試析鋁制板翅式換熱器導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

任紅艷

（貴陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081）

作為一種導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，鋁制的板翅式換熱器兼具了鋁金屬質(zhì)量小、導(dǎo)電性能好、體積密度小、多場(chǎng)景適用等特征。因此，鋁制板翅式換熱器導(dǎo)流結(jié)構(gòu)也廣泛運(yùn)用在石油化工企業(yè)、空氣分離、航天電子等領(lǐng)域。針對(duì)鋁制板翅式換熱器導(dǎo)流結(jié)構(gòu)特征和換熱性能，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家都有深入研究。通過分析其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用性能，對(duì)改進(jìn)設(shè)備產(chǎn)品技術(shù)有促進(jìn)意義。

1 鋁制板翅式換熱器特點(diǎn)

板翅式換熱器最先由美國(guó)研制，1942年，美國(guó)科學(xué)家諾利斯研發(fā)出了相關(guān)傳熱因子和雷洛數(shù)的關(guān)系，并對(duì)平直、釘狀、波紋等類型翅式傳熱性能進(jìn)行研究。隨著該項(xiàng)技術(shù)的大力運(yùn)用，美國(guó)將板翅式換熱器研究和船舶、海軍、航空等聯(lián)系起來，加深了對(duì)該項(xiàng)技術(shù)研究。近年來，隨著我國(guó)制造業(yè)技術(shù)的發(fā)展，鋁制板翅式代替了傳統(tǒng)金屬的管殼式結(jié)構(gòu)，而其總質(zhì)量占比僅僅為其1/10，且其傳熱效果非凡，是傳統(tǒng)金屬的5~10倍。因此，鋁制板翅式換熱器正在不斷地被運(yùn)用到各類化工、天然氣液化領(lǐng)域中。

2 鋁制板翅式換熱器導(dǎo)流結(jié)構(gòu)原理

2.1 鋁制板翅式換熱器導(dǎo)流工作原理

鋁制板翅式換熱器導(dǎo)流結(jié)構(gòu)在常規(guī)上屬于肩臂式換熱器，該項(xiàng)結(jié)構(gòu)有著二次傳熱的特征，它能讓相關(guān)流體按照翅片方向進(jìn)行傳熱，利用隔板進(jìn)行疏通，實(shí)現(xiàn)高溫介質(zhì)向低溫介質(zhì)傳導(dǎo)。由于翅片長(zhǎng)寬比和厚度特點(diǎn)，翅片導(dǎo)熱過程會(huì)存在熱阻問題，這點(diǎn)需要改善優(yōu)化。

2.2 常規(guī)板翅式換熱器結(jié)構(gòu)

板翅式換熱器需要以下4個(gè)部件，現(xiàn)將相關(guān)功能和運(yùn)行作用簡(jiǎn)述于下。

（1）翅片。翅片是鋁制板翅式換熱器基礎(chǔ)組成之一。在傳熱過程中，翅片將傳熱區(qū)域面積擴(kuò)大，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)熱傳導(dǎo)和流體之間對(duì)流傳熱。通常翅片間距為1~4mm，翅片類型多樣，結(jié)合運(yùn)用環(huán)境不同多波紋、平直、百葉、釘狀翅片等。

（2）隔板。隔板主要是隔斷翅片，其主要成分是釬料金屬，能實(shí)現(xiàn)相關(guān)熱交換，厚度為1~2mm。

（3）封條和封頭。封條顧名思義，主要是起到了絕緣體作用，使導(dǎo)熱介質(zhì)和周圍外界分開，有利于隔板組合能夠形成縫隙，方便溶液焊接。封頭作用是分布和聚集介質(zhì)、鏈接相關(guān)工藝管道。

（4）導(dǎo)流片。導(dǎo)流片是整個(gè)結(jié)構(gòu)的核心部件，一般放置在翅片兩側(cè)，其通過“指揮”流體進(jìn)出導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)流體在內(nèi)部均勻傳熱，提高傳熱、換熱效率。

2.3 鋁制板翅式換熱器導(dǎo)流結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制

設(shè)計(jì)、檢測(cè)、精細(xì)化是保障鋁制板翅式換熱器導(dǎo)流結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制前提。在設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)，該部件質(zhì)量需要經(jīng)過零件質(zhì)量檢查和成品性能檢查。對(duì)于零件質(zhì)量檢查而言，需要相關(guān)人員觀察部件外觀，檢查其幾何形狀和尺寸，并測(cè)驗(yàn)釬焊質(zhì)量、相關(guān)部件尺寸是否在允許范圍內(nèi)，有無損傷。同時(shí)，技術(shù)性能檢查還需要對(duì)該設(shè)備清潔度、干燥度、串并聯(lián)組合化熱器流體流動(dòng)性進(jìn)行測(cè)試。而流體流動(dòng)性能均勻性、穩(wěn)定性也是決定質(zhì)量程度直接因素，這對(duì)實(shí)踐運(yùn)用中的真空檢漏、裝運(yùn)測(cè)試、氦質(zhì)譜檢有著直接影響。結(jié)合相關(guān)設(shè)計(jì)需求，以強(qiáng)化性能和產(chǎn)品質(zhì)量為重點(diǎn)，分析旁進(jìn)式和頂進(jìn)式兩大主流類型，在計(jì)算機(jī)技術(shù)和物理數(shù)值模擬背景下進(jìn)行以下優(yōu)化。

3 試析鋁制板翅式換熱器導(dǎo)流結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在運(yùn)用該項(xiàng)技術(shù)時(shí)，也需要相關(guān)人員對(duì)其性能進(jìn)行優(yōu)化改造，如物流分配會(huì)影響換熱器效能下降，同時(shí)導(dǎo)流角度、導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)也會(huì)改變導(dǎo)流質(zhì)量。集合CFD理論技術(shù)和有限元Flunet軟件分析，對(duì)多種導(dǎo)流片進(jìn)行數(shù)字對(duì)比分析，試析如下。

3.1 多類型產(chǎn)品物理數(shù)值模擬分析

本次設(shè)計(jì)對(duì)比分析了某一導(dǎo)流片層通道截面模型，對(duì)不同的結(jié)構(gòu)如旁進(jìn)式、頂進(jìn)式中多孔、鋸齒類型等進(jìn)行了二維物理處理分析。

3.2 數(shù)值計(jì)算設(shè)計(jì)

結(jié)合相關(guān)有限容積和控制方程式計(jì)算，在同位網(wǎng)格Simplec算法和離散非耦合顯/隱式、耦合顯/隱式、技術(shù)下，需要運(yùn)算環(huán)境和資源存在差異，隱式技術(shù)速度較快且非耦合算法占用內(nèi)存小，因此模型計(jì)算采用非耦合隱式算法。

（1）計(jì)算方程。

（2）相關(guān)條件。①出入口條件：需要自動(dòng)進(jìn)口速度場(chǎng)和出口壓力場(chǎng)；②壁面：確定值為無速度滑動(dòng)，且確認(rèn)壁面速度為“0”；③流體：為液態(tài)水；④收斂條件：要求殘差值控制在10-4內(nèi)。

3.3 模擬設(shè)計(jì)分析結(jié)果

頂進(jìn)式導(dǎo)流相關(guān)模型試驗(yàn)結(jié)果分析如圖1所示，其中b模型的導(dǎo)流角度要比a大，且整體的流動(dòng)均勻性和速度控制較好，可見b模型有著較好的穩(wěn)定性和導(dǎo)流性。

圖1 頂進(jìn)式導(dǎo)流結(jié)構(gòu)模型對(duì)比

根據(jù)相關(guān)模擬導(dǎo)流性能結(jié)構(gòu)對(duì)比可知，旁進(jìn)式導(dǎo)流結(jié)構(gòu)a、b模型階段速度分布較為發(fā)散，而c、d比較集中。由于導(dǎo)流處壓力降在導(dǎo)流中的動(dòng)態(tài)當(dāng)量長(zhǎng)度和通道當(dāng)量直徑有直接聯(lián)系，在4個(gè)模型通道當(dāng)量控制一致時(shí)，相關(guān)效果呈現(xiàn)存在差異。在其中，d模型出口速度最佳，在流體中較為均勻且流體轉(zhuǎn)彎次數(shù)較少，符合設(shè)計(jì)中穩(wěn)定性和均分性要求?？梢?，經(jīng)過對(duì)比，在旁進(jìn)式中d模型最為適用。

通過分析以上可知，結(jié)合我國(guó)NB/T 47006—2009《鋁制板翅式熱交換器》處理要求，對(duì)常見兩種類型——“旁進(jìn)式”和“頂進(jìn)式”板翅片導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。作為一種導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，鋁制的板翅式換熱器有質(zhì)量小，導(dǎo)電性能好，體積密度小特點(diǎn)，在CFD有限元數(shù)據(jù)模擬Fluent研究下，對(duì)4種旁進(jìn)式、2種頂進(jìn)式模型進(jìn)行了細(xì)致分析。并在一定環(huán)境條件如邊界約束、流體設(shè)置下模擬了相關(guān)模型速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，對(duì)各個(gè)流體結(jié)構(gòu)中影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和均勻性進(jìn)行探討。對(duì)比可知，鋁制板翅式換熱器導(dǎo)流結(jié)構(gòu)中，當(dāng)導(dǎo)流角度較小時(shí)，流體會(huì)面臨著一定流動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)向流動(dòng)難度增加，降低流體分布穩(wěn)定性和均勻性；若有著較大導(dǎo)流角度，可以提升整個(gè)設(shè)計(jì)的均衡性。經(jīng)過數(shù)值對(duì)比分析，同等條件下，等壓和流量中，“旁進(jìn)式”中d模型有較好的均勻性和穩(wěn)定性，導(dǎo)流性能好。而在“頂進(jìn)式”中，b模型導(dǎo)流效果優(yōu)于a模型。

4 結(jié)語

綜上所述，筆者對(duì)鋁制板翅式換熱器導(dǎo)流結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，在分析不同“旁進(jìn)式”和“頂進(jìn)式”內(nèi)部網(wǎng)構(gòu)和部件特性的同時(shí)，也對(duì)操作原理、穩(wěn)定性、均勻性運(yùn)行方面進(jìn)行了分析探究。通過利用計(jì)算機(jī)技術(shù)有限元數(shù)字軟件Fluent進(jìn)行了分別對(duì)比計(jì)較，對(duì)比探討出了適合鋁制板翅式換熱器導(dǎo)流結(jié)構(gòu)優(yōu)化的模型。