(gè)較為一致的原則來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)通道分配及通道排列。因此，對(duì)多股流換熱的物理模型和計(jì)算方法等還有待于進(jìn)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系數(shù)，但相對(duì)于單相流的傳熱和流動(dòng)，兩相流傳熱機(jī)理研究還很不夠，目前公開(kāi)發(fā)表的關(guān)于板翅式表面在相變和兩相流方面的文獻(xiàn)還較多局限于空分設(shè)備領(lǐng)域中^［8，9］。由于板翅式換熱器中沸騰和冷凝的性能數(shù)據(jù)非常有限，因此還無(wú)法提供用于設(shè)計(jì)的通用綜合關(guān)系式，也不能提供對(duì)圓管公式的修正方法。
　　從上面評(píng)述的幾個(gè)問(wèn)題不難看出，板翅式換熱器內(nèi)流體流動(dòng)與傳熱規(guī)律是十分復(fù)雜的，僅掌握經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式并不能最終達(dá)到開(kāi)發(fā)新的傳熱表面和精確設(shè)計(jì)的目的。解決上述問(wèn)題，完全通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究雖然可行，但費(fèi)用高，周期長(zhǎng)。因此，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)加強(qiáng)了設(shè)計(jì)制造方法學(xué)的研究，提出通過(guò)“數(shù)值試驗(yàn)”——計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模擬計(jì)算，來(lái)評(píng)價(jià)、選擇和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，從而大幅度地減少實(shí)驗(yàn)室和實(shí)體試驗(yàn)研究工作量。
　　應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)進(jìn)行換熱器模擬最早由Patankar在1972年提出。80年代核電廠換熱設(shè)備向大型化、高參數(shù)化的發(fā)展，促進(jìn)了這方面的研究，多種通用的大型計(jì)算軟件，如CFD2000、PHOENICS等已經(jīng)商品化，使復(fù)雜的流場(chǎng)分析得以實(shí)現(xiàn)。國(guó)外利用PHOENICS和FLOW3D等大型通用流場(chǎng)軟件在模擬蒸汽發(fā)生器、冷卻塔及電站冷凝器方面進(jìn)行了一些分析工作；國(guó)內(nèi)鄭州工業(yè)大學(xué)^［10］用PHOENICS對(duì)管殼式換熱器流場(chǎng)進(jìn)行模擬研究，也取得了階段性成果。應(yīng)用CFD研究板翅式換熱器雖然還少有人問(wèn)津，但筆者認(rèn)為，應(yīng)用CFD分析揭示板翅式換熱器傳熱機(jī)理和進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)將是今后研究的重點(diǎn)內(nèi)容，考慮到我國(guó)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.計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）
　　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)算機(jī)輔助工程技術(shù)（Computer Aided Engineering）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］，部分廠家的使用結(jié)果表明，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AutoCAD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.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

　　1.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，他們的產(chǎn)品性能比較可參見(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)1200mm×1200mm×6000mm，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.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)5650m²/m³。美國(guó)3M公司已有緊密度為4000～8600片/m的翅片，水力直徑D_h僅為0.1mm，并曾在試驗(yàn)中獲得2MW/m²的熱流密度。德國(guó)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(kāi)發(fā)出β=15000 m²/m³的微型換熱器。
　　3.鈦和不銹鋼板翅式換熱器釬焊工藝
　　據(jù)國(guó)外文獻(xiàn)報(bào)道，現(xiàn)在不銹鋼板翅式換熱器產(chǎn)品的耐溫和耐壓極限已達(dá)到850℃及14.0MPa。不銹鋼板翅式換熱器最常用的釬料^［16］是鎳基釬料，其次是銅基、銀基和錳基釬料，其中只有采用鎳基釬料才能使產(chǎn)品既耐高溫又耐腐蝕。采用真空釬焊的不銹鋼主要是奧氏體^［17］、鐵素體和馬氏體^［18］不銹鋼。目前鎳基釬料釬焊不銹鋼的工藝還不成熟，特別是大型不銹鋼板翅式換熱器，還有許多問(wèn)題需要解決，如不銹鋼熱膨脹系數(shù)大，導(dǎo)熱系數(shù)低，容易因熱應(yīng)力產(chǎn)生裂紋，易產(chǎn)生脆性極大的σ相和發(fā)生晶間貧鉻等。另外，不銹鋼板翅式換熱器對(duì)釬焊前的處理要求非常高，對(duì)表面異物敏感性高。鈦板翅式換熱器的制造工藝研究國(guó)內(nèi)剛剛起步，蘇云海曾應(yīng)用銀基釬料對(duì)鈦合金板翅式換熱器的釬焊工藝進(jìn)行了探索^［19］。

板翅式換熱器的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

　　當(dāng)前，國(guó)際上對(duì)板翅式換熱器的研究正在不斷深入，主要集中在以下幾個(gè)方面。
　　1.耐高壓、高溫和耐腐蝕的新型板翅式換熱器開(kāi)發(fā)
　　雖然板翅式換熱器的優(yōu)點(diǎn)已得到公認(rèn)，但人們始終沒(méi)有放棄對(duì)適應(yīng)性更廣，特別是能耐更高壓力、耐高溫和耐腐蝕、不易結(jié)垢的新型板翅式換熱器的追求。日本仲摩信人的試驗(yàn)^［20］表明，用鋁碳釬維復(fù)合材料制成板翅式換熱器可以承受35MPa的壓力。南京化工大學(xué)開(kāi)發(fā)的石墨改性碳纖維增強(qiáng)聚四氟乙烯板翅式換熱器，具有極強(qiáng)的抗腐蝕和抗結(jié)垢能力，可以用于石油化工領(lǐng)域的許多惡劣工況條件下。由特殊陶瓷材料制成的板翅式換熱器，可耐1000℃以上高溫。由于航天、電子及超導(dǎo)等工業(yè)的要求，各種微型板翅式換熱器的研制與改進(jìn)正方興未艾^［21］。
　　2.真空釬焊工藝的推廣和改進(jìn)以及新制造工藝的研究
　　鋁板翅式換熱器的真空釬焊工藝已經(jīng)成熟，但鈦和不銹鋼板翅式換熱器真空釬焊工藝還有待進(jìn)一步完善和改進(jìn)。采用釬焊技術(shù)制造板翅式換熱器，很難大幅度提高其耐壓能力。擴(kuò)散熔合焊為大幅度提高板翅式換熱器的耐壓能力提供新的途徑。英國(guó)洛爾斯-羅伊思公司采用超塑性成型和擴(kuò)散熔合的技術(shù)生產(chǎn)出一種可在35MPa下運(yùn)行的鈦板翅式換熱器。英國(guó)馬爾斯頓公司研究應(yīng)用擴(kuò)散焊法（激光焊和電子束焊）生產(chǎn)不銹鋼板翅式換熱器。
　　3.基于CFD技術(shù)的傳熱、流動(dòng)及防結(jié)垢研究
　　關(guān)于傳熱、流動(dòng)及防結(jié)垢的研究主要有以下幾個(gè)方面。
　　(1)傳熱、壓降系數(shù)及有關(guān)關(guān)聯(lián)式　目前這些系數(shù)和關(guān)聯(lián)式還不齊備，有許多工業(yè)上用的傳熱表面的數(shù)據(jù)不全或缺少可用的關(guān)聯(lián)式，對(duì)于傳熱單元數(shù)NTU較大的情況，試驗(yàn)技術(shù)有較大的誤差，有待于改進(jìn)，翅片與隔板聯(lián)接的熱阻及其對(duì)整個(gè)傳熱過(guò)程的影響也需要更進(jìn)一步研究。
　　(2)傳熱機(jī)理和各種傳熱表面的數(shù)值解　由于僅僅掌握經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式并不能最終解決開(kāi)發(fā)新的傳熱表面、強(qiáng)化傳熱和精確設(shè)計(jì)等問(wèn)題，研究工作者越來(lái)越多地把精力投入到應(yīng)用CFD技術(shù)求傳熱與流動(dòng)的數(shù)值解方面，以期建立模擬傳熱和流動(dòng)的數(shù)值模型，并通過(guò)計(jì)算來(lái)預(yù)測(cè)新型表面的傳熱及阻力系數(shù)及其關(guān)系。
　　(3)伴有相變及兩相流的傳熱及流動(dòng)^［22］　相對(duì)于單相流的傳熱與流動(dòng)，這一方面的研究顯得很薄弱，今后仍是重點(diǎn)研究的一個(gè)領(lǐng)域。
　　(4)防結(jié)垢問(wèn)題　氣側(cè)結(jié)垢一般并不十分嚴(yán)重，但是傳熱面緊湊程度越高，其水力直徑D_h越小，垢層對(duì)流道截面減小的影響就越大，因而這一問(wèn)題仍然是工業(yè)界最為關(guān)心的問(wèn)題之一。
　　(5)其它問(wèn)題　物性變化的影響、表面選擇方法、如何從結(jié)構(gòu)上保證流體均布、流道如何合理布置以及縱向?qū)嵊绊懙榷喾矫娴膯?wèn)題在設(shè)計(jì)中一直未徹底解決，仍然有待進(jìn)一步研究。
　　4.計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)的應(yīng)用
　　CAE研究將集中在計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)參數(shù)化繪圖、計(jì)算機(jī)快速創(chuàng)型和快速報(bào)價(jià)系統(tǒng)等幾方面。
　　5.應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步拓寬
　　在化學(xué)工業(yè)中，利用板翅式換熱器作為反應(yīng)器的研究已進(jìn)行多年，使板翅式換熱器除了起換熱作用外，還同時(shí)完成其它功能如傳熱反應(yīng)等一直是工業(yè)界關(guān)心的問(wèn)題。在核能、宇航、超導(dǎo)等尖端技術(shù)中應(yīng)用板翅式換熱器還遇到不少問(wèn)題。隨著板翅式換熱器技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展與完善，可以預(yù)期其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嗤貙挕?/FONT>