張軒 王家喜

摘 要：板翅式熱交換器是一種高效、緊湊的熱交換器，在風(fēng)力發(fā)電、工程機械、空氣壓縮機以及航空換熱等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。本文通過理論分析，建立模型并應(yīng)用軟件模擬設(shè)計熱交換器換熱系統(tǒng)的使用工況，通過試驗驗證，找到了一種快速設(shè)計換熱器系統(tǒng)的方法，對提升熱交換器換熱系統(tǒng)設(shè)計能力起到很好的輔助作用。

關(guān)鍵詞：熱交換器;傳熱;并聯(lián);串聯(lián);風(fēng)洞試驗

0.緒論

板翅式熱交換器是一種高效、緊湊的熱交換器，在風(fēng)力發(fā)電、工程機械、空氣壓縮機以及航空換熱等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。如何快速有效的確定設(shè)計方案，設(shè)計出系統(tǒng)所需要的最佳換熱系統(tǒng)是換熱器設(shè)計的關(guān)鍵【1】。應(yīng)用軟件模擬設(shè)計熱交換器換熱系統(tǒng)的使用工況，能夠極大地減少設(shè)計時間，同時找出最佳設(shè)計方案，對提升熱交換器換熱系統(tǒng)設(shè)計能力起到很好的輔助作用。目前常用是的方法是依據(jù)計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD），通過計算機數(shù)值計算和圖象顯示的方法，在時間和空間上定量描述流場的數(shù)值解，從而達到對換熱性能計算的目的。

1.影響熱交換器換熱系統(tǒng)的因素分析

影響熱交換器換熱系統(tǒng)換熱系統(tǒng)性能的因素有很多，對于其換熱能力的評價，常常通過如下公式體現(xiàn)，Q=K*F*ΔTm ?，其中Q為換熱量，K為傳熱系數(shù)，F(xiàn)一般為冷側(cè)的有效傳熱面積，ΔTm ?為冷熱側(cè)的對數(shù)平均溫差【2】【3】。以空氣冷卻熱交換器換熱系統(tǒng)為例，在換熱系統(tǒng)設(shè)計過程中，設(shè)計的關(guān)鍵是確定傳熱系數(shù)K，一般使用正交試驗的方式進行驗證，在有限次數(shù)的試驗或者模擬過程中，找出影響傳熱系數(shù)變化最大的關(guān)鍵因子。在特定的實驗條件下，對于標(biāo)準(zhǔn)件的傳熱系數(shù)K，主要的影響因子就是冷邊流量、冷邊結(jié)構(gòu)和芯體厚度，其中“冷邊流量”對傳熱系數(shù)的影響表現(xiàn)最為突出，因此，冷邊流量的設(shè)計在熱交換器設(shè)計過程中就顯得至關(guān)重要。

在空氣冷卻熱交換器的設(shè)計中，冷邊流量通常由風(fēng)機或者馬達驅(qū)動風(fēng)扇作為冷源，實際在應(yīng)用過程中，受到主機裝機空間的限制，對模塊化設(shè)計的熱交換器來講，如何布局冷源和換熱是換熱系統(tǒng)的設(shè)計關(guān)鍵。

2.換熱系統(tǒng)布局的風(fēng)量分析

2.1串聯(lián)方式布局的熱交換器系統(tǒng)風(fēng)量分析和計算

串聯(lián)熱交換器的風(fēng)量計算：對于串聯(lián)熱交換器的風(fēng)量計算，因為通過熱交換器的風(fēng)量一致，所以，通過前后熱交換器的風(fēng)阻曲線的疊加，就可以求出串聯(lián)模型的風(fēng)阻曲線，其與相配風(fēng)扇的靜壓曲線相交的交點即為該串聯(lián)模型下的風(fēng)量。

2.2并聯(lián)方式布局的熱交換器系統(tǒng)風(fēng)量分析和計算

對于并聯(lián)方式的熱交換器，熱交換器的前后壓差一致，其計算程序步驟如下：

第一步：通過實驗或者模擬得到單個熱交換器芯體的風(fēng)阻曲線;

第二步：計算每個芯體的自由流通面積，并得出每個芯體的面積權(quán)數(shù);

第三步：通過計算得到并聯(lián)模型的風(fēng)阻曲線;

第四步：與相配的風(fēng)扇的靜壓曲線相交，形成交點，得到并聯(lián)模型的風(fēng)量與風(fēng)阻;

第五步：通過上步得到的風(fēng)阻，計算出通過每個熱交換器的風(fēng)阻曲線計算風(fēng)量。

對于面積權(quán)數(shù)的計算，即各個芯體自由流通面積占總自由流通面積下的百分比。如兩種芯體，分別為A和B，A的自由流通面積為FA，B的自由流通面積為FB，所以芯體A的面積權(quán)數(shù)：FA/（FA+FB），芯體B的面積權(quán)數(shù)：FB/（FA+FB）?，F(xiàn)以A類型翅片與B類型翅片分別制造的熱交換器A和B為例：

①通過模擬和實驗得到A類型翅片與B類型翅片的風(fēng)阻曲線，通過擬合后得到：z1=f1（x）（ A類型翅片的風(fēng)阻曲線函數(shù)），z2=f2（x）（ B類型翅片的風(fēng)阻曲線函數(shù)），其中x代表自由流通面積下的流速;

②計算得到芯體A和B的自由流通面積，A的自由流通面積為FA，B的自由流通面積為FB，所以A的面積權(quán)數(shù)：FA/（FA+FB），B的面積權(quán)數(shù)：FB/（FA+FB）;

③并聯(lián)模型的風(fēng)阻曲線即為：Z= （FA/（FA+FB））*Z1+ （FB/（FA+FB））*Z2;

④與相配的風(fēng)扇的靜壓曲線相交，形成交點，得到并聯(lián)模型的風(fēng)量Q與風(fēng)阻Z;

⑤由風(fēng)阻Z代入到z1=f1（x）（ Bst1B翅片的風(fēng)阻曲線函數(shù)）和z2=f2（x）（ Bst4B翅片的風(fēng)阻曲線函數(shù)）中，通過單值變量求解得到通過A和B的自由流通面積流速，然后與相應(yīng)的自由流通面積相乘，即得到通過各個芯體的流量Q1和Q2。

3.基于Fluent模擬對并聯(lián)方式下風(fēng)量分配的驗證

3.1串聯(lián)方式布局的風(fēng)量模擬

由于串聯(lián)結(jié)構(gòu)，由于模型簡單，在不考慮熱交換器之間的風(fēng)量泄露量的假設(shè)前提下，可以使用曲線擬合的方式，擬合出風(fēng)阻與風(fēng)量的變化。

3.2并聯(lián)方式布局的風(fēng)量模擬

由于該方式與熱交換器翅片結(jié)構(gòu)類型有關(guān)系，計算復(fù)雜，本文主要針對并聯(lián)型布局的換熱系統(tǒng)進行模擬，并擬合對應(yīng)風(fēng)阻和風(fēng)量變化曲線。

現(xiàn)以A類型翅片與B類型翅片為試驗樣件，首先進行每個翅片結(jié)構(gòu)的風(fēng)阻模擬，然后將兩個模型合并，模擬整個模型的風(fēng)阻情況，并最終將模擬數(shù)據(jù)與通過上述方法計算的數(shù)據(jù)進行對比，從而驗證并聯(lián)方式布局風(fēng)量計算的正確性。

通過面積權(quán)數(shù)的方法進行并聯(lián)方式的風(fēng)量分配是有效地。

4.并聯(lián)模型的測試驗證

制造散熱器A1（外形尺寸400mmx400x94mm，翅片型號A）和散熱器B1（外形尺寸400mmx400x94mm，翅片型號B）樣件，進行并聯(lián)風(fēng)量測試，比較通過面積權(quán)數(shù)計算的并聯(lián)模型每個散熱器風(fēng)量與測試差異，驗證理論方法的準(zhǔn)確性。

通過測試分析散熱器A1與散熱B1并聯(lián)風(fēng)量數(shù)據(jù)，通過面積權(quán)數(shù)計算的并聯(lián)模型的流量與測試風(fēng)量誤差2%以內(nèi)，說明采用該理論計算不同散熱器并聯(lián)時每個散熱器分布流量準(zhǔn)確性較高。

5.結(jié)論

本文通過計算、模擬等方法，得到了通過面積權(quán)數(shù)的方法對串并聯(lián)方式下熱交換器的風(fēng)量計算，為熱交換器換熱量的準(zhǔn)確計算，并最終滿足客戶要求提供了依據(jù)。

參考文獻：

[1]錢頌文.換熱器設(shè)計手冊【M】.化學(xué)工業(yè)出版社，2002.8

[2]余建祖.換熱器原理與設(shè)計【M】.北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[3]Kays W M ， London A L. Compact heat exchangers[M] . 3rd ed. New York ： McGraw Hill ，1984.

作者簡介：

張軒（1982-），男，河南，漢族，研究生學(xué)歷，高級工程師，主要從事鋁質(zhì)板翅式熱交換器生產(chǎn)加工制造以及生產(chǎn)運營.