試析鋁制板翅式換熱器導流結構的優化設計

任紅艷

（貴陽鋁鎂設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

作為一種導流結構，鋁制的板翅式換熱器兼具了鋁金屬質量小、導電性能好、體積密度小、多場景適用等特征。因此，鋁制板翅式換熱器導流結構也廣泛運用在石油化工企業、空氣分離、航天電子等領域。針對鋁制板翅式換熱器導流結構特征和換熱性能，國內外科學家都有深入研究。通過分析其結構特點和使用性能，對改進設備產品技術有促進意義。

1 鋁制板翅式換熱器特點

板翅式換熱器最先由美國研制，1942年，美國科學家諾利斯研發出了相關傳熱因子和雷洛數的關系，并對平直、釘狀、波紋等類型翅式傳熱性能進行研究。隨著該項技術的大力運用，美國將板翅式換熱器研究和船舶、海軍、航空等聯系起來，加深了對該項技術研究。近年來，隨著我國制造業技術的發展，鋁制板翅式代替了傳統金屬的管殼式結構，而其總質量占比僅僅為其1/10，且其傳熱效果非凡，是傳統金屬的5~10倍。因此，鋁制板翅式換熱器正在不斷地被運用到各類化工、天然氣液化領域中。

2 鋁制板翅式換熱器導流結構原理

2.1 鋁制板翅式換熱器導流工作原理

鋁制板翅式換熱器導流結構在常規上屬于肩臂式換熱器，該項結構有著二次傳熱的特征，它能讓相關流體按照翅片方向進行傳熱，利用隔板進行疏通，實現高溫介質向低溫介質傳導。由于翅片長寬比和厚度特點，翅片導熱過程會存在熱阻問題，這點需要改善優化。

2.2 常規板翅式換熱器結構

板翅式換熱器需要以下4個部件，現將相關功能和運行作用簡述于下。

（1）翅片。翅片是鋁制板翅式換熱器基礎組成之一。在傳熱過程中，翅片將傳熱區域面積擴大，實現了各個熱傳導和流體之間對流傳熱。通常翅片間距為1~4mm，翅片類型多樣，結合運用環境不同多波紋、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，能實現相關熱交換，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，使導熱介質和周圍外界分開，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、鏈接相關工藝管道。

（4）導流片。導流片是整個結構的核心部件，一般放置在翅片兩側，其通過“指揮”流體進出導向，實現流體在內部均勻傳熱，提高傳熱、換熱效率。

2.3 鋁制板翅式換熱器導流結構質量控制

設計、檢測、精細化是保障鋁制板翅式換熱器導流結構質量控制前提。在設計運行時，該部件質量需要經過零件質量檢查和成品性能檢查。對于零件質量檢查而言，需要相關人員觀察部件外觀，檢查其幾何形狀和尺寸，并測驗釬焊質量、相關部件尺寸是否在允許范圍內，有無損傷。同時，技術性能檢查還需要對該設備清潔度、干燥度、串并聯組合化熱器流體流動性進行測試。而流體流動性能均勻性、穩定性也是決定質量程度直接因素，這對實踐運用中的真空檢漏、裝運測試、氦質譜檢有著直接影響。結合相關設計需求，以強化性能和產品質量為重點，分析旁進式和頂進式兩大主流類型，在計算機技術和物理數值模擬背景下進行以下優化。

3 試析鋁制板翅式換熱器導流結構優化設計

在運用該項技術時，也需要相關人員對其性能進行優化改造，如物流分配會影響換熱器效能下降，同時導流角度、導流片結構也會改變導流質量。集合CFD理論技術和有限元Flunet軟件分析，對多種導流片進行數字對比分析，試析如下。

3.1 多類型產品物理數值模擬分析

本次設計對比分析了某一導流片層通道截面模型，對不同的結構如旁進式、頂進式中多孔、鋸齒類型等進行了二維物理處理分析。

3.2 數值計算設計

結合相關有限容積和控制方程式計算，在同位網格Simplec算法和離散非耦合顯/隱式、耦合顯/隱式、技術下，需要運算環境和資源存在差異，隱式技術速度較快且非耦合算法占用內存小，因此模型計算采用非耦合隱式算法。

（1）計算方程。

（2）相關條件。①出入口條件：需要自動進口速度場和出口壓力場；②壁面：確定值為無速度滑動，且確認壁面速度為“0”；③流體：為液態水；④收斂條件：要求殘差值控制在10-4內。

3.3 模擬設計分析結果

頂進式導流相關模型試驗結果分析如圖1所示，其中b模型的導流角度要比a大，且整體的流動均勻性和速度控制較好，可見b模型有著較好的穩定性和導流性。

圖1 頂進式導流結構模型對比

根據相關模擬導流性能結構對比可知，旁進式導流結構a、b模型階段速度分布較為發散，而c、d比較集中。由于導流處壓力降在導流中的動態當量長度和通道當量直徑有直接聯系，在4個模型通道當量控制一致時，相關效果呈現存在差異。在其中，d模型出口速度最佳，在流體中較為均勻且流體轉彎次數較少，符合設計中穩定性和均分性要求。可見，經過對比，在旁進式中d模型最為適用。

通過分析以上可知，結合我國NB/T 47006—2009《鋁制板翅式熱交換器》處理要求，對常見兩種類型——“旁進式”和“頂進式”板翅片導熱結構進行了分析。作為一種導流結構，鋁制的板翅式換熱器有質量小，導電性能好，體積密度小特點，在CFD有限元數據模擬Fluent研究下，對4種旁進式、2種頂進式模型進行了細致分析。并在一定環境條件如邊界約束、流體設置下模擬了相關模型速度場和壓力場，對各個流體結構中影響結構穩定性和均勻性進行探討。對比可知，鋁制板翅式換熱器導流結構中，當導流角度較小時，流體會面臨著一定流動風險，導向流動難度增加，降低流體分布穩定性和均勻性；若有著較大導流角度，可以提升整個設計的均衡性。經過數值對比分析，同等條件下，等壓和流量中，“旁進式”中d模型有較好的均勻性和穩定性，導流性能好。而在“頂進式”中，b模型導流效果優于a模型。

4 結語

綜上所述，筆者對鋁制板翅式換熱器導流結構優化設計進行了分析，在分析不同“旁進式”和“頂進式”內部網構和部件特性的同時，也對操作原理、穩定性、均勻性運行方面進行了分析探究。通過利用計算機技術有限元數字軟件Fluent進行了分別對比計較，對比探討出了適合鋁制板翅式換熱器導流結構優化的模型。