換熱器入口段結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)探析

宋康

摘要：伴隨我國(guó)換熱器生產(chǎn)制造工藝不斷創(chuàng)新，其入口段結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)作為現(xiàn)階段我國(guó)換熱器功能穩(wěn)定重要核心保障，其重要性不言而喻。通過近年來大多研究發(fā)現(xiàn)，入口段結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的科學(xué)性與合理性對(duì)解決換熱器流動(dòng)不均勻性問題至關(guān)重要。本次研究從換熱器入口段結(jié)構(gòu)入手，對(duì)換熱器入口段結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，為下一步工作開展提供依據(jù)參考。

關(guān)鍵詞：換熱器;入口段;優(yōu)化設(shè)計(jì)

0? 引言

換熱器在工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用極為廣泛，換熱器既可是一種單元設(shè)備，如加熱器、冷卻器和凝汽器等;也可是某一工藝設(shè)備的組成部分，如汽車水箱配套的換熱器。換熱器入口段結(jié)構(gòu)是當(dāng)下影響換熱器功能發(fā)揮及安全穩(wěn)定的重要問題之一，具有較大的意義影響。然而現(xiàn)階段有關(guān)換熱器入口段結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究相對(duì)較少，基于該問題現(xiàn)狀，要求行之有效的方法對(duì)其進(jìn)行分析研究，如換熱器概述、換熱器存在主要問題、國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究?jī)?nèi)容及方向、換熱器封頭內(nèi)部流動(dòng)仿真分析等。本次研究對(duì)換熱器入口段結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，有十分重要的理論意義。

1? 換熱器概述

換熱器在當(dāng)下我國(guó)各行業(yè)領(lǐng)域都較為常見，其應(yīng)用領(lǐng)域也較為廣泛。換熱器主要是指將內(nèi)部熱流體中的熱能量進(jìn)行有效傳導(dǎo)及輸送，主要將熱量傳輸?shù)嚼淞黧w設(shè)備中去。換熱器也被稱其為“熱交換器”。通過對(duì)相關(guān)資料分析后發(fā)現(xiàn)，換熱器主要應(yīng)用涉及領(lǐng)域較多，以能源動(dòng)力、石油化工、食品加工及工業(yè)生產(chǎn)方面最為常見。另外，換熱器不是單一片面的簡(jiǎn)單流程，而是更為科學(xué)、合理的系統(tǒng)布局。從換熱器功能及穩(wěn)定性角度出發(fā)，通過對(duì)換熱器進(jìn)行深入研究十分關(guān)鍵[1]。

2? 換熱器存在主要問題

換熱器在實(shí)際運(yùn)行過程中必然會(huì)遇到這樣或那樣的實(shí)際問題，其中以內(nèi)部流動(dòng)不穩(wěn)定、均勻性失調(diào)最為顯著，導(dǎo)致其內(nèi)部熱流體出現(xiàn)不均勻情況諸多。另外，因換熱性能惡化等因素造成的問題也極為常見。換熱性能惡化是指該換熱器在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中可能受到外因、內(nèi)因等問題影響，造成其整體性能降低?；谶@種情況主要以換熱器導(dǎo)流片、封頭等相關(guān)入口段主體結(jié)構(gòu)為方向，對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)、全面優(yōu)化。通過分析后發(fā)現(xiàn)，將換熱器入口段中的主體結(jié)構(gòu)同造成流動(dòng)不均勻因素進(jìn)行連接十分重要，這也是較為高效的分析處理手段之一。利用相關(guān)設(shè)備，加強(qiáng)封頭內(nèi)部流動(dòng)的系統(tǒng)分析，如采用CFD仿真技術(shù)對(duì)其進(jìn)行分析[2]。可以對(duì)該導(dǎo)流片傾斜角及相關(guān)高度的正確比等、結(jié)構(gòu)參數(shù)等進(jìn)行掌握，進(jìn)而對(duì)流動(dòng)不均勻性對(duì)換熱運(yùn)行的實(shí)際影響進(jìn)行明確。根據(jù)該數(shù)據(jù)信息，擬建設(shè)置封頭主體結(jié)構(gòu)參數(shù)、換熱效率間及導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)參數(shù)等整體關(guān)聯(lián)模型。同時(shí)在設(shè)計(jì)目標(biāo)方面應(yīng)該以該換熱損失最小值為主。對(duì)傳統(tǒng)封頭、改進(jìn)二次型封頭、二次型封頭等相關(guān)形式入口段主體結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行全面優(yōu)化處理。通過試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)二次類型封頭其內(nèi)部流動(dòng)出現(xiàn)不均勻情況較少，且該型號(hào)換熱效率頗高，可以作為換熱器入口段結(jié)構(gòu)最佳選擇[3]。

3? 換熱器入口段結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)相關(guān)研究

3.1 國(guó)外關(guān)于換熱器入口段結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

基于換熱器存在的實(shí)際問題，相關(guān)國(guó)內(nèi)外專家都對(duì)其進(jìn)行過深入研究。主要以改進(jìn)型二次封頭為主要核心，其目的是緩解該入口段出現(xiàn)流動(dòng)不均勻等情況。根據(jù)實(shí)際改善要求研制出了具有均勻交錯(cuò)功能的小孔擋板形狀封頭，對(duì)處理與優(yōu)化該換熱器入口段出現(xiàn)的流動(dòng)不均勻情況十分有利。另外，也可以根據(jù)情況研制翅片橫向旁通主體類型結(jié)構(gòu)，主要是為了緩解其入口流動(dòng)不均勻情況對(duì)換熱器內(nèi)部熱力學(xué)性能的波及。通過對(duì)傾斜擋板、弓形折流擋板、螺旋折流擋板、改進(jìn)螺旋折流擋板等進(jìn)行比較分析[4]，發(fā)現(xiàn)這些結(jié)構(gòu)類型封頭內(nèi)部都具有一定的流動(dòng)不均勻特點(diǎn)。同時(shí)經(jīng)過試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)等間距螺旋折流擋板當(dāng)中的封頭主體結(jié)構(gòu)與其他類型相比，其換熱性能較為穩(wěn)定。國(guó)外很多專家都提出了封頭主體結(jié)構(gòu)參數(shù)、工況具體參數(shù)等都與換熱器內(nèi)部所產(chǎn)生的流動(dòng)不均勻情況密切相關(guān)，這就需要對(duì)封頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面創(chuàng)新設(shè)計(jì)，將工況參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)二者的匹配性進(jìn)行優(yōu)化。這樣也會(huì)對(duì)優(yōu)化換熱器內(nèi)部所出現(xiàn)的流動(dòng)不均勻性情況起到積極作用。很多專家學(xué)者也相繼提出對(duì)孔結(jié)構(gòu)、噴嘴結(jié)構(gòu)等進(jìn)行優(yōu)化也可以有效緩解封頭內(nèi)部流動(dòng)不均勻等情況。通過選擇孔結(jié)構(gòu)后，發(fā)現(xiàn)該流動(dòng)不均勻性已經(jīng)得到明顯降低，已經(jīng)達(dá)到傳統(tǒng)型號(hào)封頭的2/12。而通過對(duì)噴嘴結(jié)構(gòu)的使用，發(fā)現(xiàn)流動(dòng)不均勻已經(jīng)降低為傳統(tǒng)型號(hào)封頭的4/15。

3.2 國(guó)內(nèi)關(guān)于換熱器入口段結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

我國(guó)很多專家學(xué)者也對(duì)其相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行深入研究。例如部分專家提出了入口管管徑出口、相關(guān)封頭出口截面直徑與其二次封頭出口截面直徑的互相影響。三者對(duì)換熱器內(nèi)部組織熱流體的均勻配置也造成較大波及。如此時(shí)當(dāng)量直徑比是2時(shí)，其換熱器內(nèi)部熱流量截面當(dāng)中的物流配置尤為均勻。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)這種不不均勻的流動(dòng)情況也主要為封頭與導(dǎo)流片二者結(jié)構(gòu)之間的不匹配而造成的最終結(jié)果，但當(dāng)下我國(guó)研究這主要對(duì)封頭及導(dǎo)流片等進(jìn)行獨(dú)立性分析研究，主要以優(yōu)化溫度均勻效應(yīng)、流速均勻效應(yīng)為目的的封頭優(yōu)化設(shè)計(jì)為核心[5]。當(dāng)然也對(duì)有利于流動(dòng)不均勻情況最小機(jī)率形成的導(dǎo)流片主體結(jié)構(gòu)參數(shù)等進(jìn)行設(shè)計(jì)?？善浔锥诵允遣痪邆鋵?duì)封頭及導(dǎo)流片主體結(jié)構(gòu)的研究分析，缺乏二者與流動(dòng)不均勻情況的具體關(guān)聯(lián)性設(shè)計(jì)。也不能綜合性、全面性對(duì)入口段主體結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，如該設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)流動(dòng)不均勻情況起到何種積極性影響等[6]。

4? 換熱器封頭內(nèi)部流動(dòng)仿真分析

本章節(jié)主要針對(duì)換熱器封頭內(nèi)部的熱流體流動(dòng)效應(yīng)及情況進(jìn)行仿真分析，當(dāng)然對(duì)該仿真分析的入口端結(jié)構(gòu)進(jìn)行呈現(xiàn)，如圖1。

通過對(duì)圖1觀察后發(fā)現(xiàn)，該封頭主要以水平半圓柱型形狀流道為主，同時(shí)關(guān)聯(lián)到一個(gè)豎直圓柱流道。分析后發(fā)現(xiàn)大體結(jié)構(gòu)為：第一、該入口管當(dāng)中的直徑應(yīng)為220mm、且封頭呈現(xiàn)瓜皮式形狀結(jié)構(gòu)，其半徑為90mm、長(zhǎng)度大概為1350mm。通過分析后發(fā)現(xiàn)，可能問題出現(xiàn)在封頭結(jié)構(gòu)當(dāng)中，對(duì)其流動(dòng)性造成影響，進(jìn)而出現(xiàn)不均勻情況。將計(jì)算溫度進(jìn)行拋出，計(jì)算其封頭組織內(nèi)部當(dāng)中的流動(dòng)分布。選擇常溫為22℃的水當(dāng)做工質(zhì)，其密度為ρ、黏度為μ、甚至定壓比熱容Cp等相關(guān)參數(shù)為常數(shù)。該熱流體可以采用均勻入口方式緩速融入封頭，途徑該封頭后側(cè)處輸入到導(dǎo)流片當(dāng)中去。分析后發(fā)現(xiàn)該封頭組織內(nèi)部當(dāng)中的主要整動(dòng)區(qū)域如經(jīng)過有效優(yōu)化處理，對(duì)穩(wěn)態(tài)湍流形成十分有利。該換熱器封頭組織內(nèi)部流體流動(dòng)主要為“三維穩(wěn)態(tài)常物性”，具有一定的不可壓縮特點(diǎn)，同時(shí)對(duì)其體積力進(jìn)行有效忽視。所以，可以在計(jì)算模型方面選擇較為標(biāo)準(zhǔn)的k-ε方法模型。并利用有限體積法，即離散式控制方程。在速度和壓力耦合方面建議SIMPLEC計(jì)算方法，且相對(duì)收斂條件應(yīng)位殘差絕對(duì)值小于，即10-5。

5? 從技術(shù)培養(yǎng)方面出發(fā)提升結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于換熱器存在的實(shí)際問題，在對(duì)其入口段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中需要采用結(jié)合性、針對(duì)性方法。將技術(shù)培養(yǎng)作為優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要方向是指，在設(shè)計(jì)過程當(dāng)中相關(guān)技術(shù)人員需要對(duì)換熱器內(nèi)部熱流體運(yùn)行情況做好相關(guān)觀察、記錄[3]。如在此階段發(fā)現(xiàn)該換熱器內(nèi)部流動(dòng)出現(xiàn)與其正常值不符等情況，甚至持續(xù)走高，需要對(duì)是否存在入口段故障進(jìn)行排查、檢測(cè)。如出現(xiàn)故障問題則需對(duì)消耗、磨損構(gòu)件進(jìn)行及時(shí)替換。如下，第一、加強(qiáng)對(duì)換熱器入口段故障及問題的檢測(cè)、維修力度，建立精細(xì)化檢修機(jī)制，在入口段優(yōu)化設(shè)計(jì)當(dāng)中需要結(jié)合實(shí)際問題進(jìn)行針對(duì)性開展，對(duì)相關(guān)數(shù)數(shù)值指標(biāo)等進(jìn)行核算。即量化、細(xì)化設(shè)計(jì)，做到防范于未然。第二、進(jìn)行責(zé)任明確，構(gòu)建換熱器入口段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案流。可以采用數(shù)字建模形式對(duì)其進(jìn)行側(cè)重分析，系統(tǒng)演示。并由相關(guān)設(shè)計(jì)責(zé)任人進(jìn)行簽字，且做好相關(guān)記錄，如發(fā)現(xiàn)問題后需第一時(shí)間內(nèi)進(jìn)行責(zé)任追查，確保其有依可尋[7]。

6? 結(jié)論

綜上所述，通過對(duì)換熱器入口段結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行分析研究，從多方面、多角度對(duì)換熱器入口段結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究及內(nèi)容進(jìn)行闡明，并對(duì)其影響問題進(jìn)行論述。結(jié)合實(shí)際情況及發(fā)展需求，提出相關(guān)研究核心，主要包括：換熱器概述、換熱器存在主要問題、國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究?jī)?nèi)容及方向、換熱器封頭內(nèi)部流動(dòng)仿真分析、從技術(shù)培養(yǎng)方面出發(fā)提升結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等，將優(yōu)化換熱器入口段結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的核心要點(diǎn)進(jìn)行論述，為下一步工作進(jìn)展打下基礎(chǔ)。

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