板翅式换热器封头与翅片结构优化及性能协调设计.pdf

板翅式换热器封头与翅片结构优化及性能协调设计 板翅式换热器封头与翅片结构优化及性能协调设计 摘 要 板翅式换热器具有结构紧凑、换热效率高、多工质同时传热等优点，在航空 航天、石油化工、天然气加工、空气分离等行业具有广泛的应用，是这些行业装 备的重要部机之一。随着这些行业装备的大型化、低能耗化、高精细化的发展， 对板翅式换热器的设计提出了更高的要求。本文提出了板翅式换热器封头与翅片 结构优化及性能协调设计方法，从封头结构、翅片结构、封头与翅片结构协调设 计等方面，提高了换热器内部流动均匀性和多工况适应性，进而提高板翅式换热 器的整体换热性能。本文研究内容主要包括以下三个方面： (1) 针对板翅式换热器入口段流量分布不均匀的问题，提出一种区域分流封 头结构，通过在封头腔体入口处添加几块倾斜角度不同的挡板，使进入封头的流 体在封头长度方向上得到分散，减小了封头各出口间质量流率的不均匀度。通过 Fluent 仿真分析，对挡板数量、最外侧挡板倾角、挡板高度、挡板间距以及封头 高度等参数逐一进行优化，得到了区域分流封头的最佳尺寸参数，与传统封头相 比，设计的区域分流封头内部分配均匀性提升了84% 。 (2) 为减小翅片流道内流体热边界层对换热性能的影响，参照农具“犁”的 工作特性，提出一种犁型微凸翅片结构，其结构特点为在平直翅片壁面上周期性 增设犁凸结构。利用仿真计算得到不同犁凸尺寸下翅片的热功率和压降，构建了 两者与犁凸结构参数的近似模型，利用NLPQL 梯度优化算法得到了犁凸结构的 最佳尺寸，并对犁凸结构的排列方式和排列间距进行了优化。通过对流道内温度 场、压力场以及速度场的分析，解释了犁凸结构对翅片性能改善的机理。 (3) 现有板翅式换热器往往需要在80%~110% 的变工况环境下运行，其自身 需要有一定适应能力，避免生产效率的下降和安全事故的发生。通过对比不同入 口速度下传统封头和区域分流封头的分配效果，验证了区域分流封头的变工况适 应性；通过仿真获取了各工况下封头出口的速度，并选用6、8、11、14m/s 作为  翅片区域的入口多工况条件，以空气吸热热流量 作为评价多工况下翅片传热性  能的评价指标，以 和 ΔP 的平均值作为输出变量、犁凸结构参数为输入变量， 构建了Kriging 近似模型，并用梯度优化算法进行优化，通过对比预测结果与仿 真结果，验证了所用方法的精确度，并得到了多工况下犁型微凸翅片的最佳结构 参数。 I 浙江工业大学硕士学位论文 通过对封头和翅片结构的改进与优化研究，使换热器整体换热性能有所提升， 研究结果对实际生产制造具有一定指导意义。 关键词：板翅式换热器，区域分流封头，犁型微凸翅片，仿真计算，Isight ，多工 况 II 板翅式换热器封头与翅片结构优化及性能协调设计 STRUCTURE OPTIMIZATION AND PERFORMANCE COORDINATION DESIGN OF INLET HEADER AND FIN IN PLATE-FIN HEAT EXCHANGER ABSTRACT Plate-fin heat exchanger (PFHE) has the advantages of compact structure, high heat exchange efficiency and simultaneous heat transfer of multi working medium. It is widely used in aerospace, petrochemical, natural gas processing, air separation and other industries, and it’s one of the impo