制冷用板式换热器标准修订介绍

陈永东 ，彭小敏 ，于改革 ，李 炅 ，吴晓红

（1.合肥通用机械研究院，安徽合肥 230031；2.国家压力容器与管道安全工程技术研究中心，安徽合肥 230031；3.合肥通用环境控制技术有限责任公司，安徽合肥 230088）

1 前言

阿法拉伐、舒瑞普、丹佛斯等公司推出的钎焊板式换热器，提高了冷凝器、蒸发器的紧凑度和效率，促进了制冷系统能效的提高［1～3］。半焊板式换热器适用于满液式机组的蒸发器、冷凝器和油冷却器，具有充液量小、传热系数高、冻结危险性小、抗热冲击能力强等优点，半焊板式换热器还广泛应用于非共沸的HFC、HCFC、NH3以及HC（如丙烯、丙烷等）制冷剂系统［4，5］。在压力更高的场合，更多地关注聚集于全焊板式换热器。为了促进中国紧凑式换热器的技术进步，在瑞典等国技术专家的支持下，全国冷冻设备标准化技术委员会组织起草了JB8710-1998《制冷用板式换热器》［6，7］。这个标准成为世界上第一个系统针对不可拆板式换热器（包括钎焊板式换热器、半焊板式换热器、全焊板式换热器）设计、制造、检验与验收的标准。标准起草对不可拆板式换热器行业产生了较大的影响，不仅促进了制冷机组生产商立足于国内选择高效率换热器产品，降低了成本，也推动了中国钎焊板式换热器产品走出国门。

近年来，随着各种热力循环参数的提高，板式换热器自身技术也在不断进步；另外，中国制造2025的实施也促进了板式换热器制造过程的自动化、智能化水平。根据工信厅科［2013］年217号文的要求，重新修订JB8710-1998《制冷用板式换热器》。

2 总体修订介绍

2.1 适用范围

伴随着核电工业的进步和环保型制冷剂的应用，超临界CO2布雷顿循环和跨临界CO2制冷循环等热力循环采用了钎焊、扩散焊等紧凑式换热器。典型跨临界CO2制冷系统的流程及热力循环如图1所示［8，9］。其中a-b为超临界压力以上的冷却过程（而不是冷凝过程），b-c是为了提高性能在回热器中被压缩机的回汽进一步冷却。实现这两个过程的设备可采用钎焊板式换热器。

图1 跨临界CO2制冷系统的流程及热力循环

阿法拉伐公司专门为使用CO2制冷剂的亚临界循环和跨临界循环研制了能够承受13 MPa的钎焊板式换热器，型号为AXP52；舒瑞普公司也推出了类似的产品。因此本次修订过程中，将钎焊板式换热器的设计压力提高到14.0 MPa。

2.2 制冷剂的分组与安全性

相比JB8701-1998，标准修订时主要参考了ISO5149 《制冷系统和热泵的安全与环境要求》第一部分“定义、分类和选择准则”［10］，同时考虑到和冷冻空调标准体系标准的一致性，尤其是和GB9237的协调性。制冷剂数量由18种变成了28种；在低压侧，不仅给出了规定的环境温度对应的饱和蒸汽压力，还增加了不同蒸发温度对应的饱和蒸汽压力。由于R717划入了B2L，本次标准中不再包含B2和B3组制冷剂。

2.3 材料

板式换热器用材料种类的增加及性能的提高，促使对标准的材料部分进行了修订。增加了GB/T 24511对应的有关不锈钢材料，同时还修改了主要受压元件在不同温度下的许用应力表；依据最新材料标准，修改了本标准涉及的材料牌号。取消了Q235A（材料P、S含量高，冲击功未作要求）、16Mn（Q345R可以替代之）、20D（NB/T47009已取消该牌号）、1Cr18Ni9Ti（更改为新牌号）、45（NB/T47008和GB150.2-2011中都未采用此材料）、BZN15-20（镍箔标准中已删除）部分材料；增加了Q235C （GB150-2011附录中仍保留此材料）、30CrMoA（因取消45，30CrMOA许用应力介于35和35CrMOA之间，便于法兰合理设计），补充了不锈钢夹紧螺栓材料S30408。

另外，考虑到技术的进步，对钎焊板式换热器的定义进行了局部调整，允许采用钎箔或者其他改进型涂料作为钎焊用钎料。

3 基于验证性试验的设计方法

由于钎焊板式换热器板片包结构复杂，很难用解析式来表达。对于这一类特殊的情况，国际上采用的是基于验证性试验的设计方法，即通过爆裂试验或型式许可试验等手段来确定其设计压力（或者是最高允许工作压力）。

表1给出了世界7个主要标准（或规范）对压力容器、制冷系统部件爆裂试验或型式许可试验压力的有关规定［11～16］。

表1 世界主要国家标准（或规范）对爆裂试验或型式许可试验压力的有关规定

从表1可以看出，前3个标准都采用了4倍的安全系数，GB150.1-2011附录C完全采纳ASME BPVC.Ⅷ.1-2015 有关条款内容，这3个标准都没有提及疲劳试验。EN13445-2014附录T规定了基于试验方法的设计要求，并规定了可以选择爆裂试验、结合总体变形的爆裂试验和疲劳试验任何一种方法。对于钎焊板式换热器，疲劳试验的循环次数为5500次，无法满足制冷系统及热泵的要求。UL207更适用于管壳式热交换器这类管、壳程设计压力不同、结构不对称的的换热器，对于制冷用板式换热器来说显得复杂而且保守。而ISO5149更切合制冷系统的要求，并明确规定了结合疲劳试验的强度试验对单一许可强度试验的替代性。JB8701修订时采用了ISO5149-1的规定，并将型式许可强度试验和型式试验区别开来，前者隶属于设计部分，可以选择单一许可强度试验或者结合疲劳试验的强度试验，其目的是确定设计压力；但在型式试验中必须完成爆裂试验和疲劳试验，只是疲劳试验的方法写在了设计部分。

4 钎焊板式换热器的钎焊工艺评定

4.1 钎焊板式换热器的焊接接头的型式与特点

在JB8701-1998第7.3.1.3中规定“按评定合格后的钎焊工艺选择钎焊程序，钎焊工艺由制造单位自行评定”，而衡量钎焊工艺的最终评价指标是产品是否通过爆裂试验，过程控制的作用未得到明显发挥。因此，标准修订时对钎焊工艺进行了细致的研究：

（1）研究对比了ASME BPVC第Ⅸ卷有关钎焊的内容；

（2）对制冷用钎焊板式换热器生产商进行了调研；

（3）深入研究了钎焊板式换热器的接头型式。

钎焊板式换热器存在2种接头形式，一是板片之间的搭接接头（如图2所示），另一类是接管与板之间的搭接接头（如图3所示）

图2 板片之间的搭接接头

图3 接管与板之间的搭接接头

由于钎焊时钎料是以预置的形式和板片组成板片包以后进入钎焊炉内，实际并无主漫流发生，因此在采用ASME BPVC第Ⅸ卷有关钎焊内容的过程中删除了漫流位置作为钎焊重要因素这一条款［17］。

4.2 钎焊工艺评定的技术规定

标准附录B规定了针对搭接接头钎焊工艺评定的技术内容。

评定钎焊工艺所应进行试验的试样类型和数量见表2，并规定了拉伸试样、剥离试样、切片试样的制备方法，在无法进行剥离试验时可以用切片试验来代替。

表2 搭接接头的拉伸试验和剥离试验

附录B同时规定了合格标准和接受准则，除拉伸试验应满足足够的机械强度要求外，还规定了剥离试验和切片试验的合格标准。

剥离试验要求接头分离后的搭接面要达到以下标准：

（1）缺陷总面积（未钎焊面等）不得超过任一搭接总面积的25%；

（2）在搭接方向上的任意一条直线上所测得的缺陷长度之和不得超过搭接长度的25%；

（3）任意两处缺陷的边缘不能贯通。

切片试验要求试样的每个侧面分别计算，各侧面未钎焊区的总长度不得超过接头搭接长度的20%（每个侧面都要抛光，用至少放大四倍的放大镜进行检查）。

钎焊板式换热器的钎焊工艺评定是整个标准向前推进的一大步，使钎焊工艺的过程控制有了更科学的保证。

5 气密性试验

板式换热器的气密性是其制造质量的一个重要标志，也决定了板式换热器的内存的制冷剂向外界的泄漏量。EC842-2006及ISO5149-2014规定为1/4最大允许压力下，制冷剂的年泄漏量应少于 3 g［18］。

JB8701-1998《制冷用板式换热器》就分别对3种不可拆板式换热器的泄漏率作了明确的规定，在这一点上具有很大的前瞻性。本次修订时，结合国内外生产厂家的实际情况对制冷板式换热器使用不同制冷剂的泄漏率再一次进行了研究。

5.1 年泄漏量的验算

本标准要求钎焊板式换热器在绝对压力0.1 MPa下采用纯氦气进行泄漏检测时的泄漏率不大于5.0×10-7Pa·m3/s。以R134a制冷剂为例，其体积泄漏率为：

式中 LVR134a—— 制冷剂R134a在0.1 MPa下的体积泄漏率，Pa·m3/s

LHe—— 纯氦气在0.1 MPa下的泄漏率，Pa·m3/s，LHe=5.0×10-7Pa·m3/s

MHe——氦气的摩尔质量，g/mol，MHe=4 g/mol

MR134a—— 制冷剂 R134a的摩尔质量，g/mol，MR134a=102 g/mol

代入数据计算得LVR134a=9.9×10-13Pa·m3/s。

因此，对应于标准规定的允许泄漏率，R134a的年泄漏量：

式中 QR134a—— 制冷剂R134a在0.1 MPa下的年泄漏量，g

也就是说，以2.0 MPa设计压力的R134a制冷剂为例，在0.25倍设计压力（即0.5 MPa）下，年泄漏量为0.71 g，远少于EC842及ISO5149规定的年泄漏量3 g。

表3列出了钎焊板式换热器使用不同制冷介质在不同压力下运行，以本标准在绝对压力0.1MPa下采用纯氦气进行泄漏试验的允许泄漏率（5.0×10-7Pa·m3/s）换算成的年泄漏量。

表3 标准允许泄漏率对应的制冷介质年泄漏量 g

对于不同制冷介质的不同压力工况，按照国外标准规定的年允许泄漏量换算成纯氦气在0.1 MPa下的泄漏率见表4。

表4 不同制冷介质在不同压力下的泄漏率比较

随着钎焊板式换热器制造技术的进步，其使用压力与以往相比提高了很多，因而进行泄漏检测时的泄漏率指标要求严格化非常有必要。与国际上其它标准（如ISO5149-2014、EC842-2006）相比，JB8701对泄漏率的控制指标已走在世界的前列。

另外，标准允许采用其他压力和纯度的氦气或者示踪气体作为泄漏检测的试验介质，只要其允许泄漏率换算成在绝对压力0.1 MPa下采用纯氦气时的允许泄漏率符合要求即可。

6 热工性能测试方法

JB8701-1998只规定了板式换热器作为空调系统蒸发器使用的测试系统及测试工况，远远满足不了当前的应用需求［19］。

附录D不仅给出了空调系统的冷凝器测试工况，也给出了作为热泵用的冷凝器使用的大温差测试工况；蒸发器测试工况1对原标准中的蒸发器测试工况进行了一定的调整：进出水温度不变，阀前制冷剂液体温度由30℃调整为35℃；同时根据企业实际使用情况，将蒸发温度由2℃调整为4℃，过热度为5℃。

标准还给出了一套板式换热器作为冷凝器的测试系统原理图和一套板式换热器作为蒸发器的测试系统原理图。

在冷凝器的测试系统中，被测试冷凝器与制冷剂系统主冷凝器并联，通过调节阀调节进入被测试冷凝器的制冷剂流量。对于名义测试工况，进水温度通过水箱温度及三通调节阀调节。出水温度通过调节水流量达到。入口制冷剂蒸气温度由压缩机和换热器（预冷或加热）共同调节。入口制冷剂蒸气压力对应的饱和温度由入口制冷剂蒸汽压力（压缩机排气压力）决定，主要通过主回路主冷凝器水流量调节。出口制冷剂液体温度由过冷器调节。

在蒸发器的测试系统中，被测试蒸发器与量热器并联，通过调节阀调节进入被测试蒸发器的制冷剂流量。对于名义测试工况，进水温度通过水箱温度及三通调节阀调节。出水温度通过调节水流量达到。膨胀阀前制冷剂液体温度由过冷器调节。出口制冷剂蒸气压力对应的饱和温度由出口制冷剂蒸汽压力（吸气压力）决定，通过主回路调节阀调节。出口制冷剂蒸气温度通过被测试回路调节阀调节。

制冷用板式换热器的热工性能测试属于板式换热器的型式试验。

7 结语

本文介绍了标准JB8701制冷用板式换热器的修订原因及依据：

（1）适应技术的发展修订了板式换热器的适用范围、制冷剂种类及分组；

（2）采用了基于验证性试验的设计方法，将型式许可强度试验和型式试验区别开来；同时规定了制冷系统安全要求的疲劳试验技术参数；

（3）钎焊板式换热器的钎焊工艺评定使整个标准向前推进了一大步，使钎焊工艺的过程控制有了更科学的保证，是继激光焊工艺评定后的又一创新；

（4）JB8701对泄漏率的控制指标已达到世界领先水平。标准对泄漏检测的试验介质的规定既具有科学性，又具有灵活性；

（5）规定了板式换热器作为空调、热泵系统冷凝器和蒸发器使用的测试系统及测试工况，满足了行业的应用需求。

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