， ， ， ， ， ， (1.甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司， 甘肅 蘭州 70070；2.上藍濱石化設備有限責任公司， 上 201518；.中國石油 烏魯木齊石化分公司， 新疆 烏魯木齊 80019)

技術綜述

板翅式熱交換器研究進展

楊磊杰1，2，林海萍1，2，黃衛(wèi)東3，劉一凡1，2，常春梅1，2，唐海1，2，郝開開1，2
(1.甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司， 甘肅 蘭州 730070；2.上海藍濱石化設備有限責任公司， 上海 201518；3.中國石油 烏魯木齊石化分公司， 新疆 烏魯木齊 830019)

板翅式熱交換器具有結構緊湊、高效的特點，近年來應用領域得到不斷地擴展。綜述了單相流和兩相流板翅式熱交換器入口封頭、分布器以及流道的物流分配，翅片的傳熱和流動特性及表面特性，新型翅片、多股流板翅式熱交換器的多目標優(yōu)化設計，鋁合金釬焊用釬料等方面的發(fā)展和研究進展情況。指出將CFD數(shù)值模擬、實驗研究、理論分析3種方法有機結合是研究板翅式熱交換器的有效手段，板翅式熱交換器應用領域拓展，物流分配，新型翅片開發(fā)，釬焊技術，新材料、新工藝的應用，多相流、多股流板翅式熱交換器的優(yōu)化設計以及工藝計算軟件的開發(fā)等將是今后的研究發(fā)展方向。

板翅式熱交換器； 物流分配； 翅片； 優(yōu)化設計； 研究進展

板翅式熱交換器是一種結構緊湊、輕巧的高效熱交換器，比其他形式熱交換器的擴展換熱表面性能都好。板翅式熱交換器的單相流股傳熱溫差低至1 ℃，多相流股傳熱溫差可至3 ℃，單位體積的換熱面積超過1 500 m2/m3，比常規(guī)列管熱交換器高出一個數(shù)量級。

板翅式熱交換器通常由翅片、隔板、封條和導流片組成，在相鄰兩隔板間放置翅片、導流片以及封條組成熱交換器通道，通過釬焊組成板束，經(jīng)疊摞組裝為熱交換器的芯體，配備封頭、接管、支撐等構成板翅式熱交換器。其流道小而多，相同承壓需求下所需的壁面材料厚度小。板翅式熱交換器已經(jīng)被廣泛用于石油化工、原子能以及航空航天等領域，近年來在制冷、余熱回收、節(jié)能等領域的更多工況也得到了應用，例如再生制冷器[1]、空氣制冷機系統(tǒng)[2-4]、節(jié)能型冷凍除濕機[5]、LNG的冷能回收[6]、大功率LED路燈散熱器[7]、液力減速器散熱器[8]、重型柴油機能量回收[9]等。隨著板翅式熱交換器應用范圍的不斷擴大，國內(nèi)外在板翅式熱交換器設計理論、實驗研究等方面得到了發(fā)展促進，文中對相關內(nèi)容進行簡單介紹。

1 板翅式熱交換器流體分配特性研究

板翅式熱交換器具有較多的并行分隔通道，物流分配的不均勻性是導致板翅式熱交換器性能下降的主要因素。

1.1 封頭和導流片

1.1.1單相流流體

對于封頭和導流片，可以通過實驗和計算流體動力學(CFD)方法對其進行模擬優(yōu)化設計并相互驗證，應用CFD模擬設計可以大幅減少實驗支出，已經(jīng)成為當前的主要研究方法。王斯民等設計了3種改進型的S彎封頭結構并進行了實驗研究，結果表明，3種改進型封頭物流分配的均勻性較原始封頭都有很大程度的提高，絕對不均勻度和相對不均勻度的降幅均超過80.0%，極值比降幅均超過40.0%[10]。沈素萍等從封頭曲線對流體的引導作用出發(fā)，對熱交換器入口段流場的均勻性進行優(yōu)化，設計了上拋物線型和正切型2種改進型封頭[11]。田津津等在傳統(tǒng)空分裝置的瓜皮式封頭內(nèi)部添加分流孔板，并通過實驗研究了板翅式熱交換器封頭高度與流體分配之間的關系，結果表明，板翅式熱交換器的封頭高度越高，流體分配就越均勻[12]。張哲等通過實驗進一步研究了新型孔板封頭的孔板長度、開孔分布規(guī)律和小孔直徑等參數(shù)對板翅式熱交換器流體分配及換熱的影響，小孔的不均勻分布效果優(yōu)于均勻分布，錯排分布效果優(yōu)于順排分布效果[13]。王少華等首次提出了一種用于板翅式熱交換器物流均勻分配的導流翼裝置，當導流角度相同時，隨著翼片距離的增大，出口流量的不均勻性總是呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，當導流翼角為70°、翼片頂端安裝距離為6 mm時，板翅式熱交換器封頭內(nèi)部物流分配效果最佳[14]。

對于單相流體，以入口管軸線為對稱軸，流體高速區(qū)集中在截面中央，流速從中間向兩端遞減，速度在橫向和縱向上的分布只有一個峰值，速度分化現(xiàn)象明顯，并且不均勻性隨著入口平均雷諾數(shù)的增加而增加。板翅式熱交換器橫向流體分配的不均勻性大于縱向流體分配的不均勻性，影響橫向流體分配的主要因素是導流片的導流性能，而影響縱向流體分配不均勻性的主要因素包含了封頭和導流片性能的綜合影響。對單相流板翅式熱交換器，改進封頭外形結構可有效減少流體的分離和漩渦現(xiàn)象，延長水力路徑，使流體能更充分地向封頭兩側分配，減輕分配不均勻。在封頭內(nèi)添加擋板，可使流體沖擊擋板后形成漩渦流體而被分配到封頭邊緣地帶。在封頭內(nèi)部添加導流片，對流體進行橫向再分配，壓力損失相對較小，可有效改善偏離入口管的周邊通道流體分配量少的缺點。

1.1.2兩相流流體

兩相流流體在熱交換器出口截面上的分配特性主要體現(xiàn)在液相流體的橫向不均勻分配方面。傳統(tǒng)的工業(yè)用封頭內(nèi)兩相分布極不均勻，比單相流體分布更加復雜，是熱交換器效率低下、傳熱惡化的重要原因之一。

張哲等對兩相流流體在板翅式熱交換器內(nèi)的分配特性進行了實驗研究，結果表明，液相與氣相流體不均勻度在實驗工況下分別達到0.951和0.13[15]。WANG S M等提出了一種改進型的帶有打孔擋板的封頭，可以有效改善兩相分布的均勻性和干度分布，氣相不均勻度、液相不均勻度和干度不均勻度分別降低了44.0%、35.0%和30.0%[16]。王武昌等提出了一種加裝打孔擋板的封頭，研究了擋板厚度、擋板通孔的布置以及孔徑大小對擋板整流作用的影響[17]。陳高飛等在封頭的腔體內(nèi)利用重力對進入板翅式熱交換器的兩相流進行氣液分離，氣相介質(zhì)通過上部腔體引出進入芯體，液相介質(zhì)從封頭下部腔體進入熱交換器，實現(xiàn)了兩相流的均配，提高了換熱效率[18]。

李焱等對先混合、后分配和先分配、后混合兩種入口分配方式的分配性能進行評估后發(fā)現(xiàn)，液相的不均勻程度高于混合相的不均勻程度，流量越大，液相比例越大，氣液分配的不均勻度越大。相同流量條件下，先分配、后混合的入口方式能夠更有效地提高板翅式熱交換器的流體流動分配均勻性，有效抵抗傾斜條件帶來的影響[19，20]。在適合的流量工況條件下，先分配、后混合結構的氣液分配不均勻度相比傳統(tǒng)封頭結構降低了一個數(shù)量級[21]。Yuan P等針對氣液兩相混合物的分配，提出了一種氣液兩相分別進入分布器的分配器結構，并且采用CFX軟件對分配器的分布特性進行了研究。研究結果表明，這種分配器結構可以有效改善兩相流體的分布[22]。Zhang Z等對30°、45°、60°、75°這4種角度的分配器結構進行了研究，證明45°分配器具有最好的性能。同時設計了一種具有補液腔的改進型分配器，發(fā)現(xiàn)當補液腔高度與總分配器高度之比為0.2時，流體分布和傳熱均勻性最好，溫度的不均勻性由1.078降至0.712，雷諾數(shù)對于流動分布的不均勻性具有顯著影響[23]。陳杰等設計的板翅式熱交換器氣液兩相均布裝置采用液相從封條兩側進入流道、氣相從中間進入流道的方式，有效避免了局部汽化導致的傳熱惡化現(xiàn)象和出口流道內(nèi)出現(xiàn)的局部蒸干現(xiàn)象，有利于降低封條出口附近與翅片釬焊處的局部熱應力集中[24]。

受兩相流流體密度差和氣液兩相的交互作用，入口干度、氣相雷諾數(shù)等對兩相流的不均勻度影響很大，通過在封頭內(nèi)設置兩相流均配擋板、氣液分配器等對兩相流流體進行二次分配，或者采用氣液兩相分別進入熱交換器的方式，可以有效地減少氣液兩相流體的交互作用，從而提高氣液兩相的均布性。

1.2 熱交換器外形尺寸及流道結構

WANG W P等研究發(fā)現(xiàn)，分配通道的長和寬對于板翅式熱交換器結構內(nèi)流體分布具有主要影響，當板翅式熱交換器的長度增加或者寬度降低時，流體分布更均勻，但是流體的壓降會升高，呈動態(tài)平衡現(xiàn)象[25]。劉金平等針對板翅式熱交換器中混合工質(zhì)相變換熱具有大溫度滑移的特點，提出了一種可變流通面積的逆流板翅式熱交換器及控制方法，使得板翅式熱交換器更能適應流體速度變化，改善換熱和流動情況，可實現(xiàn)向下降膜沸騰和向上冷凝，增強換熱、減小壓降。板翅式熱交換器中流體的不均勻性會影響熱交換器的性能，其中質(zhì)量流速的不均勻性會導致通過流道的壓降增加，是影響其性能的主要因素[26]。RAMAKANTH M等使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡計算方法對熱交換器的尺寸進行預測和優(yōu)化，研究表明，單個通道的直徑最小時，流體的不均勻性最小，增加流道的直徑，質(zhì)量流速的不均勻性增加。通過對不同直徑流道的質(zhì)量流速進行預測，可以使熱交換器的流體的不均勻性最小化[27]。WANG W P等采用多孔介質(zhì)模型研究了流體動態(tài)黏度和打孔翅片流道的流體分布和壓降，表明通過增加流體的動態(tài)黏度和使用打孔翅片可以改善流體的分布，但是壓降會升高[28]。ALIABADIA M K等對7種常用的板翅式通道結構進行了實驗研究和性能評估，發(fā)現(xiàn)帶有擾流器的通道結構在適當降低換熱面積的同時可以顯著提高傳熱性能，在低雷諾數(shù)條件下，波紋型翅片的通道性能最優(yōu)[29]。劉景成等設計了1種新型板翅式熱交換器流道結構，通過改變板翅式熱交換器流道內(nèi)流體的流動方向來延長熱交換器中流體的流動距離，與傳統(tǒng)流道相比，改進后的流道增大了流體的湍流性能，強化了板翅式熱交換器的換熱效果[30]。

板翅式熱交換器內(nèi)的流體分配不均使得熱交換器的效率降低、壓降增大，可以通過對封頭、導流片、分配器、熱交換器外形尺寸以及流道結構進行研究改進，使流體在熱交換器內(nèi)部的分配更加均勻，從而提高熱交換器的效率。在改善板翅式熱交換器內(nèi)部分配性的同時減少阻力損失，控制壓降應當是研究的重點。

2 板翅式熱交換器翅片研究

翅片是板翅式熱交換器最基本的傳熱元件。傳熱過程主要依靠翅片完成，少部分傳熱直接由隔板完成，翅片與隔板通過釬焊結合，大部分熱量先經(jīng)過翅片、再通過隔板傳到冷流體。翅片傳熱不像隔板直接傳熱，故有二次表面之稱。當前應用的板翅式熱交換器翅片主要有平直翅片、多孔翅片、鋸齒翅片以及波紋翅片。國內(nèi)外對于翅片的流動傳熱特性以及表面特性等進行了系列研究，并且開發(fā)出了一些新型翅片。

2.1 翅片流動傳熱特性

文鍵等采用CFD數(shù)值模擬方法，研究了翅片結構參數(shù)和入口雷諾數(shù)對板翅式熱交換器平直翅片表面?zhèn)鳠崤c流動阻力特性的影響，發(fā)現(xiàn)流體在翅片通道內(nèi)的溫度分布呈一定梯度，靠近一次表面的流體溫度梯度較大，而靠近二次表面的流體溫度梯度較小[31]。BUYRUK E等通過共軛傳熱方法對翅片節(jié)距為10 mm、與水平方向呈30°和90°夾角的矩形翅片進行研究，結果表明，在相同翅高下，翅片夾角為30°、間距為20 mm的熱交換器換熱效率最高[32]。Yang Y等針對鋸齒翅片提出了一個新的參數(shù)——相對熵產(chǎn)分布因子ψ*，采用該參數(shù)對翅片表面性能進行評價。在較小的傳熱溫差下，鋸齒翅片性能更好，翅厚、翅高、翅片密度對鋸齒翅片的傳熱影響較大[33]。楊輝著等提出了利用Kriging響應面來近似目標函數(shù)與設計變量之間的關系，應用遺傳算法對鋸齒翅片結構參數(shù)進行優(yōu)化[34]。徐曉冉等對板翅式熱交換器雙流道進行實驗和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，當冷側的入口速度和溫度一定時，熱側的傳熱系數(shù)和壓降隨著熱側入口速度的增加而增大。板間距一定時，并非翅片高度越高傳熱性能越好，翅片間距越小，傳熱性能越好[35]。

2.2 翅片表面特性

翅片的傳熱和流動阻力性能主要取決于翅片的表面性能。文建等對平直翅片的表面性能進行研究發(fā)現(xiàn)，隨著翅片高度和翅片間距的增加，平直翅片的表面?zhèn)鳠嵋蜃觠和摩擦因子f增大；隨著雷諾數(shù)的增加，j的差值越小而f的差值則逐漸增大，增加翅片厚度可在一定程度上提高其換熱性能[36]。魏進家等對層流狀態(tài)下的板翅式熱交換器進行研究發(fā)現(xiàn)，隨著雷諾數(shù)的增大，j和f逐漸減小，熱交換器單側的傳熱表面功率因子α*逐漸變大[37]。ZHANG L J等通過對空氣-油板翅式熱交換器進行性能測試發(fā)現(xiàn)，當翅片厚度和翅片節(jié)距增加時，傳熱系數(shù)HTC和壓降都升高，j/f降低，板翅主體的最高溫度提高，最大切應力明顯降低，最高溫度和最大切應力出現(xiàn)在前后翅片的節(jié)點處或者釬焊焊縫處[38]。厲彥忠等提供了一種面向板翅式熱交換器設計的翅片流動和換熱性能預測方法，并通過相關實驗數(shù)據(jù)進行檢驗，可以實現(xiàn)對鋸齒翅片表面?zhèn)鳠嵋蜃雍湍Σ烈蜃拥臏蚀_預測，與傳統(tǒng)的Manglik設計方法相比準確性更高[39]。YANG Y等采用CFD模擬方法對鋸齒翅片進行研究，獲得了大量的數(shù)據(jù)，通過進一步分析得到了一組新的關聯(lián)式，可對鋸齒翅片的傳熱因子和摩擦因子進行常規(guī)預測，該關聯(lián)式具有很高的準確性，可用于指導板翅式熱交換器的設計[40]。

2.3 新型翅片

劉偉等發(fā)明了一種將多孔翅片和鋸齒翅片結合的鋸齒形翅片，可取代現(xiàn)有的多孔形翅片，促進流體擾動，起到了強化傳熱的作用[41]。師艷平等發(fā)明了一種用于非共沸多組分混合物冷凝過程的梯形翅片，通過在梯形的2個腰上沖壓加工形成突刺，從而對粘性底層液膜的穩(wěn)定性造成破壞，強化換熱[42]。管介善等通過在翅片表面涂覆親水膜，避免了在濕工況下水橋?qū)е碌娘L阻和能耗加大[43]。碳化硅陶瓷板翅式高溫熱交換器具有極強的耐高溫和腐蝕性能，NAGARAJAN V等對矩形翅片、三角形翅片、倒螺栓翅片、粗齒鋸形翅片這4種翅片進行研究發(fā)現(xiàn)，鋸齒形翅片的應力較小，安全系數(shù)較高，壓降和摩擦因子更低，傳熱效率適當[44]。文鍵等對不銹鋼鋸齒翅片進行研究發(fā)現(xiàn)，焊縫和兩排翅片連接處為受力薄弱環(huán)節(jié)，翅距減小，翅厚增大，翅片內(nèi)外通道壓差減小時，翅片的承壓能力增強，安全性能提高，翅高、翅片節(jié)距、翅片加工尺寸對翅片的安全性能影響較小[36]。

板翅式熱交換器的翅片是利用幾何結構的不連續(xù)性破壞氣流邊界層的發(fā)展和加強流體擾動進行強化換熱的，可以通過翅片結構改變以及表面改性來強化傳熱。翅片在增加傳熱面積的同時強化傳熱，并且提供較高的傳熱系數(shù)，但同時增加了流動摩擦和壓降。

國內(nèi)外針對板翅式熱交換器翅片流動和傳熱的研究方法有理論分析、實驗研究和數(shù)值模擬，采用這些方法對翅片幾何結構進行研究改性，選擇最合適的結構參數(shù)，以達到熱交換器流動和傳熱效果的最大化。

3 板翅式熱交換器換熱優(yōu)化設計

與傳統(tǒng)的兩股流熱交換器相比，多股流熱交換器具有傳熱效率高、結構緊湊以及散熱跑冷損失小等優(yōu)點，已在空分、低溫和化工等領域得到了廣泛的應用，獲得了良好的經(jīng)濟效益。對于板翅式熱交換器，尤其是多股流板翅式熱交換器，各股流體入口參數(shù)與通道排列方式的不同、不同邊界條件下翅片效率的不同，均導致板翅式熱交換器的優(yōu)化設計更加復雜。

3.1 直接優(yōu)化方法

李俊等對同一通道單元格內(nèi)流體流動的橫向傳熱進行了分析，證明了忽略流動橫向傳熱的可行性，提高了計算效率，同時通過實驗數(shù)據(jù)對數(shù)值計算方法進行了驗證[45]。朱曉磊等考慮了多股流熱交換器流體在通道出口非等溫混合產(chǎn)生的耗散，發(fā)現(xiàn)火積散熱阻越小，換熱量越大[46]。TAHOUNI N等針對一些含有大量氣體或者兩相的流股，依據(jù)夾點技術，提出了一種考慮多種物性的多股流板翅式熱交換器的設計方法，使得計算結果更加真實可靠[47]。GOYAL M等提出了一種針對深冷領域多股流板翅式熱交換器的有限體積法模型，考慮了橫向的熱傳導/重疊模式以及一些次要參數(shù)的影響，排除了使用翅片效率的影響，可以用于氦液化和制冷系統(tǒng)的板翅式熱交換器的計算校核[48]。Babaelahi M等將熱熵產(chǎn)和壓力熵產(chǎn)作為兩個目標函數(shù)并且同時最小化，可以達到熵產(chǎn)、壓降、泵功率、操作費用和總費用降低的目標，能夠更好地權衡傳熱相關熵產(chǎn)和流體摩擦損耗[49]。

3.2 遺傳學算法

WangZ等提出了一種基于遺傳學算法的雙適應函數(shù)，可以用于調(diào)節(jié)局部熱平衡和單通道熱負荷差異，可以對通道累加熱負荷σ曲線圖的加權偏差進行評價，得到的實驗結果與HTFS MUSE模擬結果一致[50]。Yin H等以單目標和多目標的遺傳學優(yōu)化算法對空調(diào)系統(tǒng)板翅式水-水熱交換器結構參數(shù)進行了優(yōu)化計算。采用修正后的熵產(chǎn)單位數(shù)，推導了相應液體工作介質(zhì)摩擦產(chǎn)生的單位熵產(chǎn)和傳熱產(chǎn)生的單位熵產(chǎn)，并將隔板和翅片的對流傳熱系數(shù)定義為獨立參數(shù)修正表面綜合效率計算公式，所得結果更加精確[51]。肖武等以通道的熱負荷累積均方差為目標函數(shù)，提出基于序列數(shù)編碼方式的改進遺傳算法進行多股流板翅式熱交換器通道的優(yōu)化設計，實現(xiàn)了個體間交叉和變異遺傳操作。序列數(shù)編碼的遺傳算法增加了遺傳算法種群中個體的多樣性，提高了搜索效率，具有更好的全局搜索能力[52]。胡云云等運用變工況下板翅式熱交換器的通道排列柔性設計方法，采用遺傳算法對多股流板翅式熱交換器的通道排列進行優(yōu)化，極大地提高了設計速度和設計效率，同時實現(xiàn)了板翅式熱交換器的柔性優(yōu)化設計，使得熱交換器能夠滿足全年不同工況的操作要求[53]。

遺傳學算法可用于多股流板翅式熱交換器流道布置和換熱網(wǎng)絡的優(yōu)化設計，這一基本理論還可拓展用于板翅式熱交換器的其他相關參數(shù)，如壓降、翅片結構、火用效率以及經(jīng)濟性的多目標優(yōu)化設計。

3.3 混合算法

GUO D C等采用兩種改進的遺傳算法和一種特殊的蒙特卡洛算法對一種阻止泄漏的安全腔體結構進行優(yōu)化。蒙特卡洛算法排除了優(yōu)化隨機性和流動條件的影響，與直接優(yōu)化方法、遺傳學算法相比，其大多數(shù)的計算結果平均效率高很多[54]。PENG X等基于對數(shù)平均溫差法研究了一種多操作條件下多股流板翅式熱交換器換熱流道布置設計新方法，構建了相應的傳熱速率、流道布置和翅片設計參數(shù)，并通過混合粒子群算法計算了多種操作條件下通道的布置系數(shù)和設計空間。該方法已經(jīng)被成功應用于80 000 m3空分裝置主熱交換器的通道布置和板翅結構優(yōu)化[55]。ZAREA H等根據(jù)ε-NTU算法和蜜蜂算法對鋸齒形錯流板翅式熱交換器進行優(yōu)化設計，使換熱效率最大化和熵產(chǎn)數(shù)最小化。這種算法與遺傳學算法、粒子群算法、帝國主義競爭算法相比得到的優(yōu)化結構精準度更高，具有很強的自我搜索和結合優(yōu)化能力，可根據(jù)不同的設計目標，如最小面積或消耗進行優(yōu)化[56]。

3.4 其它算法

PATEL V等采用多目標教學優(yōu)化算法對板翅式熱交換器進行優(yōu)化設計。該方法提供了多種不同的優(yōu)化方法供用戶選擇符合實際應用的最佳設計參數(shù)，容易自定義，可以應用于其它包含了諸多變量和目標的熱力學系統(tǒng)的優(yōu)化[57]。HAJABDOLLAHI H等采用多目標粒子群算法對各自通道為相同翅片和不同翅片的板翅式熱交換器進行熱力學優(yōu)化[58]。肖鑫等研究了全局及局部搜索能力俱佳的改進Alopex進化算法，并利用該算法對新型船用中冷器進行了優(yōu)化設計。改進混合算法能夠得到比簡單遺傳算法和簡單Alopex算法更優(yōu)的設計結果，能夠為船用中冷器的進一步優(yōu)化設計提供參考[59]。沈愜等應用商用軟件MUSE對中子慢化器低溫系統(tǒng)低溫氫氦介質(zhì)之間的板翅式熱交換器進行了設計[60]。

當前，ε-NTU算法、遺傳學算法是較為常用的板翅式熱交換器優(yōu)化設計方法，MO-ITLBO算法、Alopex算法、蒙特卡洛算法等一些改進的新型優(yōu)化方法具有提高設計速度、設計效率和計算準確度等優(yōu)點，對熱交換器熱力學和經(jīng)濟學的最優(yōu)化設計效果顯著。

國際上當前選用的板翅式熱交換器優(yōu)化商用軟件有HTFS MUSE以及HTRI，可對各種工況下的板翅式熱交換器進行優(yōu)化設計。

4 鋁合金釬焊用釬料

板翅式熱交換器的主要材料為鋁合金，關于低熔點鋁合金釬焊的最核心的問題是缺乏合適的低溫鋁釬料。鋁合金釬焊主要使用鋁基釬料，Al-Si釬料是當前應用最廣泛的釬料，此系列釬料熔化溫度為570～630 ℃，而鋁合金母材的固相線溫度在600 ℃左右，釬焊溫度與母材固相線溫度接近，極易引起母材晶粒長大、溶蝕等問題，嚴重影響釬焊接頭的力學性能。

李小強等研究了Al-Si-Cu-Zn釬料，并對3003鋁合金進行釬焊實驗，發(fā)現(xiàn)當釬焊溫度為560 ℃、保溫10 min時，接頭的室溫抗剪切強度達到最大值92.3 MPa，約為母材強度的62.7%[61]。李秀朋等采用熱壓燒結法制備了Al-12Si白釬劑釬料環(huán)，釬料環(huán)在3003鋁合金上潤濕性能良好，接頭抗拉強度達到70 MPa[62]。Niu Z等開發(fā)出了一種新型的Al-Si-Ge-Zn釬料，熔點為505.2～545.1 ℃，固相線和液相線溫差為39.9 ℃，該釬料具有很好的可加工性和潤濕性，在焊料和基底金屬間生成了一層薄的α-Al固溶物，顯著提高了焊接接頭的強度[63]。劉晗等研究了Zn、Sr元素對Al-Si-Zn釬料性能的影響，研究結果表明，Zn元素含量降低，可增大釬料的鋪展面積51%，6061鋁合金釬焊接頭的強度達到120.5 MPa；加入Sr元素后，顯著提升了釬料的鋪展性，但釬料的強度降低[64]。王麗騰研究了Ge、Sn等合金元素等對Al-Si-Cu系和Al-Si-Mg系鋁合金釬料熔化溫度的影響，開發(fā)出了熔點高于515 ℃、適于6061可熱處理鋁合金的中溫高強度耐腐蝕釬料[65]。YANG J L等研究發(fā)現(xiàn)，將Ce、Ti元素加入Al-42Zn-6.5Si釬料可以改善6061鋁合金的焊接接頭性質(zhì)，在硅相的周圍生成了新的Ce-Ti相，降低了Ce、Ti元素加入所產(chǎn)生的修正效應，同時焊材釬料的拉伸強度達到了140 MPa[66]。王麗騰等研究了添加Ni元素對Al-10Si-15Cu合金釬料耐腐蝕性能的影響，發(fā)現(xiàn)加入4%(質(zhì)量分數(shù))Ni后，釬料合金的耐腐蝕性提高[67]。孫玉萍等通過實驗發(fā)現(xiàn)，雖然Cu、Ge元素可以降低釬料合金的熔化溫度，增加釬料的脆性，導致釬料合金的加工性能變差，但是可以提高焊料的耐蝕性和釬料的潤濕鋪展性；Si、Ni以及Re元素對釬料合金的熔化溫度影響較小，Si元素使得合金在真空釬焊條件下具有優(yōu)良的潤濕鋪展性，Ni元素改善了釬料的加工性能，釬料的耐腐蝕性能最佳，Re元素可顯著細化合金組織，提高釬焊接頭的強度[68]。

根據(jù)母材的特點和工藝要求添加合適的元素對釬料進行改性，可以降低釬料的熔化溫度，改善釬料顯微組織，提高焊接接頭性能[69]。開發(fā)出焊接接頭強度高，加工性能、抗腐蝕性、流動性和潤濕性好，以及可避免母材過度溶現(xiàn)象的釬料是鋁合金釬料研究的方向。

5 結語

隨著CFD技術在板翅式熱交換器設計開發(fā)中的應用越來越廣泛，將CFD模擬、理論分析和實驗研究有機地結合在一起是當前研究板翅式熱交換器流動、傳熱等性能的有效的研究方法。

通過對板翅式熱交換器封頭、導流片、分配器、熱交換器外形尺寸以及流道結構進行研究和改進，可以有效改善板翅式熱交換器內(nèi)部流場和溫度分配的不均勻性。選用適宜的優(yōu)化設計方法、合理的設計參數(shù)、相對準確的物性參數(shù)、合理的通道排列布置以及翅片參數(shù)等對實現(xiàn)多股流板翅式熱交換器熱力學以及經(jīng)濟性優(yōu)化設計具有重要意義，開發(fā)出具有優(yōu)異焊接接頭性能的中低溫釬料是鋁合金釬焊的研究方向。

隨著板翅式熱交換器研究的不斷深入，新型功能性翅片、伴有相變和兩相流的流動與傳熱、符合工程實際應用的理論體系和設計方法、鋁合金的低溫釬焊、其他新材料與新工藝在板翅式熱交換器的應用、多股流板翅式熱交換器的多目標優(yōu)化以及相應計算軟件的開發(fā)應用等都是今后板翅式熱交換器研究的重點。

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(WANG Li-teng，LUO Wei，GONG Hai-long，et al. Influence of Ni Addition on Corrosion Performance of Medium-temperature Filler Metal with Low Cu Content for Al Brazed Joints[J].Journal of Materials Science and Engineering，2014，32(4)：516-521.)

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(SUN Yu-ping. Effect of Ge，Ni Elements on the Properties of Al-Si-Cu Filler Metal[D].Hefei：Hefei University of Technology，2014.)

[69] 黃鵬. 低熔點高強度鋁合金釬料制備與性能研究[D].杭州：浙江大學，2013.

(HUANG Peng. Dovelopment of Low Melting Point and High Strength Alloy Filler Metal and Its Properties Research[D].Hangzhou：Zhejiang University，2013.)

ResearchProgressofPlate-finHeatExchanger

YANGLei-jie1，2，LINHai-ping1，2，HUANGWei-dong3，LIUYi-fan1，2，CHANGChun-mei1，2，TANGHai1，2，HAOKai-kai1，2
(1.Lanpec Technologies Limited， Lanzhou 730070， China；2.Shanghai Lanbin Petrochemical Equipment Co.Ltd.， Shanghai 201518， China; 3.Urumqi Company, CNPC, Urumqi 830019, China)

The application field of plate-fin heat exchanger keeps expanding in recent years due to its high efficiency and structure compact. Research on and development in aspects of stream distribution of inlet head,distributors and flow passages in monophase flow and two-phase flow plate-fin heat exchanger, heat transfer performance, flow feature and surface feature of fin, multi-target optimization design methods of new type fin and multi-stream plate-fin heat exchanger, and the filler metal used in aluminum alloy brazing and etc are reviewed. The organic combination of CFD numerical simulation, experiment research and theoretical analysis is proposed as the efficient study method of plate-fin heat exchanger, and expansion of application area, flow distribution, new lypes of fin exploitation, brazing technology, application of new material and new technology, multi-objective optimization of plate fin heat exchanger with multi-phase and multi-stream, and the development of relevant software for technological design etc. are pointed out as future researchdirections.

plate-fin heat exchanger； flow distribution； fin； optimization design； research progress

1000-7466(2017)06-0049-10

2017-05-28

楊磊杰(1990-)，男，陜西銅川人，助理工程師，碩士，目前主要從事傳熱設備的研究與開發(fā)以及換熱網(wǎng)絡優(yōu)化設計工作。

TQ051.1； TE965

A

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.06.010

(張編)