吳靜瑋，孫浩然，張汝鴻，武春林，張志剛，陳慧，胡海濤*，丁國(guó)良

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

多級(jí)導(dǎo)流封頭對(duì)板翅式換熱器內(nèi)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(guó)良1

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

本文提出一種板翅式換熱器多級(jí)導(dǎo)流封頭，可通過各級(jí)導(dǎo)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(jí)導(dǎo)流封頭對(duì)板翅式換熱器通道內(nèi)流量分配特性的影響，并與已有的導(dǎo)流翼封頭結(jié)構(gòu)和不帶導(dǎo)流結(jié)構(gòu)封頭的流量分配特性進(jìn)行了對(duì)比分析。研究結(jié)果表明：多級(jí)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)封頭較已有的不帶導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的封頭流量分配不均勻度降低了46.3%，較已有的導(dǎo)流翼封頭的分配不均勻度降低了4.1%；多級(jí)導(dǎo)流封頭改善了換熱器的分配特性。該研究對(duì)于改進(jìn)板翅式換熱器的封頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及優(yōu)化換熱器的設(shè)計(jì)制造具有重要指導(dǎo)意義。

板翅式換熱器；封頭；多級(jí)導(dǎo)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(shè)備，便于多股流布置，能實(shí)現(xiàn)小溫差和大溫降換熱，廣泛應(yīng)用于空氣分離、石油化工裝置、機(jī)械工業(yè)冷卻器等領(lǐng)域[1-3]。流體進(jìn)入換熱器內(nèi)部流通面積多次變化，而且內(nèi)部流體從翅片通道流入各通道經(jīng)歷了多次流量分配，將會(huì)導(dǎo)致各通道之間存在嚴(yán)重的流體不均勻現(xiàn)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(jié)構(gòu)能夠有效改善板翅式換熱器內(nèi)部物流分配的均勻性[7-9]。因此，研究如何優(yōu)化封頭結(jié)構(gòu)對(duì)提高板翅式換熱器的換熱性能具有重要意義。

目前，針對(duì)封頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè) 主要有二次封頭和加打孔檔板兩種思路。對(duì)于二 封頭，實(shí)驗(yàn)研究表明，較好的優(yōu)化設(shè)計(jì)相較于未作任何優(yōu)化設(shè)計(jì)的原始封頭能使換熱器的物流分配有所改進(jìn)，換熱整體性能提升 7%左右[10]。對(duì)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(duì)換熱器物流分配均勻性的影響。研究[12-15]采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)手段深入研究了加打孔檔板封頭結(jié)構(gòu)的物流分配特性，檔板結(jié)構(gòu)沿中軸 由內(nèi)而外依次均勻排布著小、中、大3種孔徑的通孔，研究結(jié)果表明錯(cuò)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(zhǎng)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(dǎo)流翼基礎(chǔ)上，王少華等[3]采用 CFD方法提出新型帶有導(dǎo)流翼的板翅式換熱器封頭結(jié)構(gòu)，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(gè)出流口中間物流分配更多而兩側(cè)物流較少的問題。

已有研究通過優(yōu)化設(shè)計(jì)封頭結(jié)構(gòu)，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(duì)于二次封頭的結(jié)構(gòu)改進(jìn)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(dǎo)流形式克服打孔無法避免的標(biāo)準(zhǔn)化問題。

本文在導(dǎo)流翼封頭結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出多級(jí)導(dǎo)流封頭結(jié)構(gòu)，采用 CFD方法對(duì)多級(jí)導(dǎo)流封頭進(jìn)行流體分配特性的數(shù)值模擬研究。

1 模擬對(duì)象的幾何模型

本文的模擬對(duì)象是多級(jí)導(dǎo)流結(jié)封頭的流體分配均勻性，并與已有的導(dǎo)流翼封頭和不帶導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的封頭進(jìn)行對(duì)比，分析不同封頭對(duì)流體分配特性的影響。

多級(jí)導(dǎo)流結(jié)封頭如圖1(a)所示，包括流線型導(dǎo)流板和擋板，其中末級(jí)結(jié)構(gòu)不包括擋板。對(duì)于導(dǎo)流結(jié)構(gòu)級(jí)數(shù)，過多的導(dǎo)流級(jí)數(shù)會(huì)導(dǎo)致流體壓降及動(dòng)量損失過大，而過少的導(dǎo)流級(jí)數(shù)無法滿足通道數(shù)和物流分配均勻的要求，綜合考慮流體壓降和動(dòng)量損失，本文封頭采用四級(jí)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)。導(dǎo)流結(jié)構(gòu)分別與套殼內(nèi)側(cè)垂直焊接，根據(jù)文獻(xiàn)[18]中的最佳導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，確定導(dǎo)流板夾角為 140°，內(nèi)部位置和尺寸由外側(cè)封頭結(jié)構(gòu)確定。

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

不帶導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的原始封頭，由入口管、瓜皮結(jié)構(gòu)和封皮出口3分組成，材料選用金屬鋁，不帶導(dǎo)流結(jié)構(gòu)。

導(dǎo)流翼結(jié)構(gòu)封頭，在入口管下增加2片不均勻開孔的導(dǎo)流翼片[3]，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于導(dǎo)流翼封頭結(jié)構(gòu)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，圖1僅示出其四分之一部分。其中兩個(gè)導(dǎo)流翼片對(duì)稱安裝在封頭瓜皮結(jié)構(gòu)內(nèi)部，根據(jù)文獻(xiàn)[18]中對(duì)導(dǎo)流翼布置的研究，確定最佳導(dǎo)流角和翼片距離分別為70°和 6 mm，孔徑則由中軸向兩側(cè)不斷增大。

圖1 多級(jí)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)封頭結(jié)構(gòu)及流體流動(dòng)示意圖

導(dǎo)流翼封頭內(nèi)流體分配示意圖如圖 2(b)所示。流體從換熱器入口管經(jīng)過導(dǎo)流翼片時(shí)進(jìn)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(dá)出口，兩側(cè)大股流體則由導(dǎo)流翼上小孔進(jìn)行第二次流體分配，最終從出口通道均勻流出。

圖2導(dǎo)流翼封頭結(jié)構(gòu)和流體流動(dòng)示意圖

2 數(shù)學(xué)模型與評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1 數(shù)學(xué)模型

本模型研究的工質(zhì)為液態(tài)水，封頭計(jì)算模型是在二維穩(wěn)態(tài)常物性層流流動(dòng)工況下建立，有如下假設(shè)：1）流體為不可壓縮的牛頓流體；2）流體定常流動(dòng)；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(jié)構(gòu)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(shí)間，s；

u、v——控制體在x、 y兩個(gè)方向上的速度分量，m/s。

動(dòng)量方程見式(2)～式(3)：

式中：

p——壓力，Pa；

μ——分子動(dòng)力黏性系數(shù)，Pa·s。

描述流動(dòng)的控制方程見式(4)：

式中：

Ui、Uj——雷諾時(shí)均值；

U——時(shí)均值；

Xi、Xj——坐標(biāo)。

2.2 分配特性評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文引入了數(shù)理統(tǒng)計(jì)上的修正樣本方差 S2，反映了測(cè)量數(shù)據(jù)的離散程度，能夠體現(xiàn)不同封頭結(jié)構(gòu)對(duì)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(jì)算公式為：

式中：

n——通道數(shù)，此處為10；

mi——第 i個(gè)封頭出口通道的質(zhì)量流量；

3 計(jì)算區(qū)域與邊界條件

導(dǎo)流結(jié)構(gòu)封頭的幾何模型為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，選取的計(jì)算區(qū)域?yàn)槌龘醢搴蛯?dǎo)流板之外的區(qū)域，包含入口和出口。基于商用軟件ANSYS 中的FLUENT進(jìn)行流動(dòng)模擬，建立了包括FLUID、INLET、WALL、DISTRIBUTOR、F LAP及OUTLET（10個(gè)通道）在內(nèi)的計(jì)算部分，網(wǎng)格總數(shù)為690,843。

由于傳質(zhì)計(jì)算涉及到壁面氣泡的作用，網(wǎng)格劃分受到壁面附近最小網(wǎng)格大小的制約，因而適當(dāng)加密壁面附近網(wǎng)格對(duì)于保證傳質(zhì)計(jì)算的準(zhǔn)確性有著重要的作用。

導(dǎo)流翼封頭和多級(jí)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)封頭均采用相同的建模方法。模型使用ICEM網(wǎng)格劃分軟件中的非結(jié)構(gòu)性四邊形網(wǎng)格，針對(duì)網(wǎng)格獨(dú)立性進(jìn)行驗(yàn)證，在保證網(wǎng)格質(zhì)量的前提下，試驗(yàn)不同網(wǎng)格數(shù)量來檢測(cè)封頭同一出口通道的質(zhì)量流量變化情況，結(jié)果表明網(wǎng)格數(shù)量超過600,000后，同一出口質(zhì)量流量幾乎不發(fā)生變化。綜合考慮模擬精度和計(jì)算資源，最終選取基準(zhǔn)網(wǎng)格尺寸不超過過0.2 mm，不小于0.1 mm，并對(duì)檔板和導(dǎo)流板壁面邊界層進(jìn)行了4層網(wǎng)格加密，第1層網(wǎng)格高度為0.01 mm，可以保證模擬精度。

數(shù)值模擬均采用realizable K-ε 作為層流模型，通過有限容積法對(duì)層流流動(dòng)的各控制方程進(jìn)行離散化，其中對(duì)流項(xiàng)與擴(kuò)散項(xiàng)的離散采用混合格式。由于流體是不可壓縮流動(dòng)，壓力和速度耦合采用SIMPLE算法，通過Least Squares Cell Based壓力梯度計(jì)算控制方程中的導(dǎo)數(shù)項(xiàng)。

計(jì)算模型中，流體進(jìn)口溫度取為300 K，入口條件設(shè)定為速度邊界條件，出口條件為壓力出口，給定進(jìn)口雷諾數(shù) 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(dòng)量方程和能量方程收斂殘差取為10-3。

4 不同結(jié)構(gòu)物流分配特性的對(duì)比

4.1 速度分布模擬結(jié)果及分析

基于導(dǎo)流翼封頭模型和多級(jí)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)封頭模型進(jìn)行模擬驗(yàn)證，速度分布模擬結(jié)果如圖4所示。

由圖4(a)可知，對(duì)于導(dǎo)流翼封頭結(jié)構(gòu)，中間股流速過高的流體經(jīng)由導(dǎo)流翼得到緩沖，兩側(cè)大股流體經(jīng)由導(dǎo)流翼通孔速度迅速下降，而中間通道和最側(cè)邊通道流體依舊保持較高流速。

由圖4(b)可知，對(duì)于多級(jí)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)封頭，經(jīng)過一級(jí)導(dǎo)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(duì)封頭的沖蝕。

對(duì)比結(jié)果表明，多級(jí)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)封頭相比導(dǎo)流翼封頭一定程度上減弱了中心高速流體的沖擊，速度場(chǎng)分布更為合理。

4.2 流體分布模擬結(jié)果及分析

本文將多級(jí)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)封頭與已有的導(dǎo)流翼封頭的流體分配情況進(jìn)行對(duì)比，得到的流體分布結(jié)果對(duì)比如圖5所示。

由圖5(a)可知，帶導(dǎo)流翼的優(yōu)化封頭雖能改善不帶導(dǎo)流結(jié)構(gòu)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(jí)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)封頭由于多級(jí)導(dǎo)流板與檔板的共同作用，流量能夠均勻分配至各個(gè)通道。

圖5 導(dǎo)流翼封頭和導(dǎo)流結(jié)構(gòu)封頭流體分布結(jié)果對(duì)比

4.3 出口質(zhì)量流量計(jì)算分析

由前述模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，可以得到兩種封頭不同通道的質(zhì)量流量。不同形式的封頭出口流量對(duì)比如圖6所示，其中導(dǎo)流翼封頭和多級(jí)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)封頭的出口流量由數(shù)值模擬計(jì)算得到，不帶導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的原始封頭的出口流量由文獻(xiàn)[15]中的數(shù)據(jù)得到。

由圖6可知，不帶導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的原始封頭的出口流量分配最不均勻，導(dǎo)流翼封頭和多級(jí)導(dǎo)流封頭出口流量分配趨于均勻，且多級(jí)導(dǎo)流封頭均勻性最好。

根據(jù)式(5)計(jì)算得到，不帶導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的封頭、導(dǎo)流翼封頭和多級(jí)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)封頭的出口通道質(zhì)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(duì)比結(jié)果如圖7所示。

計(jì)算結(jié)果表明，在出口通道流量分配的不均勻度上，多級(jí)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)封頭較原始封頭降低了46.3%，較已有的導(dǎo)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(duì)比

圖7 三類封頭分配不均勻度對(duì)比

5 結(jié)論

1）提出一種用于板翅式換熱器物流均勻分配的多級(jí)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)封頭，在不帶導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的原始封頭的基礎(chǔ)上，通過增加四級(jí)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，包括流線型導(dǎo)流板和擋板，其中末級(jí)結(jié)構(gòu)不包括擋板，導(dǎo)流板夾角為140°，來實(shí)現(xiàn)入口流體的均勻分配。

2）本文提出的多級(jí)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)能夠提高出口通道的物流分配均勻性，對(duì)比分析結(jié)果表明，多級(jí)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)封頭內(nèi)流體的分配不均勻度較不帶導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的封頭降低46.3%，較已有的導(dǎo)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(dǎo)師。研究方向：多相流與強(qiáng)化傳熱、換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)。聯(lián)系地址：上海市東川路800號(hào)，E-mail：huhaitao2001@sjtu.edu.cn.