热交换器换热系统的性能计算

张轩 王家喜

摘 要：板翅式热交换器是一种高效、紧凑的热交换器，在风力发电、工程机械、空气压缩机以及航空换热等领域有广泛的应用。本文通过理论分析，建立模型并应用软件模拟设计热交换器换热系统的使用工况，通过试验验证，找到了一种快速设计换热器系统的方法，对提升热交换器换热系统设计能力起到很好的辅助作用。

关键词：热交换器;传热;并联;串联;风洞试验

0.绪论

板翅式热交换器是一种高效、紧凑的热交换器，在风力发电、工程机械、空气压缩机以及航空换热等领域有广泛的应用。如何快速有效的确定设计方案，设计出系统所需要的最佳换热系统是换热器设计的关键【1】。应用软件模拟设计热交换器换热系统的使用工况，能够极大地减少设计时间，同时找出最佳设计方案，对提升热交换器换热系统设计能力起到很好的辅助作用。目前常用是的方法是依据计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD），通过计算机数值计算和图象显示的方法，在时间和空间上定量描述流场的数值解，从而达到对换热性能计算的目的。

1.影响热交换器换热系统的因素分析

影响热交换器换热系统换热系统性能的因素有很多，对于其换热能力的评价，常常通过如下公式体现，Q=K*F*ΔTm  ，其中Q为换热量，K为传热系数，F一般为冷侧的有效传热面积，ΔTm  为冷热侧的对数平均温差【2】【3】。以空气冷却热交换器换热系统为例，在换热系统设计过程中，设计的关键是确定传热系数K，一般使用正交试验的方式进行验证，在有限次数的试验或者模拟过程中，找出影响传热系数变化最大的关键因子。在特定的实验条件下，对于标准件的传热系数K，主要的影响因子就是冷边流量、冷边结构和芯体厚度，其中“冷边流量”对传热系数的影响表现最为突出，因此，冷边流量的设计在热交换器设计过程中就显得至关重要。

在空气冷却热交换器的设计中，冷边流量通常由风机或者马达驱动风扇作为冷源，实际在应用过程中，受到主机装机空间的限制，对模块化设计的热交换器来讲，如何布局冷源和换热是换热系统的设计关键。

2.换热系统布局的风量分析

2.1串联方式布局的热交换器系统风量分析和计算

串联热交换器的风量计算：对于串联热交换器的风量计算，因为通过热交换器的风量一致，所以，通过前后热交换器的风阻曲线的叠加，就可以求出串联模型的风阻曲线，其与相配风扇的静压曲线相交的交点即为该串联模型下的风量。

2.2并联方式布局的热交换器系统风量分析和计算

对于并联方式的热交换器，热交换器的前后压差一致，其计算程序步骤如下：

第一步：通过实验或者模拟得到单个热交换器芯体的风阻曲线;

第二步：计算每个芯体的自由流通面积，并得出每个芯体的面积权数;

第三步：通过计算得到并联模型的风阻曲线;

第四步：与相配的风扇的静压曲线相交，形成交点，得到并联模型的风量与风阻;

第五步：通过上步得到的风阻，计算出通过每个热交换器的风阻曲线计算风量。

对于面积权数的计算，即各个芯体自由流通面积占总自由流通面积下的百分比。如两种芯体，分别为A和B，A的自由流通面积为FA，B的自由流通面积为FB，所以芯体A的面积权数：FA/（FA+FB），芯体B的面积权数：FB/（FA+FB）。现以A类型翅片与B类型翅片分别制造的热交换器A和B为例：

①通过模拟和实验得到A类型翅片与B类型翅片的风阻曲线，通过拟合后得到：z1=f1（x）（ A类型翅片的风阻曲线函数），z2=f2（x）（ B类型翅片的风阻曲线函数），其中x代表自由流通面积下的流速;

②计算得到芯体A和B的自由流通面积，A的自由流通面积为FA，B的自由流通面积为FB，所以A的面积权数：FA/（FA+FB），B的面积权数：FB/（FA+FB）;

③并联模型的风阻曲线即为：Z= （FA/（FA+FB））*Z1+ （FB/（FA+FB））*Z2;

④与相配的风扇的静压曲线相交，形成交点，得到并联模型的风量Q与风阻Z;

⑤由风阻Z代入到z1=f1（x）（ Bst1B翅片的风阻曲线函数）和z2=f2（x）（ Bst4B翅片的风阻曲线函数）中，通过单值变量求解得到通过A和B的自由流通面积流速，然后与相应的自由流通面积相乘，即得到通过各个芯体的流量Q1和Q2。

3.基于Fluent模拟对并联方式下风量分配的验证

3.1串联方式布局的风量模拟

由于串联结构，由于模型简单，在不考虑热交换器之间的风量泄露量的假设前提下，可以使用曲线拟合的方式，拟合出风阻与风量的变化。

3.2并联方式布局的风量模拟

由于该方式与热交换器翅片结构类型有关系，计算复杂，本文主要针对并联型布局的换热系统进行模拟，并拟合对应风阻和风量变化曲线。

现以A类型翅片与B类型翅片为试验样件，首先进行每个翅片结构的风阻模拟，然后将两个模型合并，模拟整个模型的风阻情况，并最终将模拟数据与通过上述方法计算的数据进行对比，从而验证并联方式布局风量计算的正确性。

通过面积权数的方法进行并联方式的风量分配是有效地。

4.并联模型的测试验证

制造散热器A1（外形尺寸400mmx400x94mm，翅片型号A）和散热器B1（外形尺寸400mmx400x94mm，翅片型号B）样件，进行并联风量测试，比较通过面积权数计算的并联模型每个散热器风量与测试差异，验证理论方法的准确性。

通过测试分析散热器A1与散热B1并联风量数据，通过面积权数计算的并联模型的流量与测试风量误差2%以内，说明采用该理论计算不同散热器并联时每个散热器分布流量准确性较高。

5.结论

本文通过计算、模拟等方法，得到了通过面积权数的方法对串并联方式下热交换器的风量计算，为热交换器换热量的准确计算，并最终满足客户要求提供了依据。

参考文献：

[1]钱颂文.换热器设计手册【M】.化学工业出版社，2002.8

[2]余建祖.换热器原理与设计【M】.北京航空航天大学出版社，2006.

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

作者簡介：

张轩（1982-），男，河南，汉族，研究生学历，高级工程师，主要从事铝质板翅式热交换器生产加工制造以及生产运营.