陳永東 ，彭小敏 ，于改革 ，李 炅 ，吳曉紅

（1.合肥通用機(jī)械研究院，安徽合肥 230031；2.國(guó)家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心，安徽合肥 230031；3.合肥通用環(huán)境控制技術(shù)有限責(zé)任公司，安徽合肥 230088）

1 前言

阿法拉伐、舒瑞普、丹佛斯等公司推出的釬焊板式換熱器，提高了冷凝器、蒸發(fā)器的緊湊度和效率，促進(jìn)了制冷系統(tǒng)能效的提高［1～3］。半焊板式換熱器適用于滿液式機(jī)組的蒸發(fā)器、冷凝器和油冷卻器，具有充液量小、傳熱系數(shù)高、凍結(jié)危險(xiǎn)性小、抗熱沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，半焊板式換熱器還廣泛應(yīng)用于非共沸的HFC、HCFC、NH3以及HC（如丙烯、丙烷等）制冷劑系統(tǒng)［4，5］。在壓力更高的場(chǎng)合，更多地關(guān)注聚集于全焊板式換熱器。為了促進(jìn)中國(guó)緊湊式換熱器的技術(shù)進(jìn)步，在瑞典等國(guó)技術(shù)專家的支持下，全國(guó)冷凍設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)組織起草了JB8710-1998《制冷用板式換熱器》［6，7］。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)成為世界上第一個(gè)系統(tǒng)針對(duì)不可拆板式換熱器（包括釬焊板式換熱器、半焊板式換熱器、全焊板式換熱器）設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)與驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)起草對(duì)不可拆板式換熱器行業(yè)產(chǎn)生了較大的影響，不僅促進(jìn)了制冷機(jī)組生產(chǎn)商立足于國(guó)內(nèi)選擇高效率換熱器產(chǎn)品，降低了成本，也推動(dòng)了中國(guó)釬焊板式換熱器產(chǎn)品走出國(guó)門。

近年來(lái)，隨著各種熱力循環(huán)參數(shù)的提高，板式換熱器自身技術(shù)也在不斷進(jìn)步；另外，中國(guó)制造2025的實(shí)施也促進(jìn)了板式換熱器制造過(guò)程的自動(dòng)化、智能化水平。根據(jù)工信廳科［2013］年217號(hào)文的要求，重新修訂JB8710-1998《制冷用板式換熱器》。

2 總體修訂介紹

2.1 適用范圍

伴隨著核電工業(yè)的進(jìn)步和環(huán)保型制冷劑的應(yīng)用，超臨界CO2布雷頓循環(huán)和跨臨界CO2制冷循環(huán)等熱力循環(huán)采用了釬焊、擴(kuò)散焊等緊湊式換熱器。典型跨臨界CO2制冷系統(tǒng)的流程及熱力循環(huán)如圖1所示［8，9］。其中a-b為超臨界壓力以上的冷卻過(guò)程（而不是冷凝過(guò)程），b-c是為了提高性能在回?zé)崞髦斜粔嚎s機(jī)的回汽進(jìn)一步冷卻。實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)過(guò)程的設(shè)備可采用釬焊板式換熱器。

圖1 跨臨界CO2制冷系統(tǒng)的流程及熱力循環(huán)

阿法拉伐公司專門為使用CO2制冷劑的亞臨界循環(huán)和跨臨界循環(huán)研制了能夠承受13 MPa的釬焊板式換熱器，型號(hào)為AXP52；舒瑞普公司也推出了類似的產(chǎn)品。因此本次修訂過(guò)程中，將釬焊板式換熱器的設(shè)計(jì)壓力提高到14.0 MPa。

2.2 制冷劑的分組與安全性

相比JB8701-1998，標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí)主要參考了ISO5149 《制冷系統(tǒng)和熱泵的安全與環(huán)境要求》第一部分“定義、分類和選擇準(zhǔn)則”［10］，同時(shí)考慮到和冷凍空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)體系標(biāo)準(zhǔn)的一致性，尤其是和GB9237的協(xié)調(diào)性。制冷劑數(shù)量由18種變成了28種；在低壓側(cè)，不僅給出了規(guī)定的環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓力，還增加了不同蒸發(fā)溫度對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓力。由于R717劃入了B2L，本次標(biāo)準(zhǔn)中不再包含B2和B3組制冷劑。

2.3 材料

板式換熱器用材料種類的增加及性能的提高，促使對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的材料部分進(jìn)行了修訂。增加了GB/T 24511對(duì)應(yīng)的有關(guān)不銹鋼材料，同時(shí)還修改了主要受壓元件在不同溫度下的許用應(yīng)力表；依據(jù)最新材料標(biāo)準(zhǔn)，修改了本標(biāo)準(zhǔn)涉及的材料牌號(hào)。取消了Q235A（材料P、S含量高，沖擊功未作要求）、16Mn（Q345R可以替代之）、20D（NB/T47009已取消該牌號(hào)）、1Cr18Ni9Ti（更改為新牌號(hào)）、45（NB/T47008和GB150.2-2011中都未采用此材料）、BZN15-20（鎳箔標(biāo)準(zhǔn)中已刪除）部分材料；增加了Q235C （GB150-2011附錄中仍保留此材料）、30CrMoA（因取消45，30CrMOA許用應(yīng)力介于35和35CrMOA之間，便于法蘭合理設(shè)計(jì)），補(bǔ)充了不銹鋼夾緊螺栓材料S30408。

另外，考慮到技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)釬焊板式換熱器的定義進(jìn)行了局部調(diào)整，允許采用釬箔或者其他改進(jìn)型涂料作為釬焊用釬料。

3 基于驗(yàn)證性試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法

由于釬焊板式換熱器板片包結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難用解析式來(lái)表達(dá)。對(duì)于這一類特殊的情況，國(guó)際上采用的是基于驗(yàn)證性試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法，即通過(guò)爆裂試驗(yàn)或型式許可試驗(yàn)等手段來(lái)確定其設(shè)計(jì)壓力（或者是最高允許工作壓力）。

表1給出了世界7個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)（或規(guī)范）對(duì)壓力容器、制冷系統(tǒng)部件爆裂試驗(yàn)或型式許可試驗(yàn)壓力的有關(guān)規(guī)定［11～16］。

表1 世界主要國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（或規(guī)范）對(duì)爆裂試驗(yàn)或型式許可試驗(yàn)壓力的有關(guān)規(guī)定

從表1可以看出，前3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都采用了4倍的安全系數(shù)，GB150.1-2011附錄C完全采納ASME BPVC.Ⅷ.1-2015 有關(guān)條款內(nèi)容，這3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都沒(méi)有提及疲勞試驗(yàn)。EN13445-2014附錄T規(guī)定了基于試驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)要求，并規(guī)定了可以選擇爆裂試驗(yàn)、結(jié)合總體變形的爆裂試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)任何一種方法。對(duì)于釬焊板式換熱器，疲勞試驗(yàn)的循環(huán)次數(shù)為5500次，無(wú)法滿足制冷系統(tǒng)及熱泵的要求。UL207更適用于管殼式熱交換器這類管、殼程設(shè)計(jì)壓力不同、結(jié)構(gòu)不對(duì)稱的的換熱器，對(duì)于制冷用板式換熱器來(lái)說(shuō)顯得復(fù)雜而且保守。而ISO5149更切合制冷系統(tǒng)的要求，并明確規(guī)定了結(jié)合疲勞試驗(yàn)的強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)單一許可強(qiáng)度試驗(yàn)的替代性。JB8701修訂時(shí)采用了ISO5149-1的規(guī)定，并將型式許可強(qiáng)度試驗(yàn)和型式試驗(yàn)區(qū)別開(kāi)來(lái)，前者隸屬于設(shè)計(jì)部分，可以選擇單一許可強(qiáng)度試驗(yàn)或者結(jié)合疲勞試驗(yàn)的強(qiáng)度試驗(yàn)，其目的是確定設(shè)計(jì)壓力；但在型式試驗(yàn)中必須完成爆裂試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)，只是疲勞試驗(yàn)的方法寫在了設(shè)計(jì)部分。

4 釬焊板式換熱器的釬焊工藝評(píng)定

4.1 釬焊板式換熱器的焊接接頭的型式與特點(diǎn)

在JB8701-1998第7.3.1.3中規(guī)定“按評(píng)定合格后的釬焊工藝選擇釬焊程序，釬焊工藝由制造單位自行評(píng)定”，而衡量釬焊工藝的最終評(píng)價(jià)指標(biāo)是產(chǎn)品是否通過(guò)爆裂試驗(yàn)，過(guò)程控制的作用未得到明顯發(fā)揮。因此，標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí)對(duì)釬焊工藝進(jìn)行了細(xì)致的研究：

（1）研究對(duì)比了ASME BPVC第Ⅸ卷有關(guān)釬焊的內(nèi)容；

（2）對(duì)制冷用釬焊板式換熱器生產(chǎn)商進(jìn)行了調(diào)研；

（3）深入研究了釬焊板式換熱器的接頭型式。

釬焊板式換熱器存在2種接頭形式，一是板片之間的搭接接頭（如圖2所示），另一類是接管與板之間的搭接接頭（如圖3所示）

圖2 板片之間的搭接接頭

圖3 接管與板之間的搭接接頭

由于釬焊時(shí)釬料是以預(yù)置的形式和板片組成板片包以后進(jìn)入釬焊爐內(nèi)，實(shí)際并無(wú)主漫流發(fā)生，因此在采用ASME BPVC第Ⅸ卷有關(guān)釬焊內(nèi)容的過(guò)程中刪除了漫流位置作為釬焊重要因素這一條款［17］。

4.2 釬焊工藝評(píng)定的技術(shù)規(guī)定

標(biāo)準(zhǔn)附錄B規(guī)定了針對(duì)搭接接頭釬焊工藝評(píng)定的技術(shù)內(nèi)容。

評(píng)定釬焊工藝所應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)的試樣類型和數(shù)量見(jiàn)表2，并規(guī)定了拉伸試樣、剝離試樣、切片試樣的制備方法，在無(wú)法進(jìn)行剝離試驗(yàn)時(shí)可以用切片試驗(yàn)來(lái)代替。

表2 搭接接頭的拉伸試驗(yàn)和剝離試驗(yàn)

附錄B同時(shí)規(guī)定了合格標(biāo)準(zhǔn)和接受準(zhǔn)則，除拉伸試驗(yàn)應(yīng)滿足足夠的機(jī)械強(qiáng)度要求外，還規(guī)定了剝離試驗(yàn)和切片試驗(yàn)的合格標(biāo)準(zhǔn)。

剝離試驗(yàn)要求接頭分離后的搭接面要達(dá)到以下標(biāo)準(zhǔn)：

（1）缺陷總面積（未釬焊面等）不得超過(guò)任一搭接總面積的25%；

（2）在搭接方向上的任意一條直線上所測(cè)得的缺陷長(zhǎng)度之和不得超過(guò)搭接長(zhǎng)度的25%；

（3）任意兩處缺陷的邊緣不能貫通。

切片試驗(yàn)要求試樣的每個(gè)側(cè)面分別計(jì)算，各側(cè)面未釬焊區(qū)的總長(zhǎng)度不得超過(guò)接頭搭接長(zhǎng)度的20%（每個(gè)側(cè)面都要拋光，用至少放大四倍的放大鏡進(jìn)行檢查）。

釬焊板式換熱器的釬焊工藝評(píng)定是整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)向前推進(jìn)的一大步，使釬焊工藝的過(guò)程控制有了更科學(xué)的保證。

5 氣密性試驗(yàn)

板式換熱器的氣密性是其制造質(zhì)量的一個(gè)重要標(biāo)志，也決定了板式換熱器的內(nèi)存的制冷劑向外界的泄漏量。EC842-2006及ISO5149-2014規(guī)定為1/4最大允許壓力下，制冷劑的年泄漏量應(yīng)少于 3 g［18］。

JB8701-1998《制冷用板式換熱器》就分別對(duì)3種不可拆板式換熱器的泄漏率作了明確的規(guī)定，在這一點(diǎn)上具有很大的前瞻性。本次修訂時(shí)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)廠家的實(shí)際情況對(duì)制冷板式換熱器使用不同制冷劑的泄漏率再一次進(jìn)行了研究。

5.1 年泄漏量的驗(yàn)算

本標(biāo)準(zhǔn)要求釬焊板式換熱器在絕對(duì)壓力0.1 MPa下采用純氦氣進(jìn)行泄漏檢測(cè)時(shí)的泄漏率不大于5.0×10-7Pa·m3/s。以R134a制冷劑為例，其體積泄漏率為：

式中 LVR134a—— 制冷劑R134a在0.1 MPa下的體積泄漏率，Pa·m3/s

LHe—— 純氦氣在0.1 MPa下的泄漏率，Pa·m3/s，LHe=5.0×10-7Pa·m3/s

MHe——氦氣的摩爾質(zhì)量，g/mol，MHe=4 g/mol

MR134a—— 制冷劑 R134a的摩爾質(zhì)量，g/mol，MR134a=102 g/mol

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得LVR134a=9.9×10-13Pa·m3/s。

因此，對(duì)應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許泄漏率，R134a的年泄漏量：

式中 QR134a—— 制冷劑R134a在0.1 MPa下的年泄漏量，g

也就是說(shuō)，以2.0 MPa設(shè)計(jì)壓力的R134a制冷劑為例，在0.25倍設(shè)計(jì)壓力（即0.5 MPa）下，年泄漏量為0.71 g，遠(yuǎn)少于EC842及ISO5149規(guī)定的年泄漏量3 g。

表3列出了釬焊板式換熱器使用不同制冷介質(zhì)在不同壓力下運(yùn)行，以本標(biāo)準(zhǔn)在絕對(duì)壓力0.1MPa下采用純氦氣進(jìn)行泄漏試驗(yàn)的允許泄漏率（5.0×10-7Pa·m3/s）換算成的年泄漏量。

表3 標(biāo)準(zhǔn)允許泄漏率對(duì)應(yīng)的制冷介質(zhì)年泄漏量 g

對(duì)于不同制冷介質(zhì)的不同壓力工況，按照國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的年允許泄漏量換算成純氦氣在0.1 MPa下的泄漏率見(jiàn)表4。

表4 不同制冷介質(zhì)在不同壓力下的泄漏率比較

隨著釬焊板式換熱器制造技術(shù)的進(jìn)步，其使用壓力與以往相比提高了很多，因而進(jìn)行泄漏檢測(cè)時(shí)的泄漏率指標(biāo)要求嚴(yán)格化非常有必要。與國(guó)際上其它標(biāo)準(zhǔn)（如ISO5149-2014、EC842-2006）相比，JB8701對(duì)泄漏率的控制指標(biāo)已走在世界的前列。

另外，標(biāo)準(zhǔn)允許采用其他壓力和純度的氦氣或者示蹤氣體作為泄漏檢測(cè)的試驗(yàn)介質(zhì)，只要其允許泄漏率換算成在絕對(duì)壓力0.1 MPa下采用純氦氣時(shí)的允許泄漏率符合要求即可。

6 熱工性能測(cè)試方法

JB8701-1998只規(guī)定了板式換熱器作為空調(diào)系統(tǒng)蒸發(fā)器使用的測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)試工況，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了當(dāng)前的應(yīng)用需求［19］。

附錄D不僅給出了空調(diào)系統(tǒng)的冷凝器測(cè)試工況，也給出了作為熱泵用的冷凝器使用的大溫差測(cè)試工況；蒸發(fā)器測(cè)試工況1對(duì)原標(biāo)準(zhǔn)中的蒸發(fā)器測(cè)試工況進(jìn)行了一定的調(diào)整：進(jìn)出水溫度不變，閥前制冷劑液體溫度由30℃調(diào)整為35℃；同時(shí)根據(jù)企業(yè)實(shí)際使用情況，將蒸發(fā)溫度由2℃調(diào)整為4℃，過(guò)熱度為5℃。

標(biāo)準(zhǔn)還給出了一套板式換熱器作為冷凝器的測(cè)試系統(tǒng)原理圖和一套板式換熱器作為蒸發(fā)器的測(cè)試系統(tǒng)原理圖。

在冷凝器的測(cè)試系統(tǒng)中，被測(cè)試?yán)淠髋c制冷劑系統(tǒng)主冷凝器并聯(lián)，通過(guò)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)進(jìn)入被測(cè)試?yán)淠鞯闹评鋭┝髁俊?duì)于名義測(cè)試工況，進(jìn)水溫度通過(guò)水箱溫度及三通調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。出水溫度通過(guò)調(diào)節(jié)水流量達(dá)到。入口制冷劑蒸氣溫度由壓縮機(jī)和換熱器（預(yù)冷或加熱）共同調(diào)節(jié)。入口制冷劑蒸氣壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度由入口制冷劑蒸汽壓力（壓縮機(jī)排氣壓力）決定，主要通過(guò)主回路主冷凝器水流量調(diào)節(jié)。出口制冷劑液體溫度由過(guò)冷器調(diào)節(jié)。

在蒸發(fā)器的測(cè)試系統(tǒng)中，被測(cè)試蒸發(fā)器與量熱器并聯(lián)，通過(guò)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)進(jìn)入被測(cè)試蒸發(fā)器的制冷劑流量。對(duì)于名義測(cè)試工況，進(jìn)水溫度通過(guò)水箱溫度及三通調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。出水溫度通過(guò)調(diào)節(jié)水流量達(dá)到。膨脹閥前制冷劑液體溫度由過(guò)冷器調(diào)節(jié)。出口制冷劑蒸氣壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度由出口制冷劑蒸汽壓力（吸氣壓力）決定，通過(guò)主回路調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。出口制冷劑蒸氣溫度通過(guò)被測(cè)試回路調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。

制冷用板式換熱器的熱工性能測(cè)試屬于板式換熱器的型式試驗(yàn)。

7 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了標(biāo)準(zhǔn)JB8701制冷用板式換熱器的修訂原因及依據(jù)：

（1）適應(yīng)技術(shù)的發(fā)展修訂了板式換熱器的適用范圍、制冷劑種類及分組；

（2）采用了基于驗(yàn)證性試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法，將型式許可強(qiáng)度試驗(yàn)和型式試驗(yàn)區(qū)別開(kāi)來(lái)；同時(shí)規(guī)定了制冷系統(tǒng)安全要求的疲勞試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)；

（3）釬焊板式換熱器的釬焊工藝評(píng)定使整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)向前推進(jìn)了一大步，使釬焊工藝的過(guò)程控制有了更科學(xué)的保證，是繼激光焊工藝評(píng)定后的又一創(chuàng)新；

（4）JB8701對(duì)泄漏率的控制指標(biāo)已達(dá)到世界領(lǐng)先水平。標(biāo)準(zhǔn)對(duì)泄漏檢測(cè)的試驗(yàn)介質(zhì)的規(guī)定既具有科學(xué)性，又具有靈活性；

（5）規(guī)定了板式換熱器作為空調(diào)、熱泵系統(tǒng)冷凝器和蒸發(fā)器使用的測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)試工況，滿足了行業(yè)的應(yīng)用需求。

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