第1章 绪论
1.1 板翅式换热器
板翅式换热器的结构紧凑、传热效率高、轻巧牢固、适应性强且经济性能好，已被广泛应用在空气分离、石油化工、动力机械、原子能和国防工业等方面[1，2]，其基本结构如图1-1所示。我国于20世纪60年代开始生产铝制板翅式换热器，目前真空钎焊制造技术已经相当成熟[3，4]，但缺点是其可承受的温度和压力较低。在高温、高压和具有腐蚀性的环境下，需要采用耐高温且抗腐蚀性强的材料来制造，如不锈钢、Haynes、Inconel、Hastelloy等系列高温合金[5]。在燃气轮机中使用的回热器[6]、中间热变换器[7]、高温气冷堆[8，9]发电和制氢系统中使用的板翅式换热器，正越来越多地采用此类耐高温且抗腐蚀性强的材料制造[10]。
图1-1 板翅式换热器的基本结构[12]
(a)整体结构；(b)钎焊板翅结构[11]；(c)3D打印板翅结构
1.2 板翅结构热力设计方法的研究进展
为提高板翅结构的传热效率，广大科技工作者设计了各种具有高传热面积密度的翅片，并对其基本的传热和流动阻力性能开展了大量的试验和数值模拟研究，建立了热力设计方法。杜文江和王良璧[13]开发了3种带有涡流发生器的结构改进型翅片，通过与平直翅片的对流换热性能对比分析，发现带有涡流发生器的翅片可极大地增强换热效果。王威[14]提出了一种采用小尺寸偏移量来部分代替大尺寸偏移量的双尺度锯齿翅片，这使在换热强度削减不多的前提下，翅片压降有明显降低。李晓宁等[15]发明了一种能够同时兼具错列翅片、波纹翅片和开缝翅片优点的新型高效低压降翅片。李娟等[16]开发了一种新型横排三角形多孔翅片，其传热性能比相同传热品质因子的锯齿翅片更好。上述这些翅片结构都是在常用的平直形、锯齿形、多孔形和百叶窗形四种基本翅片结构的基础上进行改进的，其流动和传热特性比原型效果更好。
翅片表面传热、流动特性的获取是实现板翅结构热力设计准则的基础与关键。通过试验研究，可*大限度地贴近实际工况，获得较为精确的数据。但同时，试验也难以对复杂通道内部的传热与流动进行分析，且周期长、投资大。因此，目前的众多研究都是在部分实测的基础上运用数值仿真的方法进行大量研究。Kays和London[17]通过大量试验工作给出了各种紧凑式高效传热表面的基本换热和流动摩擦试验数据，对翅片表面的性能做了较系统的研究[18-20]。李媛等[21]对锯齿形、波纹形、百叶窗形这三种常见的铝翅片表面进行了冷态和热态试验研究，测定了翅片表面的传热性能和摩阻损失曲线，获得了雷诺数Re与传热因子j、摩擦因子f的关系。Kim等[22]对多孔形翅片表面的传热特性进行了试验研究。Shah等[23]、Shah[24]基于试验对比分析了平直形翅片和多孔形翅片表面的传热、压降和流动特性。 Joshi和Webb[25]、张力等对锯齿形翅片的表面特性进行了实测研究[26，27]。 Goldstein和Sparrow[28]应用传质模拟方法对波纹形翅片进行了试验研究。 Aliabadi和Hormozi[29]对平直形、多孔形、锯齿形、波浪形及针形五种不同结构的翅片，在空气、水、油和乙二醇等不同工作流体环境下的性能进行了对比研究，研究结果为不同类型冷却液的板翅结构选型提供了参考。唐成[30]对混合热边界条件下平直形翅片通道的传热特性进行了数值模拟，认为板翅式换热器的二次传热主要是由其翅片完成，且随着雷诺数Re的增大，流体的平均温度降低，流体区内部的传热传质作用加大。Yang等[31]对锯齿形翅片结构的传热性能进行了评估，并提出了一个称为“熵产分布因子”的新参数，用于评价锯齿形翅片板翅式换热器在热力学上的优势。目前的研究主要聚焦于翅片的表面特性、传热性能与流体流阻的研究上，通过分析研究翅片的结构参数及翅型对翅片表面对流换热与流动阻力性能的影响，进而总结归纳出翅片表面传热与阻力的关联式。需要特别指出的是，传热与阻力准则关系式的获得虽然促进了板翅结构在工程实际中的应用及推广，但其应用范围及精度均有一定的局限性。
因此，面向板翅结构的应用环境，针对板翅结构的基本构成、翅片类型等，综合分析各种影响因素，归纳总结板翅结构普遍适用的传热与阻力准则关系式，并以此为核心，概括总结板翅结构的热力设计方法，是实现板翅结构的精准设计和高效应用的关键所在。
1.3 板翅结构高温钎焊工艺的研究进展
板翅式换热器常采用真空高温钎焊工艺制造。镍基钎料以其良好的耐高温和抗腐蚀性能得到了普遍应用[32-34]。由于板翅式换热器的结构较为复杂，且所用镍基钎料是一种脆性材料，再加上钎料与母材力学性能的不匹配，导致板翅式换热器的真空钎焊尚存在不少问题。
首先，板翅结构在钎焊时，其不同位置上的温度存在差异，从而造成钎焊接头质量的不均匀。美国密芝根大学的Ratts等[35]利用数值模拟的方法对铝制板翅式换热器保护气氛的钎焊过程进行了模拟，并与试验结果进行了比较。模拟结果显示，在加热的初始阶段，翅片和隔板的温度比封条高12℃，当温度继续升高时，封条的温度反而比翅片和隔板高12℃。随着加热时间的增加，温度持续升高，封条和翅片、隔板的温差减小。
其次，钎焊的工艺参数对接头微观组织的影响较大。陈虎[36]对304不锈钢钎焊接头微观组织的影响因素进行了研究，发现接头组织与钎料中硼元素的扩散密切相关。在1025℃下钎焊，仅在接头界面处形成了少量固溶体组织，钎缝中的金属间化合物较多；在1075℃下钎焊时，接头中的大部分组织为固溶体，母材扩散区域增加。随保温时间增加，硼元素向母材的扩散更充分，钎缝中固溶体含量明显增加。随着间隙增加，硼元素扩散的距离增加，完成扩散过程所需要的时间更长。在相同的保温时间下，对于宽钎缝间隙，未进行等温凝固的残余液相钎料更多，因此导致脆性共晶金属间化合物增加。
采用镍基钎料BNi-2钎焊的304不锈钢钎焊接头的微观组织与钎焊间隙、钎焊温度、保温时间等密切有关，但是归根结底还是与硼元素的扩散程度相关。在钎焊过程中，伴随着物质的迁移、相变和各种反应行为，钎料中的硼元素向母材扩散，同时母材也向液相钎料溶解，从而影响整个钎焊质量。影响硼元素在整个钎焊过程中扩散行为的主要因素有钎料中硼的初始含量、钎焊温度、钎缝初始间隙及保温时间等。因此，需要对钎料和母材之间的扩散进行深入研究。在钎焊过程中，当钎缝组织为完全的固溶体时，接头具有较高的强度和塑性；当接头含有脆性化合物时，机械性能降低。但是要想获得完全固溶体组织的钎缝，需要科学设计钎缝的几何尺寸、钎焊温度、保温时间等钎焊工艺。
上述研究虽然讨论了钎缝间隙、保温时间、钎焊温度等对接头组织的影响，但是其试验所用模型与实际不锈钢板翅结构的差距还比较远，因此亟待从理论和机理上进行深入研究，即从钎焊设备和钎焊规范到不锈钢板翅式换热器母材和钎料的材料性能与几何因素，来分析获得优良接头的因素。因此，研究不锈钢板翅式换热器钎焊接头的质量问题，可从数值理论与试验的角度对影响钎焊接头质量的因素进行分析，这是实现不锈钢板翅式换热器结构改进、钎焊条件改善、钎焊接头成形优化和获得良好使用性能的必要前提。
1.4 板翅结构强度的研究进展
1.4.1 板翅结构的强度
钎焊接头的强度主要受钎焊工艺的影响，如钎焊温度、钎焊时间、钎料类型、钎料成分及钎料厚度等。因此需要研究钎焊工艺参数的变化对板翅结构强度的影响，从而优化工艺参数，获得具有良好微观组织和较高强度的板翅结构。Yu和Lai[37]通过对AISI316钎焊接头的组织及力学性能的研究发现，随着钎焊温度的升高，接头内的共晶组织减少，固溶体增加，钎焊接头的强度、韧性及疲劳性能得到提高。Zhang Feng[38]以TiC陶瓷/Ag-Cu-Zn/合金钎焊接头为研究对象，同时探究了钎焊温度及保温时间对钎焊接头性能的影响，钎焊接头的剪切强度随两类钎焊工艺的变化趋势如图1-2所示。这两种钎焊工艺参数的变化也会使接头断口形貌及断裂位置发生改变。试验结果表明，当钎焊温度及保温时间分别为850℃、15min时，钎焊接头的剪切强度昀高，此时断口模式属于韧性断裂。
图1-2 TiC陶瓷/Ag-Cu-Zn/合金钎焊接头的剪切强度随两类钎焊工艺的变化趋势
(a)钎焊温度；(b)保温时间
钎料作为钎焊中的黏结剂及填充剂，其成分直接决定了钎焊接头的性能，并影响钎焊工艺参数的设定。钎焊所需的钎料不仅要具有良好的润湿、填缝能力及较理想的熔点，而且其热膨胀性能也应与母材匹配，以防止其冷却后产生较大的残余热应力，确保钎焊接头的各项性能符合工作要求。选择合适的钎料种类及成分以提升钎焊接头的性能一直是许多学者的研究重点。刘军等[39]分别采用铜基钎料BIIP-1、Cu和镍基钎料BNi-2、BNi-5对不锈钢1Cr18Ni9Ti进行钎焊焊接，观察了各个钎焊接头的组织形貌，发现以纯Cu作为钎料所得的钎焊接头的组织更为均匀单一，仅析出极少量的脆性化合物，拉伸及剪切试验的结果证明了1Cr18Ni9Ti不锈钢/纯Cu钎焊接头的优良性。目前所使用钎料的形态分为粉末状、膏状、带状及非晶态箔片状，张凌云等[40]、刘海侠[41]的研究成果表明在相同的钎焊工艺下，非晶态钎料可增强母材与钎料间的扩散作用，因而使钎焊接头具有更高的强度。许多研究人员通过在传统钎料中加入各种增强相制备复合钎料以求降低钎料的熔点和热膨胀系数，以期提升其填缝能力及接头的各项机械性能。
钎缝间隙的尺寸变化同样会对钎焊接头的性能产生较大的影响。钎缝尺寸过大会减弱液态钎料的毛细填缝作用及母材与钎料间的元素扩散，这使钎焊接头内易结晶出脆性的铸造组织，并发生枝晶偏析；而较小的钎缝间隙则会减弱液态钎料的流动性，这使接头内易产生气孔、夹渣、未焊透等钎焊缺陷，这两种情况的出现均会减弱接头的承载能力。王轶等[42]通过试验测试了含不同钎焊间隙1Cr18Ni9Ti/BNi-2钎焊接头的抗拉强度，发现随着钎缝宽度的增加，其强度先升高后降低，钎焊接头的昀大抗拉强度所对应的钎缝宽度存在平台值现象，而且钎缝宽度的昀佳值范围会随着钎焊温度的升高而增大。
钎焊中的升温、降温及焊后的热处理过程对接头的性能也有较大的影响。升温过程较慢会使部分钎料出现挥发及溶蚀现象，钎焊接头内的缺陷增多。而升温过程太快则会使钎焊构件内的温度分布不均，母材及钎料间的元素扩散程度会受到影响，同时钎焊组件易发生错位及变形，产生内应力，降低尺寸精度。钎焊构件在保温阶段结束后进入冷却过程，而冷却速度会影响部分金属母材的组织变化及钎缝内脆硬相的转变，进而使钎焊接头的整体性能发生显著变化。许多学者还通过对钎焊构件进行焊后热处理，以提升其性能。屈丹丹等[43]对钨/Ti-Zr-Ni-Cu/铜铬锆合金钎焊接头进行了热等静压处理，发现热处理后接头内铜元素的分布会更加连续均匀，此方法可改善钎焊接头内残余应力的分布，随后的剪切试验结果证明了通过热等静压处理后，钎焊接头的力学性能得到大幅提升。李大斌等[44]对K300合金/N300钎焊接头分别进行了扩散处理、固溶处理及时效处理，并分析对比了其组织形貌及持久强度，发现不同的热处理方式会改变母材中γ′相的分布及形貌。其中固溶处理会使接头内析出点状的金属间化合物，此时接头的性能出现劣化，而长时间的时效处理可改善此种现象，提升接头的持久强度。
对不锈钢板翅结构而言，同样要深入研究钎焊工艺参数的变化对其强度的影响，从而优化钎焊工艺参数，获得具有良好微观组织和较高强度的板翅结构。
1.4.2 板翅结构的钎焊残余应力
板翅结构在真空高温钎焊过程中，由于钎料与母材力学性能的不匹配及钎焊夹具的约束等，不可避免地产生残余应力，对芯体的结构完整性如静载强度[45]、蠕变[46]、疲劳[47]及应力腐蚀开裂[48]等性能产生很大影响。因此，研究钎焊接头的残余应力分布，优化钎焊工艺，提出降低残
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