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【摘 要】近年来，铝制板翅式换热器已经在工程机械方面得到广泛应用，特别是在机械冷却系统中作用尤为明显。本文介绍了工程机械上使用的铝制板翅式换热器的结构及主要零部件特点，并对铝制板翅式换热器在工程机械冷却系统应用中形状选择上进行简单分析，然后探讨铝制板翅式换热器在工程机械冷却中存在的问题及解决措施。
【关键词】铝制板翅式换热器；应用研究；机械
1930年，英国马尔斯顿公司就制造了铜及铜合金制板翅式换热器。40年代开始制造铝制板翅式换热器。经过多年的发展，目前铝制板翅式换热器作为一种高效、紧凑、轻巧的的换热设备，已在石油化工、航空航天、电子、原子能、武器工业、冶金、动力工程和机械等领域得到广泛应用。近年来，铝制板翅式换热器的设计理论、试验研究、制造工艺、开拓应用的研究方兴未艾，特别是一些新技术的渗透，使其应用范围更加广泛，进入了一个新的发展时期。
一、铝制板翅式换热器特点
铝制板翅式换热器是一种新型高效换热设备。它以结构紧凑、重量轻、体积小和传热效率高等优点，广泛应用于化工、化肥、空分设备、天然气液化等各个领域。它与传统的管壳式结构相比，单位传热面积大5-10倍，重量减轻了80%-85%。其主要优点有以下几个：（1）经济性好。由于结构紧凑、体积小，采用铝合金材质制造，其重量很轻。（2）轻巧而牢固。由于翅片很薄，一般为0.2--0.3mm，换热器的结构紧凑、体积小，换热器一般全部用铝制造，因而重量很轻，同时翅片既是主要的换热表面又是两隔板的支撑，因此强度很高。例如用0.7mm厚的平隔板和0.2mm厚的翅片制成的板翅式换热器能承受4MPa表压的压力。（3）结构紧凑。单位体积内的传热面积一般都能达到1500--2500m2/m3，最高可达5000m2/m3。就单位体积的传热面积而言，板翅式换热器为翅片管式换热器的2--5倍。（4）传热效率高。由于翅片对流的扰动，使边界层不断破裂，因而具有较大的换热系数；同时所采用的材料（铝及铝合金）具有高导热性以及较小的当量直径，所以使得板翅式换热器可以达到很高的效率，空气在强迫对流下的换热系数可达350W/m2·℃。
但铝制板翅式换热器在现在应用中也存在着一些缺点：：（1）制造工艺要求严格，工艺过程复杂。（2）容易堵塞，不耐腐蚀，清洗检修很困难，故只能用于换热介质干净、无腐蚀、不易结垢、不易沉积、不易堵塞的场合。
二、铝制板翅式换热器翅片在工程机械冷却系统使用中关于几何形状的影响
铝制板翅式换热器在使用中根据几何形状影响分为以下几个方面：（1）平直形翅片在于扩大传热面，而对于促进流体湍动的作用则很小。（2）锯齿形翅片传热性能随切开长度而变化，即切开长度越短，其传热性能越好，因其有利于破坏传热边界层使热阻降低，但压力降增加（3）波纹形翅片使得流体在弯曲流道中不断改变流动方向，以促进流体的湍动，分离和破坏传热边界层，波纹越密，波幅越大其传热性能就越好。
为分析翅片的几何形状对成铝制板翅式换热器在工程机械冷却系统中质量的影响，我们基于验证过的多层换热器的有限元模型，做了进一步的仿真研究。翅片几何模型保持波纹翅片的节距、宽度及高度不变，只改变翅片和管之间钎焊的长度，即翅片几何形状可分为三角形、梯形和矩形；模具和微通道扁管均保持不变，选择弯曲部位的典型翅片单元的应力和应变状态进行翅片变形情况的对比，通过研究数据发现，矩形翅片的扭曲程度在三者之间为最严重，而选择三角形的翅片则能够更好的提高换热器的成形质量。出现这种现象的原因是，管和翅片之间钎焊的区域越大，二者的变形不协调程度就会越严重。此外，由研究翅片的几何形状对弯曲力矩的影响得出，具有3种不同几何形状翅片的换热器弯曲成形时，其所需的平均弯曲力矩和换热器层数之间的关系。通过对比发现，翅片形状对弯曲力矩的影响比较小；同样的条件下，三角形翅片需要的弯曲力矩更小；随着换热器层数增加，翅片形状对弯曲力矩的影响逐渐增大。
基于上述实验结论，我们总结了以下铝制板翅式换热器工程机械冷却系统中相关应用理论：
（一）表面特性及选择：铝制板翅式换热器中的传热过程主要是通过翅片来完成。
（二）传热和流动分析：铝制板翅式换热器传热分析一般采用传热单元数法（ε-Ntu），该法反映冷热流体间换热过程难易程度的参数，也是衡量换热器传热能力的参数，为便于手工计算，作了一些理想化的假设，这些假设条件有时会对换热器的设计产生显著影响，因此必须考虑进行修正。如传热计算中确定流体物性的单一温度值，在冷端温降不是很大的情况下，可用平均温度计算物性。 例如运用传热单元法进行操作型传热过程问题计算，（1）根据换热器的操作工况，计算总传热系数K，（2）计算NTU=KiSi/（Wcp）min CR=Cmin/Cmax .（3） 根据换热器中两流体的流动方式，由NTU和CR查取ε.（4） 根据冷热流体的进口温度，计算出传热速率（5） 根据热量衡算求出冷热流体的出口温度。
（三）结构设计：交变载荷下工程机械冷却系统工作的铝制板翅式换热器，会因疲劳而使隔板产生裂纹，发生泄漏，因此疲劳破坏在结构设计中必须考虑。我们得到的一些定性结论是：控制翅片与翅片、翅片与封条间叠装间隙，在相邻流道间采用翅片断面错列接缝等措施来防止隔板因疲劳产生裂纹，同时将承受交变载荷的流道不布置在最外侧或在最外侧布置1～2层以改善其受力状况。另外，还采取将封头和板束焊接加衬圈、开焊接坡口和焊加强板等措施来减小压力，提高产品制造质量和使用寿命。
三、铝制板翅式换热器的技术在工程机械冷却方面的应用
（一）铝制板翅式换热器的作用：铝制板翅式换热器作为液压油冷却装置的核心部件，目前已广泛应用在配置液压系统的工程机械上，比如：汽车起重机、旋挖钻机、混凝土搅拌车、拖泵、强夯机、挖沟机、摊铺机、压路机等。铝制板翅式换热器因其强度高、散热效率高而受到了工程机械相关领域的青睐。除了液压系统的应用外，板翅式换热器已经进入到工程机械包括发动机散热器在内的整个散热模块上。
（二）铝制板翅式换热器在工程机械冷却方面常见问题及解决措施：在铝制板翅式换热器生产厂家，由于原材料的缺陷或钎接温度等原因，难免会出现个别换热器相邻两通道相互串漏，而这种串漏很难查找到确切位置，即使找到漏点，也难以修复。还有一些没有经验的制作人员往往不采取任何防范措施就把其中一层通道焊死，这就给以后换热器的正常运行留下了隐患。
在换热器制作过程中若发现有串漏时，必须采取有效的技术措施。在封堵其中一个通道前，先将内部水分烘干，然后在两通道的导流口处的中间隔板上、下两端尽可能多地开一些小孔，这些孔称之为工艺孔，它可以使两通道的气体畅通。
四、结语
总的说来，铝制板翅式换热器的优势体现在散热性好、结构紧凑、可靠性高以及生产环保等很多方面，在不久的将来，铝制板翅式换热器将会取代铜散热器，受到越来越多生产厂家的认可并得到更加广泛的应用。
【参考文献】
[1]T.S.Catchilov，V.S.Ivanova. XVInternationalCongressofRefrigeration，2013，B（2）：71-75
[2]邓东泉，徐烈，徐世琼. 低温与超导，2012，30（2）：7-13
[3]魏琪.铝制板翅式换热器研究 江苏工学院学报，2013，10（4）：18-23
[4]侯海炎，魏琪，张战，施爱平. 建筑热能通风空调，2012，5：12-14
【关键词】铝制板翅式换热器；应用研究；机械
1930年，英国马尔斯顿公司就制造了铜及铜合金制板翅式换热器。40年代开始制造铝制板翅式换热器。经过多年的发展，目前铝制板翅式换热器作为一种高效、紧凑、轻巧的的换热设备，已在石油化工、航空航天、电子、原子能、武器工业、冶金、动力工程和机械等领域得到广泛应用。近年来，铝制板翅式换热器的设计理论、试验研究、制造工艺、开拓应用的研究方兴未艾，特别是一些新技术的渗透，使其应用范围更加广泛，进入了一个新的发展时期。
一、铝制板翅式换热器特点
铝制板翅式换热器是一种新型高效换热设备。它以结构紧凑、重量轻、体积小和传热效率高等优点，广泛应用于化工、化肥、空分设备、天然气液化等各个领域。它与传统的管壳式结构相比，单位传热面积大5-10倍，重量减轻了80%-85%。其主要优点有以下几个：（1）经济性好。由于结构紧凑、体积小，采用铝合金材质制造，其重量很轻。（2）轻巧而牢固。由于翅片很薄，一般为0.2--0.3mm，换热器的结构紧凑、体积小，换热器一般全部用铝制造，因而重量很轻，同时翅片既是主要的换热表面又是两隔板的支撑，因此强度很高。例如用0.7mm厚的平隔板和0.2mm厚的翅片制成的板翅式换热器能承受4MPa表压的压力。（3）结构紧凑。单位体积内的传热面积一般都能达到1500--2500m2/m3，最高可达5000m2/m3。就单位体积的传热面积而言，板翅式换热器为翅片管式换热器的2--5倍。（4）传热效率高。由于翅片对流的扰动，使边界层不断破裂，因而具有较大的换热系数；同时所采用的材料（铝及铝合金）具有高导热性以及较小的当量直径，所以使得板翅式换热器可以达到很高的效率，空气在强迫对流下的换热系数可达350W/m2·℃。
但铝制板翅式换热器在现在应用中也存在着一些缺点：：（1）制造工艺要求严格，工艺过程复杂。（2）容易堵塞，不耐腐蚀，清洗检修很困难，故只能用于换热介质干净、无腐蚀、不易结垢、不易沉积、不易堵塞的场合。
二、铝制板翅式换热器翅片在工程机械冷却系统使用中关于几何形状的影响
铝制板翅式换热器在使用中根据几何形状影响分为以下几个方面：（1）平直形翅片在于扩大传热面，而对于促进流体湍动的作用则很小。（2）锯齿形翅片传热性能随切开长度而变化，即切开长度越短，其传热性能越好，因其有利于破坏传热边界层使热阻降低，但压力降增加（3）波纹形翅片使得流体在弯曲流道中不断改变流动方向，以促进流体的湍动，分离和破坏传热边界层，波纹越密，波幅越大其传热性能就越好。
为分析翅片的几何形状对成铝制板翅式换热器在工程机械冷却系统中质量的影响，我们基于验证过的多层换热器的有限元模型，做了进一步的仿真研究。翅片几何模型保持波纹翅片的节距、宽度及高度不变，只改变翅片和管之间钎焊的长度，即翅片几何形状可分为三角形、梯形和矩形；模具和微通道扁管均保持不变，选择弯曲部位的典型翅片单元的应力和应变状态进行翅片变形情况的对比，通过研究数据发现，矩形翅片的扭曲程度在三者之间为最严重，而选择三角形的翅片则能够更好的提高换热器的成形质量。出现这种现象的原因是，管和翅片之间钎焊的区域越大，二者的变形不协调程度就会越严重。此外，由研究翅片的几何形状对弯曲力矩的影响得出，具有3种不同几何形状翅片的换热器弯曲成形时，其所需的平均弯曲力矩和换热器层数之间的关系。通过对比发现，翅片形状对弯曲力矩的影响比较小；同样的条件下，三角形翅片需要的弯曲力矩更小；随着换热器层数增加，翅片形状对弯曲力矩的影响逐渐增大。
基于上述实验结论，我们总结了以下铝制板翅式换热器工程机械冷却系统中相关应用理论：
（一）表面特性及选择：铝制板翅式换热器中的传热过程主要是通过翅片来完成。
（二）传热和流动分析：铝制板翅式换热器传热分析一般采用传热单元数法（ε-Ntu），该法反映冷热流体间换热过程难易程度的参数，也是衡量换热器传热能力的参数，为便于手工计算，作了一些理想化的假设，这些假设条件有时会对换热器的设计产生显著影响，因此必须考虑进行修正。如传热计算中确定流体物性的单一温度值，在冷端温降不是很大的情况下，可用平均温度计算物性。 例如运用传热单元法进行操作型传热过程问题计算，（1）根据换热器的操作工况，计算总传热系数K，（2）计算NTU=KiSi/（Wcp）min CR=Cmin/Cmax .（3） 根据换热器中两流体的流动方式，由NTU和CR查取ε.（4） 根据冷热流体的进口温度，计算出传热速率（5） 根据热量衡算求出冷热流体的出口温度。
（三）结构设计：交变载荷下工程机械冷却系统工作的铝制板翅式换热器，会因疲劳而使隔板产生裂纹，发生泄漏，因此疲劳破坏在结构设计中必须考虑。我们得到的一些定性结论是：控制翅片与翅片、翅片与封条间叠装间隙，在相邻流道间采用翅片断面错列接缝等措施来防止隔板因疲劳产生裂纹，同时将承受交变载荷的流道不布置在最外侧或在最外侧布置1～2层以改善其受力状况。另外，还采取将封头和板束焊接加衬圈、开焊接坡口和焊加强板等措施来减小压力，提高产品制造质量和使用寿命。
三、铝制板翅式换热器的技术在工程机械冷却方面的应用
（一）铝制板翅式换热器的作用：铝制板翅式换热器作为液压油冷却装置的核心部件，目前已广泛应用在配置液压系统的工程机械上，比如：汽车起重机、旋挖钻机、混凝土搅拌车、拖泵、强夯机、挖沟机、摊铺机、压路机等。铝制板翅式换热器因其强度高、散热效率高而受到了工程机械相关领域的青睐。除了液压系统的应用外，板翅式换热器已经进入到工程机械包括发动机散热器在内的整个散热模块上。
（二）铝制板翅式换热器在工程机械冷却方面常见问题及解决措施：在铝制板翅式换热器生产厂家，由于原材料的缺陷或钎接温度等原因，难免会出现个别换热器相邻两通道相互串漏，而这种串漏很难查找到确切位置，即使找到漏点，也难以修复。还有一些没有经验的制作人员往往不采取任何防范措施就把其中一层通道焊死，这就给以后换热器的正常运行留下了隐患。
在换热器制作过程中若发现有串漏时，必须采取有效的技术措施。在封堵其中一个通道前，先将内部水分烘干，然后在两通道的导流口处的中间隔板上、下两端尽可能多地开一些小孔，这些孔称之为工艺孔，它可以使两通道的气体畅通。
四、结语
总的说来，铝制板翅式换热器的优势体现在散热性好、结构紧凑、可靠性高以及生产环保等很多方面，在不久的将来，铝制板翅式换热器将会取代铜散热器，受到越来越多生产厂家的认可并得到更加广泛的应用。
【参考文献】
[1]T.S.Catchilov，V.S.Ivanova. XVInternationalCongressofRefrigeration，2013，B（2）：71-75
[2]邓东泉，徐烈，徐世琼. 低温与超导，2012，30（2）：7-13
[3]魏琪.铝制板翅式换热器研究 江苏工学院学报，2013，10（4）：18-23
[4]侯海炎，魏琪，张战，施爱平. 建筑热能通风空调，2012，5：12-14