多級導流封頭對板翅式換熱器內流量分配特性的影響分析

吳靜瑋，孫浩然，張汝鴻，武春林，張志剛，陳慧，胡海濤*，丁國良

（1-上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240；2-中國石化燃料油銷售有限公司，北京，100029；3-山西汾西重工有限責任公司，山西太原 030027）

多級導流封頭對板翅式換熱器內流量分配特性的影響分析

吳靜瑋1，孫浩然1，張汝鴻2，武春林3，張志剛3，陳慧3，胡海濤*1，丁國良1

（1-上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240；2-中國石化燃料油銷售有限公司，北京，100029；3-山西汾西重工有限責任公司，山西太原 030027）

本文提出一種板翅式換熱器多級導流封頭，可通過各級導流板和檔板將入口流體均勻分配到換熱器的各層各通道之中。通過 CFD模擬，分析了多級導流封頭對板翅式換熱器通道內流量分配特性的影響，并與已有的導流翼封頭結構和不帶導流結構封頭的流量分配特性進行了對比分析。研究結果表明：多級導流結構封頭較已有的不帶導流結構的封頭流量分配不均勻度降低了46.3%，較已有的導流翼封頭的分配不均勻度降低了4.1%；多級導流封頭改善了換熱器的分配特性。該研究對于改進板翅式換熱器的封頭結構設計以及優(yōu)化換熱器的設計制造具有重要指導意義。

板翅式換熱器；封頭；多級導流；分配不均

0 引言

板翅式換熱器是一種高效、緊湊的換熱設備，便于多股流布置，能實現小溫差和大溫降換熱，廣泛應用于空氣分離、石油化工裝置、機械工業(yè)冷卻器等領域[1-3]。流體進入換熱器內部流通面積多次變化，而且內部流體從翅片通道流入各通道經歷了多次流量分配，將會導致各通道之間存在嚴重的流體不均勻現象，這是引發(fā)板翅式換熱器換熱性能下降的主要因素[4-6]。研究表明，合理的封頭結構能夠有效改善板翅式換熱器內部物流分配的均勻性[7-9]。因此，研究如何優(yōu)化封頭結構對提高板翅式換熱器的換熱性能具有重要意義。

目前，針對封頭結構的優(yōu)化設 主要有二次封頭和加打孔檔板兩種思路。對于二 封頭，實驗研究表明，較好的優(yōu)化設計相較于未作任何優(yōu)化設計的原始封頭能使換熱器的物流分配有所改進，換熱整體性能提升 7%左右[10]。對于加打孔檔板，目前的研究主要集中在開孔形式和檔板放置方式對換熱器物流分配均勻性的影響。研究[12-15]采用數值模擬和實驗手段深入研究了加打孔檔板封頭結構的物流分配特性，檔板結構沿中軸 由內而外依次均勻排布著小、中、大3種孔徑的通孔，研究結果表明錯排孔板可以顯著提高封頭流體分配的均勻性，從而提高換熱效率；張哲等[16-17[18]，既能避免長條通道物流分配不均的問題，還可降低單一出口局部擾流引起的壓力損失。在均勻開孔的導流翼基礎上，王少華等[3]采用 CFD方法提出新型帶有導流翼的板翅式換熱器封頭結構，合理布置圓孔通道，頂端到低端流通面積不斷增大，解決了每個出流口中間物流分配更多而兩側物流較少的問題。

已有研究通過優(yōu)化設計封頭結構，在一定程度上改善了板翅式換熱器的物流分配特性。然而，對于二次封頭的結構改進方法而言，換熱器換熱性能提高的程度有限，并且存在外形尺寸增大的弊端[1[11]，可采用新型導流形式克服打孔無法避免的標準化問題。

本文在導流翼封頭結構的基礎上，提出多級導流封頭結構，采用 CFD方法對多級導流封頭進行流體分配特性的數值模擬研究。

1 模擬對象的幾何模型

本文的模擬對象是多級導流結封頭的流體分配均勻性，并與已有的導流翼封頭和不帶導流結構的封頭進行對比，分析不同封頭對流體分配特性的影響。

多級導流結封頭如圖1(a)所示，包括流線型導流板和擋板，其中末級結構不包括擋板。對于導流結構級數，過多的導流級數會導致流體壓降及動量損失過大，而過少的導流級數無法滿足通道數和物流分配均勻的要求，綜合考慮流體壓降和動量損失，本文封頭采用四級導流結構。導流結構分別與套殼內側垂直焊接，根據文獻[18]中的最佳導流片結構參數組合，確定導流板夾角為 140°，內部位置和尺寸由外側封頭結構確定。

多級導流封頭中流體分配示意圖如圖1(b)所示。入口流體由一級導流結構分成兩大股進入封頭，每股流體在擋板的作用下進入兩塊二級導流板繼續(xù)分成兩股流體， 次進入四塊三級導流板和末端的八塊導流板，再分別從封頭出口均勻流出。

不帶導流結構的原始封頭，由入口管、瓜皮結構和封皮出口3分組成，材料選用金屬鋁，不帶導流結構。

導流翼結構封頭，在入口管下增加2片不均勻開孔的導流翼片[3]，具體結構如圖2所示。由于導流翼封頭結構為對稱結構，圖1僅示出其四分之一部分。其中兩個導流翼片對稱安裝在封頭瓜皮結構內部，根據文獻[18]中對導流翼布置的研究，確定最佳導流角和翼片距離分別為70°和 6 mm，孔徑則由中軸向兩側不斷增大。

圖1 多級導流結構封頭結構及流體流動示意圖

導流翼封頭內流體分配示意圖如圖 2(b)所示。流體從換熱器入口管經過導流翼片時進行了第一次流體分配，中間小股流體直接穿過中軸翼片的6 mm縫隙到達出口，兩側大股流體則由導流翼上小孔進行第二次流體分配，最終從出口通道均勻流出。

圖2導流翼封頭結構和流體流動示意圖

2 數學模型與評價指標

2.1 數學模型

本模型研究的工質為液態(tài)水，封頭計算模型是在二維穩(wěn)態(tài)常物性層流流動工況下建立，有如下假設：1）流體為不可壓縮的牛頓流體；2）流體定常流動；3）考慮重力但忽略浮升力；4）不考慮流體的粘性耗散作用；5）接觸空氣的外部結構與周圍環(huán)境絕熱。

連續(xù)性方程見式(1)：

式中：

ρ——流體密度，kg/m3；

t——時間，s；

u、v——控制體在x、 y兩個方向上的速度分量，m/s。

動量方程見式(2)～式(3)：

式中：

p——壓力，Pa；

μ——分子動力黏性系數，Pa·s。

描述流動的控制方程見式(4)：

式中：

Ui、Uj——雷諾時均值；

U——時均值；

Xi、Xj——坐標。

2.2 分配特性評價指標

本文引入了數理統(tǒng)計上的修正樣本方差 S2，反映了測量數據的離散程度，能夠體現不同封頭結構對出口通道流體分配不均勻情況。S2值越大表示分配均勻性越差，反之分配越均勻。S2計算公式為：

式中：

n——通道數，此處為10；

mi——第 i個封頭出口通道的質量流量；

3 計算區(qū)域與邊界條件

導流結構封頭的幾何模型為對稱結構，選取的計算區(qū)域為除擋板和導流板之外的區(qū)域，包含入口和出口?；谏逃密浖嗀NSYS 中的FLUENT進行流動模擬，建立了包括FLUID、INLET、WALL、DISTRIBUTOR、F LAP及OUTLET（10個通道）在內的計算部分，網格總數為690,843。

由于傳質計算涉及到壁面氣泡的作用，網格劃分受到壁面附近最小網格大小的制約，因而適當加密壁面附近網格對于保證傳質計算的準確性有著重要的作用。

導流翼封頭和多級導流結構封頭均采用相同的建模方法。模型使用ICEM網格劃分軟件中的非結構性四邊形網格，針對網格獨立性進行驗證，在保證網格質量的前提下，試驗不同網格數量來檢測封頭同一出口通道的質量流量變化情況，結果表明網格數量超過600,000后，同一出口質量流量幾乎不發(fā)生變化。綜合考慮模擬精度和計算資源，最終選取基準網格尺寸不超過過0.2 mm，不小于0.1 mm，并對檔板和導流板壁面邊界層進行了4層網格加密，第1層網格高度為0.01 mm，可以保證模擬精度。

數值模擬均采用realizable K-ε 作為層流模型，通過有限容積法對層流流動的各控制方程進行離散化，其中對流項與擴散項的離散采用混合格式。由于流體是不可壓縮流動，壓力和速度耦合采用SIMPLE算法，通過Least Squares Cell Based壓力梯度計算控制方程中的導數項。

計算模型中，流體進口溫度取為300 K，入口條件設定為速度邊界條件，出口條件為壓力出口，給定進口雷諾數 Re=1×103，出口背壓P=100 Pa，外圍邊界絕熱且無速度滑移。在求解過程中，連續(xù)性方程、動量方程和能量方程收斂殘差取為10-3。

4 不同結構物流分配特性的對比

4.1 速度分布模擬結果及分析

基于導流翼封頭模型和多級導流結構封頭模型進行模擬驗證，速度分布模擬結果如圖4所示。

由圖4(a)可知，對于導流翼封頭結構，中間股流速過高的流體經由導流翼得到緩沖，兩側大股流體經由導流翼通孔速度迅速下降，而中間通道和最側邊通道流體依舊保持較高流速。

由圖4(b)可知，對于多級導流結構封頭，經過一級導流板的分流使流體流速分布趨于均勻，而且有效減弱了射流區(qū)對封頭的沖蝕。

對比結果表明，多級導流結構封頭相比導流翼封頭一定程度上減弱了中心高速流體的沖擊，速度場分布更為合理。

4.2 流體分布模擬結果及分析

本文將多級導流結構封頭與已有的導流翼封頭的流體分配情況進行對比，得到的流體分布結果對比如圖5所示。

由圖5(a)可知，帶導流翼的優(yōu)化封頭雖能改善不帶導流結構的原始封頭的物流分配特性，但隨著流體速度的提升及流型改變，邊緣通孔未起到分流作用；由圖5(b)可知，多級導流結構封頭由于多級導流板與檔板的共同作用，流量能夠均勻分配至各個通道。

圖5 導流翼封頭和導流結構封頭流體分布結果對比

4.3 出口質量流量計算分析

由前述模型進行數值計算，可以得到兩種封頭不同通道的質量流量。不同形式的封頭出口流量對比如圖6所示，其中導流翼封頭和多級導流結構封頭的出口流量由數值模擬計算得到，不帶導流結構的原始封頭的出口流量由文獻[15]中的數據得到。

由圖6可知，不帶導流結構的原始封頭的出口流量分配最不均勻，導流翼封頭和多級導流封頭出口流量分配趨于均勻，且多級導流封頭均勻性最好。

根據式(5)計算得到，不帶導流結構的封頭、導流翼封頭和多級導流結構封頭的出口通道質量流量的樣本修正方差S2分別為0.03798、0.02125和0.02039，3種封頭的分配不均勻度對比結果如圖7所示。

計算結果表明，在出口通道流量分配的不均勻度上，多級導流結構封頭較原始封頭降低了46.3%，較已有的導流翼封頭降低了4.1%，提高了物流分配的均勻性。

圖6 三類封頭出口流量對比

圖7 三類封頭分配不均勻度對比

5 結論

1）提出一種用于板翅式換熱器物流均勻分配的多級導流結構封頭，在不帶導流結構的原始封頭的基礎上，通過增加四級導流結構，包括流線型導流板和擋板，其中末級結構不包括擋板，導流板夾角為140°，來實現入口流體的均勻分配。

2）本文提出的多級導流結構能夠提高出口通道的物流分配均勻性，對比分析結果表明，多級導流結構封頭內流體的分配不均勻度較不帶導流結構的封頭降低46.3%，較已有的導流翼封頭降低4.1%。

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Analysis on Effect of Multi-stage Diversion Header on Flow Distribution Characteristics in Plate-fin Heat Exchanger

WU Jingwei1, SUN Haoran1, ZHANG Ruhong2, WU Chunlin3,ZHANG Zhigang3, CHEN Hui3, HU Haitao*1, DING Guoliang1
(1-Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2- Fuel oil sales co. LTD, China Petroleum & Chemical Corporation, Beijing 100029, China;3-Shanxi Fenxi heavy industry Co. Ltd., Taiyuan, Shanxi 030027, China)

A header with multi-stage diversion for the plate-fin heat exchanger was presented, and the inlet fluid can be uniformly distributed to each channel of the heat exchanger through the guide plates and baffles. In the present study, the effects of multi-stage diversion on the flow distribution in channels of plate-fin heat exchanger was analyzed using CFD method, and the comparison of flow distribution with existing header structure of flow-guiding wing and no-diversion was carried out. The results show that, the flow mal-distribution of the header with multi-stage diversion is reduced by 46.3%and 4.1% than those of the no-diversion header and the existing flow-guiding wing header, respectively; the multi-stage diversion header can improve the distribution characteristics in plate-fin heat exchanger. This research is helpful to the optimum design of header structure in plate-fin heat exchanger and the manufacture of heat exchanger.

Plate-fin heat exchanger; Header; Multi-stage diversion; Maldistribution

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.04.0011

*胡海濤（1978-），男，博士，副教授，博士生導師。研究方向：多相流與強化傳熱、換熱器優(yōu)化設計。聯系地址：上海市東川路800號，E-mail：huhaitao2001@sjtu.edu.cn.