铝制板翅式换热器

板翅式换热器，亦称紧凑型换热器，其历史可追溯至20世纪30年代，彼时国外已采用钎焊技术成功制造出此类换热器。而我国，则在随后的20世纪70年代，不甘落后地研发出了高效能的铝制板翅式换热器。历经数十载的持续精进，我国在铝制板翅式换热器的设计与制造领域已取得了显著进步，技术水平不断提升，达到了新的高度。

1.1    铝制板翅式换热器结构

板翅式换热器精妙地集成了翅片（或称为导流片）、封条以及隔板（或侧板），这些部件共同构筑起一个个独立的夹层，这些夹层在业内被称为通道。通过将这些通道进行有序的叠加或巧妙排列，便形成了多条平行且相互独立的流通路径。随后，利用钎焊工艺将这些组件牢固地熔合为一个整体结构，即所谓的板束。最后，为了确保流体的顺畅进出，还需在板束上配备专门的封头，从而构成了完整且功能齐全的板翅式换热器。

翅片，作为铝制板翅式换热器的核心组件，其形态多样，主要包括锯齿型、多孔型、平直型及波纹型等，它们的主要职责在于促进流体间的热量高效传递。导流片，特指多孔型翅片的一种，其主要功能在于引导流体在进出换热器时的流向，确保流动顺畅。封条，则巧妙地布置于换热器的四周边界，不仅实现了对内部通道的封闭，还承担着支撑各通道结构稳定性的重任。至于隔板，它作为两层翅片之间的连接桥梁，由金属平板构成，其表面预先涂覆有一层钎料合金。在钎焊过程中，这层合金会熔化，从而将翅片、封条与金属平板牢牢地焊接为一个不可分割的整体，增强了换热器的整体强度和密封性。

1.2    传热机理

铝制板翅式换热器的热量传递过程，主要依赖于翅片的高效运作，而隔板则仅承担了小部分的传热任务。值得注意的是，翅片在传热过程中并非直接将热量从热流体传导至冷流体，这一特点导致了所谓的“二次表面换热”现象的存在。简而言之，翅片首先与热流体进行初次热交换，随后再通过其表面将吸收的热量传递给冷流体，这一过程相较于直接的“一次表面换热”而言，其效率通常会有所降低。因此，翅片的二次表面换热效率往往明显低于一次表面换热的效率。

2 铝制板翅式换热器在氦低温制冷系统中的应用

铝制板翅式换热器以其**优势——结构紧凑、设备轻盈且传热效率，已经在众多领域展现出了广泛的应用价值，包括但不限于空气分离、天然气液化与分离、液氮洗涤、油田气处理、合成氨生产、航空航天、汽车工业、制冷技术及空调系统等。随着我国在液氦低温技术及超导科技领域的持续进步，铝制板翅式换热器在氦低温系统中的应用场景也日益丰富，其重要性愈发凸显。

2.1 大型低温制冷系统的发展

大规模低温制冷系统，特指那些能够达成20K以下极低温度，并具备数百瓦乃至更高制冷能力的系统。近年来，得益于低温科技与超导技术的双重飞跃，超导磁体已逐步渗透到核聚变实验装置、高能粒子加速器以及强磁场设施等科研与工程领域，发挥着作用。与此同时，低温制冷系统的应用范围亦大幅拓宽，它不仅被应用于超导储能电站，提升能源存储效率，还渗透至超导运输与电力系统，助力能源传输与分配的革新。此外，在航空航天领域，低温制冷技术同样展现出了巨大的应用潜力，为航天器的稳定运行与性能提升提供了有力支持。

当前，为了增强超导磁体在运行过程中的温度稳定性与磁场强度，国内广泛采纳了4.5K超临界氦强制对流冷却技术。这一技术显著提升了系统的整体稳定性。近年来，中科院等离子体物理研究所针对氦低温过冷系统进行了深入且广泛的实验研究与探索，并成功搭建了专门的测试与研究实验平台。在该平台上，研究团队独立设计并制造了具有500W/4.5K和2.5kW/4.5K制冷能力的氦制冷机，为氦低温过冷技术的进一步发展与应用奠定了坚实基础。

2.2 板翅式换热器在 2.5kW/4.5K 氦制冷系统中的 具体应用

氦低温过冷系统的测试与研究平台核心组件包括氦制冷机及过冷测试分配系统。该平台通过部署一台2.5kW/4.5K的氦制冷机，并创新性地运用冷压机技术，在低温与低压环境下对液氦槽实施真空抽取与压力降低处理，从而成功获取了温度低至3K的过冷氦。

聚焦于2.5kW/4.5K氦制冷机，这是一款专为大型应用设计的设备，它采用了Claude制冷循环技术，该循环由两台串联的透平膨胀机构成，且每台均配备有液氮预冷系统以增强效率。在节流路径设计上，该制冷机巧妙结合了透平膨胀机与节流阀的优势，以实现更为精细的流量与压力控制。该制冷机专为纯制冷模式而优化，在此模式下，其制冷能力可达2.6kW/4.5K，而若切换至纯液化模式，则能实现每小时550升的液氦生产率。

至于压缩机部分，其排气压力作为氦制冷循环中的压力峰值，其设定值参考了EAST氦低温系统的成熟参数。在制冷模式下，压缩机的高压侧压力被精确控制在20bar。随后，这股高压氦气会历经一系列精细处理流程，包括水冷降温、除油净化、吸附干燥等，最终压力略有下降至19.5bar后，进入制冷机的冷箱内部，开始其制冷循环的下一阶段。

氦气完成水冷后，其温度维持在310K状态进入冷箱系统。在冷箱内，针对温度超过80K的区域，我们采用液氮及低压状态的冷氦气，通过板翅式换热器HX1和液氮槽HX2的协同作用，实现对高温氦气的有效冷却。随后，高压氦气在板翅式换热器HX3内与低压冷氦气进行热交换，温度显著降低，并据此被分流为透平路与节流路。

透平路中的高压氦气经过透平膨胀机T1的绝热膨胀处理，温度进一步下降。接着，这股低温氦气与高压路中的氦气一同进入板翅式换热器HX5，在这里，它们再次受到低压冷氦气的冷却，并通过透平膨胀机T2的二次绝热膨胀，实现更深层次的降温。之后，这些氦气返回低压路，为低压路提供必要的冷量补充，同时帮助平衡主流路中的氦气流量与温度。

主流路的氦气在流经换热器HX7后，温度再次降低，随后进入透平膨胀机T3进行节流降温。完成这一步骤后，氦气进入板翅式换热器HX8进行最终的温度调节，最终通过节流过程将压力降低至1.25bar，并顺利进入液氦槽中储存。

在探讨2.5kW/4.5K氦制冷机系统时，一个显著的特点是，该系统在氦低温过冷领域的实现中，广泛采用了铝制板翅式换热器作为关键的换热设备，这一选择除压缩机与膨胀机之外几乎贯穿了整个系统。随着大型氦低温系统技术的持续进步与拓展，对核心组件——铝制板翅式换热器的设计与制造能力提出了更为严苛的要求。因此，提升该类型换热器的设计水平及制造工艺，对于推动整个氦低温过冷系统的发展而言，具有不可估量的重要性与紧迫性。

3 铝制板翅式换热器的设计

随着计算机辅助设计技术的飞速进步及其在化工设计领域的深入渗透，板翅式换热器的设计计算已经摆脱了传统的手工操作模式。当前，MUSE软件作为行业内广受认可且普遍采用的板翅式换热器设计工具，其强大的功能覆盖了从基础设计到复杂校核的全过程。该软件不仅能够轻松应对两股流体间的简单换热设计任务，更能胜任多股流体间复杂换热关系的精确计算与设计。在实际应用中，设计师首先依据给定的设计参数，利用MUSE软件的设计模式来初步确定换热器的设计方案；随后，通过切换到校核模式，对初步方案进行全面的优化调整，以确保设计结果既满足性能要求又具备经济高效性。这一过程充分展示了MUSE软件在推动板翅式换热器设计现代化、精确化方面的重要作用。

3.1 流体设计参数

在氦低温过冷系统的复杂冷箱结构中，板翅式换热器扮演着至关重要的角色。为了详细阐述其设计过程，我们选取系统中一台具有代表性的板翅式换热器作为案例，利用业界的MUSE软件进行精细化设计。该换热器涉及的冷流体和热流体均为氦气，具体的设计参数已详细列出于表1之中。通过MUSE软件，我们能够精确模拟和计算这些参数下的换热器性能，确保设计出的换热器既满足系统的换热需求，又具备良好的经济性和运行稳定性。

3.2 翅片选型

在板翅式换热器的设计中，翅片类型的选择至关重要，需依据具体使用场景综合考量多个因素，包括设计压力、流体状态、可接受的压降范围及流量等。通常而言，当冷热流体的温差较为接近或介质处于气相状态时，锯齿型翅片因其结构优势，能有效提升换热效率；反之，若冷热流体间温差显著，平直型翅片则因其能更好地控制压降和流阻，而更为适宜。此外，在涉及相变过程或介质为液相的传热场景中，多孔型翅片凭借其出色的润湿性和传质能力，成为优化换热的理想选择。

鉴于所处理的介质均为氦气，且均处于气相状态，为追求更高的传热效率，该板翅式换热器采用了锯齿型翅片设计。具体翅片参数设定如下：翅片高度精确设定为9.5mm，齿距精心控制为1.4mm，翅片厚度则保持在0.2mm的精细水平上。这些参数共同决定了翅片的当量直径为2.125mm，进而确保了通道截面积达到0.00797平方米，以充分容纳流体流动。最终，整个换热器的传热面积被优化至15平方米，以满足系统的高效换热需求。

铝制板翅式换热器