试析铝制板翅式换热器导流结构的优化设计

任红艳

（贵阳铝镁设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081）

作为一种导流结构，铝制的板翅式换热器兼具了铝金属质量小、导电性能好、体积密度小、多场景适用等特征。因此，铝制板翅式换热器导流结构也广泛运用在石油化工企业、空气分离、航天电子等领域。针对铝制板翅式换热器导流结构特征和换热性能，国内外科学家都有深入研究。通过分析其结构特点和使用性能，对改进设备产品技术有促进意义。

1 铝制板翅式换热器特点

板翅式换热器最先由美国研制，1942年，美国科学家诺利斯研发出了相关传热因子和雷洛数的关系，并对平直、钉状、波纹等类型翅式传热性能进行研究。随着该项技术的大力运用，美国将板翅式换热器研究和船舶、海军、航空等联系起来，加深了对该项技术研究。近年来，随着我国制造业技术的发展，铝制板翅式代替了传统金属的管壳式结构，而其总质量占比仅仅为其1/10，且其传热效果非凡，是传统金属的5~10倍。因此，铝制板翅式换热器正在不断地被运用到各类化工、天然气液化领域中。

2 铝制板翅式换热器导流结构原理

2.1 铝制板翅式换热器导流工作原理

铝制板翅式换热器导流结构在常规上属于肩臂式换热器，该项结构有着二次传热的特征，它能让相关流体按照翅片方向进行传热，利用隔板进行疏通，实现高温介质向低温介质传导。由于翅片长宽比和厚度特点，翅片导热过程会存在热阻问题，这点需要改善优化。

2.2 常规板翅式换热器结构

板翅式换热器需要以下4个部件，现将相关功能和运行作用简述于下。

（1）翅片。翅片是铝制板翅式换热器基础组成之一。在传热过程中，翅片将传热区域面积扩大，实现了各个热传导和流体之间对流传热。通常翅片间距为1~4mm，翅片类型多样，结合运用环境不同多波纹、平直、百叶、钉状翅片等。

（2）隔板。隔板主要是隔断翅片，其主要成分是钎料金属，能实现相关热交换，厚度为1~2mm。

（3）封条和封头。封条顾名思义，主要是起到了绝缘体作用，使导热介质和周围外界分开，有利于隔板组合能够形成缝隙，方便溶液焊接。封头作用是分布和聚集介质、链接相关工艺管道。

（4）导流片。导流片是整个结构的核心部件，一般放置在翅片两侧，其通过“指挥”流体进出导向，实现流体在内部均匀传热，提高传热、换热效率。

2.3 铝制板翅式换热器导流结构质量控制

设计、检测、精细化是保障铝制板翅式换热器导流结构质量控制前提。在设计运行时，该部件质量需要经过零件质量检查和成品性能检查。对于零件质量检查而言，需要相关人员观察部件外观，检查其几何形状和尺寸，并测验钎焊质量、相关部件尺寸是否在允许范围内，有无损伤。同时，技术性能检查还需要对该设备清洁度、干燥度、串并联组合化热器流体流动性进行测试。而流体流动性能均匀性、稳定性也是决定质量程度直接因素，这对实践运用中的真空检漏、装运测试、氦质谱检有着直接影响。结合相关设计需求，以强化性能和产品质量为重点，分析旁进式和顶进式两大主流类型，在计算机技术和物理数值模拟背景下进行以下优化。

3 试析铝制板翅式换热器导流结构优化设计

在运用该项技术时，也需要相关人员对其性能进行优化改造，如物流分配会影响换热器效能下降，同时导流角度、导流片结构也会改变导流质量。集合CFD理论技术和有限元Flunet软件分析，对多种导流片进行数字对比分析，试析如下。

3.1 多类型产品物理数值模拟分析

本次设计对比分析了某一导流片层通道截面模型，对不同的结构如旁进式、顶进式中多孔、锯齿类型等进行了二维物理处理分析。

3.2 数值计算设计

结合相关有限容积和控制方程式计算，在同位网格Simplec算法和离散非耦合显/隐式、耦合显/隐式、技术下，需要运算环境和资源存在差异，隐式技术速度较快且非耦合算法占用内存小，因此模型计算采用非耦合隐式算法。

（1）计算方程。

（2）相关条件。①出入口条件：需要自动进口速度场和出口压力场；②壁面：确定值为无速度滑动，且确认壁面速度为“0”；③流体：为液态水；④收敛条件：要求残差值控制在10-4内。

3.3 模拟设计分析结果

顶进式导流相关模型试验结果分析如图1所示，其中b模型的导流角度要比a大，且整体的流动均匀性和速度控制较好，可见b模型有着较好的稳定性和导流性。

图1 顶进式导流结构模型对比

根据相关模拟导流性能结构对比可知，旁进式导流结构a、b模型阶段速度分布较为发散，而c、d比较集中。由于导流处压力降在导流中的动态当量长度和通道当量直径有直接联系，在4个模型通道当量控制一致时，相关效果呈现存在差异。在其中，d模型出口速度最佳，在流体中较为均匀且流体转弯次数较少，符合设计中稳定性和均分性要求。可见，经过对比，在旁进式中d模型最为适用。

通过分析以上可知，结合我国NB/T 47006—2009《铝制板翅式热交换器》处理要求，对常见两种类型——“旁进式”和“顶进式”板翅片导热结构进行了分析。作为一种导流结构，铝制的板翅式换热器有质量小，导电性能好，体积密度小特点，在CFD有限元数据模拟Fluent研究下，对4种旁进式、2种顶进式模型进行了细致分析。并在一定环境条件如边界约束、流体设置下模拟了相关模型速度场和压力场，对各个流体结构中影响结构稳定性和均匀性进行探讨。对比可知，铝制板翅式换热器导流结构中，当导流角度较小时，流体会面临着一定流动风险，导向流动难度增加，降低流体分布稳定性和均匀性；若有着较大导流角度，可以提升整个设计的均衡性。经过数值对比分析，同等条件下，等压和流量中，“旁进式”中d模型有较好的均匀性和稳定性，导流性能好。而在“顶进式”中，b模型导流效果优于a模型。

4 结语

综上所述，笔者对铝制板翅式换热器导流结构优化设计进行了分析，在分析不同“旁进式”和“顶进式”内部网构和部件特性的同时，也对操作原理、稳定性、均匀性运行方面进行了分析探究。通过利用计算机技术有限元数字软件Fluent进行了分别对比计较，对比探讨出了适合铝制板翅式换热器导流结构优化的模型。