周青松，钱寅国，韦小雄，盛月峰，夏佳，方凯，蒋芳，季钢，姚焕钟
（杭州中泰深冷技术股份有限公司，浙江 杭州311402）
［摘 要］板翅式换热器是空分装置冷凝、液化、蒸发等热量交换的关键设备，其性能直接影响着空分装置的运行效率与能耗水平。因板翅式换热器独特的设计与制造特性（单台板翅式换热器的制造尺寸受限，通常采用多台板翅式换热器并联运行的方式），实际应用中不可避免地会出现程度不一的流体偏流问题，导致传热不均匀、系统压降增大，进而影响换热器的效能。为此，从设计与制造方面分析与探讨板翅式换热器流体偏流成因，提出外围管道优化设计、保证原始试车吹扫合格、改进板翅式换热器封头结构、设置气/液相均布结构等优化改进措施，并指出制造过程（可变因素众多且复杂）带来的流体偏流问题尚需攻克。未来，随着材料科学、计算技术与制造工艺的不断进步，这一领域仍有很大的研究与优化空间。
［关键词］空分装置；板翅式换热器；流体偏流；成因分析；设计方面；制造方面；优化改进
［中图分类号］TB657.7；TQ051.5 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2025）05-0052-04
0 引 言
随着现代工业技术的迅猛发展，空分装置在众多领域中扮演着越来越重要的角色。板翅式换热器以其温差小、传热效率高、允许阻力小以及多股流体物性变化激烈等特点，广泛应用于各种工业场景，其具有独特的结构和性能特点，是实现大型空分装置冷凝、液化、蒸发等热量交换的关键设备，其性能直接影响着整个空分装置的运行效率与能耗水平。因此，在板翅式换热器设计和制造过程中，如何优化其性能尤为重要。
随着空分装置的大型化，对板翅式换热器的要求也日益提高，其体积需要相应增大。然而，受制造技术的制约，目前单台板翅式换热器的制造尺寸受限，通过单一设备实现大容量换热变得极为困难，通常采用多台板翅式换热器并联的方式以增加其总的换热面积，但此举仍有很大的挑战性。具体来说，多台换热器并联时，工艺流体进入换热器的过程中可能会产生偏流现象（某些通道内流体流量过多，其他通道则流量不足），会导致传热不均、系统压降增大，进而影响换热器的效能，且并联增加传热单元数也会进一步加剧这种负面影响。如何降低偏流的影响，提高板翅式换热器的效能，成为一个亟待解决的重要问题[1-4]。鉴于此，笔者拟从工艺流体的源头到流体离开板翅式换热器整个过程中系统地分析偏流的成因，提出一系列切实可行的解决措施，并展望未来解决偏流问题的方向，以期为后续研究与实际应用厘清思路，为业内提供一点参考，促进板翅式换热器相关技术的发展与应用。
1 板翅式换热器流体偏流成因分析
1.1 设计方面
1.1.1 流体进入换热器之前
板翅式换热器几种常见管线布置形式如图1。板翅式换热器放置于空分装置冷箱中以确保良好的保温效果，理想情况下，如果设计上能够实现管线的均匀布置[如图1（a），习称Y形布置；001～004代指4台换热器，下同]，理论上可以避免偏流现象的发生。然而，实际生产过程中，要实现这种理想的均匀布置面临着诸多挑战。比如，冷箱的设计通常需要具备规则的几何形状，便于制造与安装，导致工艺管线进/出冷箱时不可避免地会设置弯管、三通等管件，这些额外的管件不仅增加了系统的复杂性，还会导致流体在进入换热器之前形成不一致的阻力分布。具体而言，弯管和三通的存在使得流体在通过这些部件时产生局部湍流和压降，从而影响流体的流动特性，会直接导致流体在进入换热器之前分布不均，进而引发偏流现象。
这种偏流现象发生在流体进入板翅式换热器之前，即在进入001～004换热器的过程中某些通道上的流体会因遇到更多的弯管或三通而受到更大的阻力，导致其流量减少，其他通道则可能因阻力较小而流量过大，流量的不均匀分布会影响换热器的换热效率，最终导致部分区域的换热效果显著下降[5]。
1.1.2 流体从换热器封头流至导流片阶段
板翅式换热器封头及导流片结构示意如图2。目前，国内外研究者普遍认为封头结构设计不合理是导致流体分配不均匀的关键因素之一。就多股流换热器而言，封头内部的流体分配主要取决于两方面的因素，一是流体在封头内部形成的漩涡流场，二是导流片入口截面上存在的横向压力梯度。当入口管附近流体流量较大而远离入口管处流体（再加上其与壁面的黏附作用）流量较低时，流体从接管内进入导流片中会产生较明显的偏流，若某些通道排列不是很均匀的话，流体进入导流片中形成的偏流情况更严重[6-7]。
1.1.3 流体从导流片流至翅片阶段
导流片入口处为多孔型翅片（如图2所示）时，流体流经每个翅片间隔会产生差异，从而会导致偏流[8]。张哲等[3]通过计算流体力学（CFD）的方法研究了板翅式换热器入口流体分配性能及其规律，结果表明，导流片打孔直径为2 mm、导流角度为45°时流体分配最为均匀。黄超进[9]等的研究结果表明，在一定条件下，锯齿型翅片相较于平直型翅片具有更好的均布性，在高雷诺数（Re）下这种优势尤为明显。因此，通过精心设计与布置导流片，可显著改善板翅式换热器入口处流体的分配特性，利于实现优良的换热效果。
1.1.4 气液两相流偏流
气液两相流进入换热器时会产生更为严重的偏流现象。其中，由于液相离心力与质量相对较大，容易与气相在管道中产生分离的趋势，造成流体在流道中分配不均匀，流体的不均匀流动使沸腾、冷凝的相变换热在不同气液平衡下以不同速度进行，对换热器的换热性能影响极大。而由波动气流和压降引起的复杂现象可能导致不稳定的密度波，进而引起液体在换热器内部出现偏流。气液分布不均匀会使换热器的换热效率下降20%～40%，且随着换热单元数量的增加，这种趋势将变得更加明显[10-11]。
1.2 制造方面
1.2.1 钎焊工艺
更多内容详见《中氮肥》2025年第5期