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江蘇航燁能源科技有限公司
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鋁制板式換熱器低溫制冷系統，亦稱緊湊型換熱器，其歷史可追溯至20世紀30年代，彼時國外已采用釬焊技術成功制造出此類換熱器。而我國，則在隨后的20世紀70年代，不甘落后地研發出了高效能的鋁制板翅式換熱器。歷經數十載的持續精進，我國在鋁制板翅式換熱器的設計與制造領域已取得了顯著進步，技術水平不斷提升，達到了新的高度。
隨著低溫科技及超導技術的持續飛躍，其在核聚變研究裝置、高效超導儲能電站以及航空航天領域的運用日益深化，進而催生了對低溫冷卻設備需求的顯著增長。在這一背景下，鋁質板翅式熱交換器憑借其性能，在低溫過冷系統中找到了重要應用舞臺。本文詳盡闡述了鋁質板翅式換熱器如何被巧妙設計并融入核能領域的低溫過冷系統中，這一工作不僅為超臨界氦及過冷氦等低溫制冷技術的工程設計提供了寶貴參考，也為后續優化其運行模式、推動大型低溫制冷項目的發展奠定了堅實的理論與實踐基礎。鋁制板式換熱器低溫制冷系統
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30年代，彼時國外已采用釬焊技術成功制造出此類換熱器。而我國，則在隨后的20世紀70年代，不甘落后地研發出了高效能的鋁制板翅式換熱器。歷經數十載的持續精進，我國在鋁制板翅式換熱器的設計與制造領域已取得了顯著進步，技術水平不斷提升，達到了新的高度。
1.1 鋁制板翅式換熱器結構
板翅式換熱器精妙地集成了翅片（或稱為導流片）、封條以及隔板（或側板），這些部件共同構筑起一個個獨立的夾層，這些夾層在業內被稱為通道。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構，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，它們的主要職責在于促進流體間的熱量高效傳遞。導流片，特指多孔型翅片的一種，其主要功能在于引導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，不僅實現了對內部通道的封閉，還承擔著支撐各通道結構穩定性的重任。至于隔板，它作為兩層翅片之間的連接橋梁，由金屬平板構成，其表面預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，而隔板則僅承擔了小部分的傳熱任務。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至冷流體，這一特點導致了所謂的“二次表面換熱"現象的存在。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中的應用
鋁制板翅式換熱器以其**優勢——結構緊湊、設備輕盈且傳熱效率，已經在眾多領域展現出了廣泛的應用價值，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、航空航天、汽車工業、制冷技術及空調系統等。隨著我國在液氦低溫技術及超導科技領域的持續進步，鋁制板翅式換熱器在氦低溫系統中的應用場景也日益豐富，其重要性愈發凸顯。
2.1 大型低溫制冷系統的發展
大規模低溫制冷系統，特指那些能夠達成20K以下極低溫度，并具備數百瓦乃至更高制冷能力的系統。近年來，得益于低溫科技與超導技術的雙重飛躍，超導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施等科研與工程領域，發揮著作用。與此同時，低溫制冷系統的應用范圍亦大幅拓寬，它不僅被應用于超導儲能電站，提升能源存儲效率，還滲透至超導運輸與電力系統，助力能源傳輸與分配的革新。此外，在航空航天領域，低溫制冷技術同樣展現出了巨大的應用潛力，為航天器的穩定運行與性能提升提供了有力支持。
當前，為了增強超導磁體在運行過程中的溫度穩定性與磁場強度，國內廣泛采納了4.5K超臨界氦強制對流冷卻技術。這一技術顯著提升了系統的整體穩定性。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，為氦低溫過冷技術的進一步發展與應用奠定了堅實基礎。
2.2 板翅式換熱器在 2.5kW/4.5K 氦制冷系統中的 具體應用
氦低溫過冷系統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。該平臺通過部署一臺2.5kW/4.5K的氦制冷機，并創新性地運用冷壓機技術，在低溫與低壓環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用設計的設備，它采用了Claude制冷循環技術，該循環由兩臺串聯的透平膨脹機構成，且每臺均配備有液氮預冷系統以增強效率。在節流路徑設計上，該制冷機巧妙結合了透平膨脹機與節流閥的優勢，以實現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，則能實現每小時550升的液氦生產率。
至于壓縮機部分，其排氣壓力作為氦制冷循環中的壓力峰值，其設定值參考了EAST氦低溫系統的成熟參數。在制冷模式下，壓縮機的高壓側壓力被精確控制在20bar。隨后，這股高壓氦氣會歷經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部，開始其制冷循環的下一階段。
氦氣完成水冷后，其溫度維持在310K狀態進入冷箱系統。在冷箱內，針對溫度超過80K的區域，我們采用液氮及低壓狀態的冷氦氣，通過板翅式換熱器HX1和液氮槽HX2的協同作用，實現對高溫氦氣的有效冷卻。隨后，高壓氦氣在板翅式換熱器HX3內與低壓冷氦氣進行熱交換，溫度顯著降低，并據此被分流為透平路與節流路。
透平路中的高壓氦氣經過透平膨脹機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換熱器HX7后，溫度再次降低，隨后進入透平膨脹機T3進行節流降溫。完成這一步驟后，氦氣進入板翅式換熱器HX8進行最終的溫度調節，最終通過節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氦制冷機系統時，一個顯著的特點是，該系統在氦低溫過冷領域的實現中，廣泛采用了鋁制板翅式換熱器作為關鍵的換熱設備，這一選擇除壓縮機與膨脹機之外幾乎貫穿了整個系統。隨著大型氦低溫系統技術的持續進步與拓展，對核心組件——鋁制板翅式換熱器的設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計水平及制造工藝，對于推動整個氦低溫過冷系統的發展而言，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計
隨著計算機輔助設計技術的飛速進步及其在化工設計領域的深入滲透，板翅式換熱器的設計計算已經擺脫了傳統的手工操作模式。當前，MUSE軟件作為行業內廣受認可且普遍采用的板翅式換熱器設計工具，其強大的功能覆蓋了從基礎設計到復雜校核的全過程。該軟件不僅能夠輕松應對兩股流體間的簡單換熱設計任務，更能勝任多股流體間復雜換熱關系的精確計算與設計。在實際應用中，設計師首先依據給定的設計參數，利用MUSE軟件的設計模式來初步確定換熱器的設計方案；隨后，通過切換到校核模式，對初步方案進行全面的優化調整，以確保設計結果既滿足性能要求又具備經濟高效性。這一過程充分展示了MUSE軟件在推動板翅式換熱器設計現代化、精確化方面的重要作用。
在氦低溫過冷系統的復雜冷箱結構中，板翅式換熱器扮演著至關重要的角色。為了詳細闡述其設計過程，我們選取系統中一臺具有代表性的板翅式換熱器作為案例，利用業界的MUSE軟件進行精細化設計。該換熱器涉及的冷流體和熱流體均為氦氣，具體的設計參數已詳細列出于表1之中。通過MUSE軟件，我們能夠精確模擬和計算這些參數下的換熱器性能，確保設計出的換熱器既滿足系統的換熱需求，又具備良好的經濟性和運行穩定性。
3.2 翅片選型
在板翅式換熱器的設計中，翅片類型的選擇至關重要，需依據具體使用場景綜合考量多個因素，包括設計壓力、流體狀態、可接受的壓降范圍及流量等。通常而言，當冷熱流體的溫差較為接近或介質處于氣相狀態時，鋸齒型翅片因其結構優勢，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能力，成為優化換熱的理想選擇。
鑒于所處理的介質均為氦氣，且均處于氣相狀態，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計。具體翅片參數設定如下：翅片高度精確設定為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。這些參數共同決定了翅片的當量直徑為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化至15平方米，以滿足系統的高效換熱需求。
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