鋁制板翅式換熱器在氦低溫過冷系統(tǒng)中的應(yīng)用

翁小列 梁成坡 張惠媛 運(yùn)萌

摘 要：隨著低溫、超導(dǎo)技術(shù)的不斷發(fā)展，低溫與超導(dǎo)技術(shù)在核聚變實(shí)驗(yàn)裝置、超導(dǎo)儲能電站、航空航天的應(yīng)用越來越廣泛，對低溫制冷設(shè)備的需求也越來越多，鋁制板翅式換熱在低溫過冷系統(tǒng)中也得到應(yīng)用。本文介紹了鋁制板翅式換熱器在核低溫過冷系統(tǒng)中的應(yīng)用與設(shè)計(jì)，為研究與發(fā)展大型超臨界氦和過冷氦低溫制冷工程設(shè)計(jì)及運(yùn)行模式的優(yōu)化打下了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：氦低溫過冷系統(tǒng)；鋁制板翅式換熱器；MUSE軟件

中圖分類號：TQ0；TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）02-0079-03

Application of Aluminum Plate - fin Heat Exchanger in

Helium Low Temperature Supercooling System

WENG Xiaolie LIANG Chengpo ZHANG Huiyuan YUN Meng

（Kaifeng Air Separation Group Co.， Ltd，Kaifeng Henan 475000）

Abstract： With the continuous development of low temperature and superconducting technology， low temperature and superconducting technology in nuclear fusion experimental device， superconducting energy storage power station， aerospace applications are more and more widely， the demand for low temperature refrigeration equipment is also more and more， Aluminum plate fin heat transfer in the low temperature system has also been applied. This paper introduced the application and design of aluminum plate fin heat exchanger in nuclear low temperature supercooling system， which lays the foundation for the research and development of large supercritical helium and supercooled helium cryogenic refrigeration engineering design and operation mode.

Keywords： helium cryogenic supercooling system；aluminum plate fin heat exchanger；MUSE Software

1 鋁制板翅式換熱器介紹

板翅式換熱器又稱緊湊式換熱器。早在20世紀(jì)30年代，國外就采用釬焊方法生產(chǎn)出板翅式換熱器；我國則在20世紀(jì)70年代研制出高效鋁制板翅式換熱器。經(jīng)過多年的發(fā)展，鋁制板翅式換熱器的設(shè)計(jì)和制造水平不斷提高。

1.1 鋁制板翅式換熱器結(jié)構(gòu)

板翅式換熱器是由翅片（或?qū)Я髌?、封條和隔板（或側(cè)板）組成一個夾層，稱為通道，然后將各個夾層進(jìn)行疊加或適當(dāng)排列，構(gòu)成許多平行的通道[1]，釬焊成整體，就是一組板束，再配上流體出入的封頭，就成為完整的板翅式換熱器。

翅片是鋁制板翅式換熱器的基本元件，主要分為鋸齒型、多孔型、平直型、波紋型等幾個類型，具有實(shí)現(xiàn)流體之間熱傳導(dǎo)的作用。導(dǎo)流片一般為多孔型翅片，主要起流體進(jìn)出口的導(dǎo)向作用。封條主要分布在換熱器的四周，起封閉和支撐各通道的作用。隔板是二層翅片之間的金屬平板，其在母體金屬表面覆蓋有一層釬料合金，在釬焊時合金熔化而使翅片、封條與金屬平板焊接成一體。

1.2 傳熱機(jī)理

鋁制板翅式換熱器的傳熱主要靠翅片來完成，只有小部分由隔板直接完成的。由于翅片不能直接將能量從熱流體傳遞給冷流體，故翅片有二次表面換熱之說，一般情況下，翅片的二次表面換熱的效率比一次表面換熱的效率要低很多。

2 鋁制板翅式換熱器在氦低溫制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用

鋁制板翅式換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)備輕、傳熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，目前，已廣泛應(yīng)用在空分、天然氣液化和分離、液氮洗、油田氣和合成氨生產(chǎn)、航空、汽車、制冷、空調(diào)等領(lǐng)域。隨著我國液氦低溫、超導(dǎo)技術(shù)的不斷發(fā)展，鋁制板翅式換熱器在氦低溫系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來越廣泛。

2.1 大型低溫制冷系統(tǒng)的發(fā)展

大型低溫制冷系統(tǒng)是指制冷溫度在20K以下，制冷量達(dá)到數(shù)百瓦以上的制冷系統(tǒng)[2]。近年來，隨著低溫、超導(dǎo)等技術(shù)的不斷發(fā)展，超導(dǎo)磁體在核聚變實(shí)驗(yàn)裝置、高能粒子加速器、強(qiáng)磁場裝置等大型工程研究領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。同時，低溫制冷系統(tǒng)在超導(dǎo)儲能電站、超導(dǎo)運(yùn)輸系統(tǒng)、超導(dǎo)電力系統(tǒng)、航天航空等方面也得到了廣泛應(yīng)用。

我國的低溫系統(tǒng)發(fā)展于20世紀(jì)50年代末。1959年，我國生產(chǎn)出第一臺液氫預(yù)冷的氦液化器，中國科學(xué)院物理所于1964年成功研制出長活塞型膨脹機(jī)并應(yīng)用于氦液化器，其液化量不超過50L/h。1987年，我國建造出采用逆布雷頓制冷循環(huán)氦制冷機(jī)的KM-4空間模擬裝置，其制冷量達(dá)到1.2kW，溫度達(dá)到20K[3-5]。

目前，國內(nèi)普遍采用4.5K超臨界氦迫流冷卻來增加超導(dǎo)磁體運(yùn)行的溫度裕度和磁場強(qiáng)度，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。近年來，中國科學(xué)院等離子體所針對氦低溫過冷系統(tǒng)做了大量實(shí)驗(yàn)和研究，并建立了氦低溫過冷系統(tǒng)測試研究實(shí)驗(yàn)平臺，自行設(shè)計(jì)建造500W/4.5K氦制冷機(jī)和2.5kW/4.5K氦制冷機(jī)。

2.2 板翅式換熱器在2.5kW/4.5K氦制冷系統(tǒng)中的具體應(yīng)用

氦低溫過冷系統(tǒng)測試研究平臺主要包括氦制冷機(jī)和過冷測試分配系統(tǒng)，通過建造一套2.5kW/4.5K氦制冷機(jī)，并利用冷壓機(jī)在低溫低壓下直接對液氦槽抽真空降壓，來獲取3K的過冷氦。

在這里，主要介紹2.5kW/4.5K氦制冷機(jī)，過冷測試分配系統(tǒng)不作過多介紹。2.5kW/4.5K氦制冷機(jī)屬于大型氦制冷機(jī)，采用帶液氮預(yù)冷的兩臺透平膨脹機(jī)串聯(lián)Claude制冷循環(huán)，節(jié)流路采用透平膨脹機(jī)和節(jié)流閥。2.5kW/4.5K氦制冷機(jī)按純制冷模式設(shè)計(jì)，純制冷模式下的制冷量為2.6kW/4.5K，純液化模式下液化率為550L/hr。

壓縮機(jī)排氣壓力是氦制冷循環(huán)中最高壓力，參照EAST氦低溫系統(tǒng)壓縮機(jī)參數(shù)。制冷模式下壓縮機(jī)高壓壓力為20bar，經(jīng)過水冷、除油、吸附和干燥后，下降至19.5bar進(jìn)入制冷機(jī)冷箱。

經(jīng)水冷后，進(jìn)入冷箱的氦氣溫度取310K，80K以上溫區(qū)由液氮及低壓冷氦氣通過板翅式換熱器HX1和液氮槽HX2進(jìn)行降溫。高壓氦氣在板翅式換熱器HX3中被低壓冷氦氣冷卻后，分成透平路和節(jié)流路。高壓氦氣經(jīng)透平T1后降溫，板翅式換熱器HX5中低壓冷氦氣將透平路和高壓路的氦氣降溫經(jīng)透平T2繼續(xù)降溫，最后返回低壓路以補(bǔ)充低壓路氦氣冷量，平衡主流路氦氣。主流路氦氣經(jīng)換熱器HX7降溫后在透平T3中節(jié)流降溫，最后在板翅式換熱器HX8降溫后節(jié)流至1.25bar進(jìn)入液氦槽。2.5kW/4.5K氦制冷機(jī)冷箱流程見圖1。

從2.5kW/4.5K氦制冷機(jī)系統(tǒng)可以看出，整個氦低溫過冷系統(tǒng)中，除了壓縮機(jī)與膨脹機(jī)，大部分換熱設(shè)備均采用鋁制板翅式換熱器。隨著大型氦低溫系統(tǒng)的不斷發(fā)展，核心設(shè)備鋁制板翅式換熱器的設(shè)計(jì)制造水平的提高，也顯得更加重要。

3 鋁制板翅式換熱器的設(shè)計(jì)

隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法的不斷發(fā)展及在化工設(shè)計(jì)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，板翅式換熱器的計(jì)算也告別了過去手工計(jì)算設(shè)計(jì)的模式。目前，MUSE軟件是大家認(rèn)可且比較通用的板翅式換熱器設(shè)計(jì)軟件[6]，可以進(jìn)行板翅式換熱器相關(guān)設(shè)計(jì)與校核，不僅能進(jìn)行兩股流體的簡單計(jì)算設(shè)計(jì)，還能進(jìn)行多股流體的復(fù)雜設(shè)計(jì)計(jì)算。通常根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)采用設(shè)計(jì)模式確定設(shè)計(jì)方案，然后采用校核模式對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，從而完成板翅式換熱器的設(shè)計(jì)。

3.1 流體設(shè)計(jì)參數(shù)

氦低溫過冷系統(tǒng)冷箱中板翅式換熱器眾多，以其中一臺為例介紹利用MUSE軟件設(shè)計(jì)板翅式換熱器，冷流和熱流均為氦氣，具體參數(shù)如表1。

3.2 翅片選型

板翅式換熱器的翅片可根據(jù)使用場合選擇合適的翅型，應(yīng)綜合考慮設(shè)計(jì)壓力、流體狀態(tài)、允許壓降、流量等因素。一般來說，冷熱流體的溫差較小或介質(zhì)狀態(tài)為氣相時，宜選用鋸齒型翅片；冷熱流體的溫差過大時，宜選用平直型翅片；在傳熱過程中，發(fā)生相變或介質(zhì)狀態(tài)為液相時，宜選用多孔型翅片[7]。

由于介質(zhì)均為氦氣，狀態(tài)為氣相，故該板翅式換熱器的翅型選用傳熱效率高的鋸齒型翅片，具體參數(shù)如下。翅高：9.5mm；齒距：1.4mm；翅厚：0.2mm；當(dāng)量直徑：2.125mm；通道截面積：0.007 97m2；傳熱面積：15m2。

3.3 設(shè)計(jì)計(jì)算

打開MUSE軟件設(shè)計(jì)模式，輸入相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)流體的流量、壓力、熱負(fù)荷和實(shí)際制造能力，輸入相關(guān)有效寬度、板束數(shù)量、側(cè)板厚度、隔板厚度及封條寬度等結(jié)構(gòu)尺寸，得到換熱器的結(jié)構(gòu)，其最佳結(jié)果如下。板束數(shù)量：1個；板束寬度：300mm；板束厚度：458mm；有效長度：1 298mm；通道數(shù)量：42層。

3.4 校核計(jì)算

打開Aspen MUSE軟件校核模式，輸入冷熱流體的設(shè)計(jì)參數(shù)，并根據(jù)優(yōu)化方案輸入流體通道導(dǎo)流片的規(guī)格參數(shù)，并根據(jù)單疊形式進(jìn)行校核設(shè)計(jì)方案，校核結(jié)果如下（見表2）。板束長度：2 100mm；板束寬度：300mm；板束厚度：448mm；有效長度：1 800mm；換熱面積：242m2。

從校核結(jié)果來看，板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)均能夠滿足設(shè)計(jì)條件下的流量、溫度、熱負(fù)荷、壓力降等工藝要求。

4 結(jié)語

①鋁制板翅式換熱器是一種換熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊的換熱器設(shè)備，具有體積小、質(zhì)量輕、單位體積換熱面積大等優(yōu)點(diǎn)，能滿足氦低溫過冷傳熱要求。

②在滿足氦低溫過冷傳熱要求下，要求我們合理結(jié)合換熱能效和壓降，設(shè)計(jì)出最優(yōu)方案，即在滿足傳熱和壓降的情況下，優(yōu)化方案，減小換熱器體積，從而減小氦低溫過冷系統(tǒng)冷箱的體積，減少成本和占地面積。

③氦低溫過冷系統(tǒng)一般采用的真空絕熱，這就要求氦低溫系統(tǒng)冷箱內(nèi)的鋁制板翅式換熱器具有極低的泄露率，通過優(yōu)化釬焊工藝，可以不斷提高鋁制板翅式換熱器釬焊質(zhì)量，降低換熱器的內(nèi)外泄露率，保證換熱器的可靠性。

參考文獻(xiàn)：

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