隨著低溫科技及超導(dǎo)技術(shù)的持續(xù)飛躍，其在核聚變研究裝置、高效超導(dǎo)儲能電站以及航空航天領(lǐng)域的運用日益深化，進而催生了對低溫冷卻設(shè)備需求的顯著增長。在這一背景下，鋁質(zhì)板翅式熱交換器憑借其性能，在低溫過冷系統(tǒng)中找到了重要應(yīng)用舞臺。本文詳盡闡述了鋁質(zhì)板翅式換熱器如何被巧妙設(shè)計并融入核能領(lǐng)域的低溫過冷系統(tǒng)中，這一工作不僅為超臨界氦及過冷氦等低溫制冷技術(shù)的工程設(shè)計提供了寶貴參考，也為后續(xù)優(yōu)化其運行模式、推動大型低溫制冷項目的發(fā)展奠定了堅實的理論與實踐基礎(chǔ)。鋁制板式換熱器低溫制冷系統(tǒng)
1鋁制板翅式換熱器介紹
板翅式換熱器，亦稱緊湊型換熱器，其歷史可追溯至20世紀(jì)30年代，彼時國外已采用釬焊技術(shù)成功制造出此類換熱器。而我國，則在隨后的20世紀(jì)70年代，不甘落后地研發(fā)出了高效能的鋁制板翅式換熱器。歷經(jīng)數(shù)十載的持續(xù)精進，我國在鋁制板翅式換熱器的設(shè)計與制造領(lǐng)域已取得了顯著進步，技術(shù)水平不斷提升，達到了新的高度。
1.1 鋁制板翅式換熱器結(jié)構(gòu)
板翅式換熱器精妙地集成了翅片（或稱為導(dǎo)流片）、封條以及隔板（或側(cè)板），這些部件共同構(gòu)筑起一個個獨立的夾層，這些夾層在業(yè)內(nèi)被稱為通道。通過將這些通道進行有序的疊加或巧妙排列，便形成了多條平行且相互獨立的流通路徑。隨后，利用釬焊工藝將這些組件牢固地熔合為一個整體結(jié)構(gòu)，即所謂的板束。最后，為了確保流體的順暢進出，還需在板束上配備專門的封頭，從而構(gòu)成了完整且功能齊全的板翅式換熱器。
翅片，作為鋁制板翅式換熱器的核心組件，其形態(tài)多樣，主要包括鋸齒型、多孔型、平直型及波紋型等，它們的主要職責(zé)在于促進流體間的熱量高效傳遞。導(dǎo)流片，特指多孔型翅片的一種，其主要功能在于引導(dǎo)流體在進出換熱器時的流向，確保流動順暢。封條，則巧妙地布置于換熱器的四周邊界，不僅實現(xiàn)了對內(nèi)部通道的封閉，還承擔(dān)著支撐各通道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重任。至于隔板，它作為兩層翅片之間的連接橋梁，由金屬平板構(gòu)成，其表面預(yù)先涂覆有一層釬料合金。在釬焊過程中，這層合金會熔化，從而將翅片、封條與金屬平板牢牢地焊接為一個不可分割的整體，增強了換熱器的整體強度和密封性。
1.2 傳熱機理
鋁制板式換熱器低溫制冷系統(tǒng)鋁制板翅式換熱器的熱量傳遞過程，主要依賴于翅片的高效運作，而隔板則僅承擔(dān)了小部分的傳熱任務(wù)。值得注意的是，翅片在傳熱過程中并非直接將熱量從熱流體傳導(dǎo)至冷流體，這一特點導(dǎo)致了所謂的“二次表面換熱”現(xiàn)象的存在。簡而言之，翅片首先與熱流體進行初次熱交換，隨后再通過其表面將吸收的熱量傳遞給冷流體，這一過程相較于直接的“一次表面換熱”而言，其效率通常會有所降低。因此，翅片的二次表面換熱效率往往明顯低于一次表面換熱的效率。
2 鋁制板翅式換熱器在氦低溫制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用
鋁制板翅式換熱器以其**優(yōu)勢——結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)備輕盈且傳熱效率，已經(jīng)在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣泛的應(yīng)用價值，包括但不限于空氣分離、天然氣液化與分離、液氮洗滌、油田氣處理、合成氨生產(chǎn)、航空航天、汽車工業(yè)、制冷技術(shù)及空調(diào)系統(tǒng)等。隨著我國在液氦低溫技術(shù)及超導(dǎo)科技領(lǐng)域的持續(xù)進步，鋁制板翅式換熱器在氦低溫系統(tǒng)中的應(yīng)用場景也日益豐富，其重要性愈發(fā)凸顯。
2.1 大型低溫制冷系統(tǒng)的發(fā)展
大規(guī)模低溫制冷系統(tǒng)，特指那些能夠達成20K以下極低溫度，并具備數(shù)百瓦乃至更高制冷能力的系統(tǒng)。近年來，得益于低溫科技與超導(dǎo)技術(shù)的雙重飛躍，超導(dǎo)磁體已逐步滲透到核聚變實驗裝置、高能粒子加速器以及強磁場設(shè)施等科研與工程領(lǐng)域，發(fā)揮著作用。與此同時，低溫制冷系統(tǒng)的應(yīng)用范圍亦大幅拓寬，它不僅被應(yīng)用于超導(dǎo)儲能電站，提升能源存儲效率，還滲透至超導(dǎo)運輸與電力系統(tǒng)，助力能源傳輸與分配的革新。此外，在航空航天領(lǐng)域，低溫制冷技術(shù)同樣展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，為航天器的穩(wěn)定運行與性能提升提供了有力支持。
當(dāng)前，為了增強超導(dǎo)磁體在運行過程中的溫度穩(wěn)定性與磁場強度，國內(nèi)廣泛采納了4.5K超臨界氦強制對流冷卻技術(shù)。這一技術(shù)顯著提升了系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。近年來，中科院等離子體物理研究所針對氦低溫過冷系統(tǒng)進行了深入且廣泛的實驗研究與探索，并成功搭建了專門的測試與研究實驗平臺。在該平臺上，研究團隊獨立設(shè)計并制造了具有500W/4.5K和2.5kW/4.5K制冷能力的氦制冷機，為氦低溫過冷技術(shù)的進一步發(fā)展與應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。
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)的測試與研究平臺核心組件包括氦制冷機及過冷測試分配系統(tǒng)。該平臺通過部署一臺2.5kW/4.5K的氦制冷機，并創(chuàng)新性地運用冷壓機技術(shù)，在低溫與低壓環(huán)境下對液氦槽實施真空抽取與壓力降低處理，從而成功獲取了溫度低至3K的過冷氦。
聚焦于2.5kW/4.5K氦制冷機，這是一款專為大型應(yīng)用設(shè)計的設(shè)備，它采用了Claude制冷循環(huán)技術(shù)，該循環(huán)由兩臺串聯(lián)的透平膨脹機構(gòu)成，且每臺均配備有液氮預(yù)冷系統(tǒng)以增強效率。在節(jié)流路徑設(shè)計上，該制冷機巧妙結(jié)合了透平膨脹機與節(jié)流閥的優(yōu)勢，以實現(xiàn)更為精細的流量與壓力控制。該制冷機專為純制冷模式而優(yōu)化，在此模式下，其制冷能力可達2.6kW/4.5K，而若切換至純液化模式，則能實現(xiàn)每小時550升的液氦生產(chǎn)率。
至于壓縮機部分，其排氣壓力作為氦制冷循環(huán)中的壓力峰值，其設(shè)定值參考了EAST氦低溫系統(tǒng)的成熟參數(shù)。在制冷模式下，壓縮機的高壓側(cè)壓力被精確控制在20bar。隨后，這股高壓氦氣會歷經(jīng)一系列精細處理流程，包括水冷降溫、除油凈化、吸附干燥等，最終壓力略有下降至19.5bar后，進入制冷機的冷箱內(nèi)部，開始其制冷循環(huán)的下一階段。
氦氣完成水冷后，其溫度維持在310K狀態(tài)進入冷箱系統(tǒng)。在冷箱內(nèi)，針對溫度超過80K的區(qū)域，我們采用液氮及低壓狀態(tài)的冷氦氣，通過板翅式換熱器HX1和液氮槽HX2的協(xié)同作用，實現(xiàn)對高溫氦氣的有效冷卻。隨后，高壓氦氣在板翅式換熱器HX3內(nèi)與低壓冷氦氣進行熱交換，溫度顯著降低，并據(jù)此被分流為透平路與節(jié)流路。
透平路中的高壓氦氣經(jīng)過透平膨脹機T1的絕熱膨脹處理，溫度進一步下降。接著，這股低溫氦氣與高壓路中的氦氣一同進入板翅式換熱器HX5，在這里，它們再次受到低壓冷氦氣的冷卻，并通過透平膨脹機T2的二次絕熱膨脹，實現(xiàn)更深層次的降溫。之后，這些氦氣返回低壓路，為低壓路提供必要的冷量補充，同時幫助平衡主流路中的氦氣流量與溫度。
主流路的氦氣在流經(jīng)換熱器HX7后，溫度再次降低，隨后進入透平膨脹機T3進行節(jié)流降溫。完成這一步驟后，氦氣進入板翅式換熱器HX8進行最終的溫度調(diào)節(jié)，最終通過節(jié)流過程將壓力降低至1.25bar，并順利進入液氦槽中儲存。
在探討2.5kW/4.5K氦制冷機系統(tǒng)時，一個顯著的特點是，該系統(tǒng)在氦低溫過冷領(lǐng)域的實現(xiàn)中，廣泛采用了鋁制板翅式換熱器作為關(guān)鍵的換熱設(shè)備，這一選擇除壓縮機與膨脹機之外幾乎貫穿了整個系統(tǒng)。隨著大型氦低溫系統(tǒng)技術(shù)的持續(xù)進步與拓展，對核心組件——鋁制板翅式換熱器的設(shè)計與制造能力提出了更為嚴苛的要求。因此，提升該類型換熱器的設(shè)計水平及制造工藝，對于推動整個氦低溫過冷系統(tǒng)的發(fā)展而言，具有不可估量的重要性與緊迫性。
3 鋁制板翅式換熱器的設(shè)計
隨著計算機輔助設(shè)計技術(shù)的飛速進步及其在化工設(shè)計領(lǐng)域的深入滲透，板翅式換熱器的設(shè)計計算已經(jīng)擺脫了傳統(tǒng)的手工操作模式。當(dāng)前，MUSE軟件作為行業(yè)內(nèi)廣受認可且普遍采用的板翅式換熱器設(shè)計工具，其強大的功能覆蓋了從基礎(chǔ)設(shè)計到復(fù)雜校核的全過程。該軟件不僅能夠輕松應(yīng)對兩股流體間的簡單換熱設(shè)計任務(wù)，更能勝任多股流體間復(fù)雜換熱關(guān)系的精確計算與設(shè)計。在實際應(yīng)用中，設(shè)計師首先依據(jù)給定的設(shè)計參數(shù)，利用MUSE軟件的設(shè)計模式來初步確定換熱器的設(shè)計方案；隨后，通過切換到校核模式，對初步方案進行全面的優(yōu)化調(diào)整，以確保設(shè)計結(jié)果既滿足性能要求又具備經(jīng)濟高效性。這一過程充分展示了MUSE軟件在推動板翅式換熱器設(shè)計現(xiàn)代化、精確化方面的重要作用。
在氦低溫過冷系統(tǒng)的復(fù)雜冷箱結(jié)構(gòu)中，板翅式換熱器扮演著至關(guān)重要的角色。為了詳細闡述其設(shè)計過程，我們選取系統(tǒng)中一臺具有代表性的板翅式換熱器作為案例，利用業(yè)界的MUSE軟件進行精細化設(shè)計。該換熱器涉及的冷流體和熱流體均為氦氣，具體的設(shè)計參數(shù)已詳細列出于表1之中。通過MUSE軟件，我們能夠精確模擬和計算這些參數(shù)下的換熱器性能，確保設(shè)計出的換熱器既滿足系統(tǒng)的換熱需求，又具備良好的經(jīng)濟性和運行穩(wěn)定性。
3.2 翅片選型
在板翅式換熱器的設(shè)計中，翅片類型的選擇至關(guān)重要，需依據(jù)具體使用場景綜合考量多個因素，包括設(shè)計壓力、流體狀態(tài)、可接受的壓降范圍及流量等。通常而言，當(dāng)冷熱流體的溫差較為接近或介質(zhì)處于氣相狀態(tài)時，鋸齒型翅片因其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，能有效提升換熱效率；反之，若冷熱流體間溫差顯著，平直型翅片則因其能更好地控制壓降和流阻，而更為適宜。此外，在涉及相變過程或介質(zhì)為液相的傳熱場景中，多孔型翅片憑借其出色的潤濕性和傳質(zhì)能力，成為優(yōu)化換熱的理想選擇。
鑒于所處理的介質(zhì)均為氦氣，且均處于氣相狀態(tài)，為追求更高的傳熱效率，該板翅式換熱器采用了鋸齒型翅片設(shè)計。具體翅片參數(shù)設(shè)定如下：翅片高度精確設(shè)定為9.5mm，齒距精心控制為1.4mm，翅片厚度則保持在0.2mm的精細水平上。這些參數(shù)共同決定了翅片的當(dāng)量直徑為2.125mm，進而確保了通道截面積達到0.00797平方米，以充分容納流體流動。最終，整個換熱器的傳熱面積被優(yōu)化至15平方米，以滿足系統(tǒng)的高效換熱需求。
