多级导流封头对板翅式换热器内流量分配特性的影响分析

吴静玮，孙浩然，张汝鸿，武春林，张志刚，陈慧，胡海涛*，丁国良

（1-上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240；2-中国石化燃料油销售有限公司，北京，100029；3-山西汾西重工有限责任公司，山西太原 030027）

多级导流封头对板翅式换热器内流量分配特性的影响分析

吴静玮1，孙浩然1，张汝鸿2，武春林3，张志刚3，陈慧3，胡海涛*1，丁国良1

（1-上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240；2-中国石化燃料油销售有限公司，北京，100029；3-山西汾西重工有限责任公司，山西太原 030027）

本文提出一种板翅式换热器多级导流封头，可通过各级导流板和档板将入口流体均匀分配到换热器的各层各通道之中。通过 CFD模拟，分析了多级导流封头对板翅式换热器通道内流量分配特性的影响，并与已有的导流翼封头结构和不带导流结构封头的流量分配特性进行了对比分析。研究结果表明：多级导流结构封头较已有的不带导流结构的封头流量分配不均匀度降低了46.3%，较已有的导流翼封头的分配不均匀度降低了4.1%；多级导流封头改善了换热器的分配特性。该研究对于改进板翅式换热器的封头结构设计以及优化换热器的设计制造具有重要指导意义。

板翅式换热器；封头；多级导流；分配不均

0 引言

板翅式换热器是一种高效、紧凑的换热设备，便于多股流布置，能实现小温差和大温降换热，广泛应用于空气分离、石油化工装置、机械工业冷却器等领域[1-3]。流体进入换热器内部流通面积多次变化，而且内部流体从翅片通道流入各通道经历了多次流量分配，将会导致各通道之间存在严重的流体不均匀现象，这是引发板翅式换热器换热性能下降的主要因素[4-6]。研究表明，合理的封头结构能够有效改善板翅式换热器内部物流分配的均匀性[7-9]。因此，研究如何优化封头结构对提高板翅式换热器的换热性能具有重要意义。

目前，针对封头结构的优化设 主要有二次封头和加打孔档板两种思路。对于二 封头，实验研究表明，较好的优化设计相较于未作任何优化设计的原始封头能使换热器的物流分配有所改进，换热整体性能提升 7%左右[10]。对于加打孔档板，目前的研究主要集中在开孔形式和档板放置方式对换热器物流分配均匀性的影响。研究[12-15]采用数值模拟和实验手段深入研究了加打孔档板封头结构的物流分配特性，档板结构沿中轴 由内而外依次均匀排布着小、中、大3种孔径的通孔，研究结果表明错排孔板可以显著提高封头流体分配的均匀性，从而提高换热效率；张哲等[16-17[18]，既能避免长条通道物流分配不均的问题，还可降低单一出口局部扰流引起的压力损失。在均匀开孔的导流翼基础上，王少华等[3]采用 CFD方法提出新型带有导流翼的板翅式换热器封头结构，合理布置圆孔通道，顶端到低端流通面积不断增大，解决了每个出流口中间物流分配更多而两侧物流较少的问题。

已有研究通过优化设计封头结构，在一定程度上改善了板翅式换热器的物流分配特性。然而，对于二次封头的结构改进方法而言，换热器换热性能提高的程度有限，并且存在外形尺寸增大的弊端[1[11]，可采用新型导流形式克服打孔无法避免的标准化问题。

本文在导流翼封头结构的基础上，提出多级导流封头结构，采用 CFD方法对多级导流封头进行流体分配特性的数值模拟研究。

1 模拟对象的几何模型

本文的模拟对象是多级导流结封头的流体分配均匀性，并与已有的导流翼封头和不带导流结构的封头进行对比，分析不同封头对流体分配特性的影响。

多级导流结封头如图1(a)所示，包括流线型导流板和挡板，其中末级结构不包括挡板。对于导流结构级数，过多的导流级数会导致流体压降及动量损失过大，而过少的导流级数无法满足通道数和物流分配均匀的要求，综合考虑流体压降和动量损失，本文封头采用四级导流结构。导流结构分别与套壳内侧垂直焊接，根据文献[18]中的最佳导流片结构参数组合，确定导流板夹角为 140°，内部位置和尺寸由外侧封头结构确定。

多级导流封头中流体分配示意图如图1(b)所示。入口流体由一级导流结构分成两大股进入封头，每股流体在挡板的作用下进入两块二级导流板继续分成两股流体， 次进入四块三级导流板和末端的八块导流板，再分别从封头出口均匀流出。

不带导流结构的原始封头，由入口管、瓜皮结构和封皮出口3分组成，材料选用金属铝，不带导流结构。

导流翼结构封头，在入口管下增加2片不均匀开孔的导流翼片[3]，具体结构如图2所示。由于导流翼封头结构为对称结构，图1仅示出其四分之一部分。其中两个导流翼片对称安装在封头瓜皮结构内部，根据文献[18]中对导流翼布置的研究，确定最佳导流角和翼片距离分别为70°和 6 mm，孔径则由中轴向两侧不断增大。

图1 多级导流结构封头结构及流体流动示意图

导流翼封头内流体分配示意图如图 2(b)所示。流体从换热器入口管经过导流翼片时进行了第一次流体分配，中间小股流体直接穿过中轴翼片的6 mm缝隙到达出口，两侧大股流体则由导流翼上小孔进行第二次流体分配，最终从出口通道均匀流出。

图2导流翼封头结构和流体流动示意图

2 数学模型与评价指标

2.1 数学模型

本模型研究的工质为液态水，封头计算模型是在二维稳态常物性层流流动工况下建立，有如下假设：1）流体为不可压缩的牛顿流体；2）流体定常流动；3）考虑重力但忽略浮升力；4）不考虑流体的粘性耗散作用；5）接触空气的外部结构与周围环境绝热。

连续性方程见式(1)：

式中：

ρ——流体密度，kg/m3；

t——时间，s；

u、v——控制体在x、 y两个方向上的速度分量，m/s。

动量方程见式(2)～式(3)：

式中：

p——压力，Pa；

μ——分子动力黏性系数，Pa·s。

描述流动的控制方程见式(4)：

式中：

Ui、Uj——雷诺时均值；

U——时均值；

Xi、Xj——坐标。

2.2 分配特性评价指标

本文引入了数理统计上的修正样本方差 S2，反映了测量数据的离散程度，能够体现不同封头结构对出口通道流体分配不均匀情况。S2值越大表示分配均匀性越差，反之分配越均匀。S2计算公式为：

式中：

n——通道数，此处为10；

mi——第 i个封头出口通道的质量流量；

3 计算区域与边界条件

导流结构封头的几何模型为对称结构，选取的计算区域为除挡板和导流板之外的区域，包含入口和出口。基于商用软件ANSYS 中的FLUENT进行流动模拟，建立了包括FLUID、INLET、WALL、DISTRIBUTOR、F LAP及OUTLET（10个通道）在内的计算部分，网格总数为690,843。

由于传质计算涉及到壁面气泡的作用，网格划分受到壁面附近最小网格大小的制约，因而适当加密壁面附近网格对于保证传质计算的准确性有着重要的作用。

导流翼封头和多级导流结构封头均采用相同的建模方法。模型使用ICEM网格划分软件中的非结构性四边形网格，针对网格独立性进行验证，在保证网格质量的前提下，试验不同网格数量来检测封头同一出口通道的质量流量变化情况，结果表明网格数量超过600,000后，同一出口质量流量几乎不发生变化。综合考虑模拟精度和计算资源，最终选取基准网格尺寸不超过过0.2 mm，不小于0.1 mm，并对档板和导流板壁面边界层进行了4层网格加密，第1层网格高度为0.01 mm，可以保证模拟精度。

数值模拟均采用realizable K-ε 作为层流模型，通过有限容积法对层流流动的各控制方程进行离散化，其中对流项与扩散项的离散采用混合格式。由于流体是不可压缩流动，压力和速度耦合采用SIMPLE算法，通过Least Squares Cell Based压力梯度计算控制方程中的导数项。

计算模型中，流体进口温度取为300 K，入口条件设定为速度边界条件，出口条件为压力出口，给定进口雷诺数 Re=1×103，出口背压P=100 Pa，外围边界绝热且无速度滑移。在求解过程中，连续性方程、动量方程和能量方程收敛残差取为10-3。

4 不同结构物流分配特性的对比

4.1 速度分布模拟结果及分析

基于导流翼封头模型和多级导流结构封头模型进行模拟验证，速度分布模拟结果如图4所示。

由图4(a)可知，对于导流翼封头结构，中间股流速过高的流体经由导流翼得到缓冲，两侧大股流体经由导流翼通孔速度迅速下降，而中间通道和最侧边通道流体依旧保持较高流速。

由图4(b)可知，对于多级导流结构封头，经过一级导流板的分流使流体流速分布趋于均匀，而且有效减弱了射流区对封头的冲蚀。

对比结果表明，多级导流结构封头相比导流翼封头一定程度上减弱了中心高速流体的冲击，速度场分布更为合理。

4.2 流体分布模拟结果及分析

本文将多级导流结构封头与已有的导流翼封头的流体分配情况进行对比，得到的流体分布结果对比如图5所示。

由图5(a)可知，带导流翼的优化封头虽能改善不带导流结构的原始封头的物流分配特性，但随着流体速度的提升及流型改变，边缘通孔未起到分流作用；由图5(b)可知，多级导流结构封头由于多级导流板与档板的共同作用，流量能够均匀分配至各个通道。

图5 导流翼封头和导流结构封头流体分布结果对比

4.3 出口质量流量计算分析

由前述模型进行数值计算，可以得到两种封头不同通道的质量流量。不同形式的封头出口流量对比如图6所示，其中导流翼封头和多级导流结构封头的出口流量由数值模拟计算得到，不带导流结构的原始封头的出口流量由文献[15]中的数据得到。

由图6可知，不带导流结构的原始封头的出口流量分配最不均匀，导流翼封头和多级导流封头出口流量分配趋于均匀，且多级导流封头均匀性最好。

根据式(5)计算得到，不带导流结构的封头、导流翼封头和多级导流结构封头的出口通道质量流量的样本修正方差S2分别为0.03798、0.02125和0.02039，3种封头的分配不均匀度对比结果如图7所示。

计算结果表明，在出口通道流量分配的不均匀度上，多级导流结构封头较原始封头降低了46.3%，较已有的导流翼封头降低了4.1%，提高了物流分配的均匀性。

图6 三类封头出口流量对比

图7 三类封头分配不均匀度对比

5 结论

1）提出一种用于板翅式换热器物流均匀分配的多级导流结构封头，在不带导流结构的原始封头的基础上，通过增加四级导流结构，包括流线型导流板和挡板，其中末级结构不包括挡板，导流板夹角为140°，来实现入口流体的均匀分配。

2）本文提出的多级导流结构能够提高出口通道的物流分配均匀性，对比分析结果表明，多级导流结构封头内流体的分配不均匀度较不带导流结构的封头降低46.3%，较已有的导流翼封头降低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

*胡海涛（1978-），男，博士，副教授，博士生导师。研究方向：多相流与强化传热、换热器优化设计。联系地址：上海市东川路800号，E-mail：huhaitao2001@sjtu.edu.cn.