换热器入口段结构优化设计探析

宋康

摘要：伴随我国换热器生产制造工艺不断创新，其入口段结构优化设计已经作为现阶段我国换热器功能稳定重要核心保障，其重要性不言而喻。通过近年来大多研究发现，入口段结构优化设计的科学性与合理性对解决换热器流动不均匀性问题至关重要。本次研究从换热器入口段结构入手，对换热器入口段结构优化设计进行分析，为下一步工作开展提供依据参考。

关键词：换热器;入口段;优化设计

0  引言

换热器在工业生产过程中应用极为广泛，换热器既可是一种单元设备，如加热器、冷却器和凝汽器等;也可是某一工艺设备的组成部分，如汽车水箱配套的换热器。换热器入口段结构是当下影响换热器功能发挥及安全稳定的重要问题之一，具有较大的意义影响。然而现阶段有关换热器入口段结构优化设计研究相对较少，基于该问题现状，要求行之有效的方法对其进行分析研究，如换热器概述、换热器存在主要问题、国内外相关研究内容及方向、换热器封头内部流动仿真分析等。本次研究对换热器入口段结构优化设计进行分析，有十分重要的理论意义。

1  换热器概述

换热器在当下我国各行业领域都较为常见，其应用领域也较为广泛。换热器主要是指将内部热流体中的热能量进行有效传导及输送，主要将热量传输到冷流体设备中去。换热器也被称其为“热交换器”。通过对相关资料分析后发现，换热器主要应用涉及领域较多，以能源动力、石油化工、食品加工及工业生产方面最为常见。另外，换热器不是单一片面的简单流程，而是更为科学、合理的系统布局。从换热器功能及稳定性角度出发，通过对换热器进行深入研究十分关键[1]。

2  换热器存在主要问题

换热器在实际运行过程中必然会遇到这样或那样的实际问题，其中以内部流动不稳定、均匀性失调最为显著，导致其内部热流体出现不均匀情况诸多。另外，因换热性能恶化等因素造成的问题也极为常见。换热性能恶化是指该换热器在实际运行当中可能受到外因、内因等问题影响，造成其整体性能降低。基于这种情况主要以换热器导流片、封头等相关入口段主体结构为方向，对其进行系统设计、全面优化。通过分析后发现，将换热器入口段中的主体结构同造成流动不均匀因素进行连接十分重要，这也是较为高效的分析处理手段之一。利用相关设备，加强封头内部流动的系统分析，如采用CFD仿真技术对其进行分析[2]。可以对该导流片倾斜角及相关高度的正确比等、结构参数等进行掌握，进而对流动不均匀性对换热运行的实际影响进行明确。根据该数据信息，拟建设置封头主体结构参数、换热效率间及导流片结构参数等整体关联模型。同时在设计目标方面应该以该换热损失最小值为主。对传统封头、改进二次型封头、二次型封头等相关形式入口段主体结构参数进行全面优化处理。通过试验后发现，改进二次类型封头其内部流动出现不均匀情况较少，且该型号换热效率颇高，可以作为换热器入口段结构最佳选择[3]。

3  换热器入口段结构优化设计相关研究

3.1 国外关于换热器入口段结构优化设计研究

基于换热器存在的实际问题，相关国内外专家都对其进行过深入研究。主要以改进型二次封头为主要核心，其目的是缓解该入口段出现流动不均匀等情况。根据实际改善要求研制出了具有均匀交错功能的小孔挡板形状封头，对处理与优化该换热器入口段出现的流动不均匀情况十分有利。另外，也可以根据情况研制翅片横向旁通主体类型结构，主要是为了缓解其入口流动不均匀情况对换热器内部热力学性能的波及。通过对倾斜挡板、弓形折流挡板、螺旋折流挡板、改进螺旋折流挡板等进行比较分析[4]，发现这些结构类型封頭内部都具有一定的流动不均匀特点。同时经过试验后发现等间距螺旋折流挡板当中的封头主体结构与其他类型相比，其换热性能较为稳定。国外很多专家都提出了封头主体结构参数、工况具体参数等都与换热器内部所产生的流动不均匀情况密切相关，这就需要对封头结构进行全面创新设计，将工况参数、结构参数二者的匹配性进行优化。这样也会对优化换热器内部所出现的流动不均匀性情况起到积极作用。很多专家学者也相继提出对孔结构、喷嘴结构等进行优化也可以有效缓解封头内部流动不均匀等情况。通过选择孔结构后，发现该流动不均匀性已经得到明显降低，已经达到传统型号封头的2/12。而通过对喷嘴结构的使用，发现流动不均匀已经降低为传统型号封头的4/15。

3.2 国内关于换热器入口段结构优化设计研究

我国很多专家学者也对其相关内容进行深入研究。例如部分专家提出了入口管管径出口、相关封头出口截面直径与其二次封头出口截面直径的互相影响。三者对换热器内部组织热流体的均匀配置也造成较大波及。如此时当量直径比是2时，其换热器内部热流量截面当中的物流配置尤为均匀。同时也发现这种不不均匀的流动情况也主要为封头与导流片二者结构之间的不匹配而造成的最终结果，但当下我国研究这主要对封头及导流片等进行独立性分析研究，主要以优化温度均匀效应、流速均匀效应为目的的封头优化设计为核心[5]。当然也对有利于流动不均匀情况最小机率形成的导流片主体结构参数等进行设计。可其弊端性是不具备对封头及导流片主体结构的研究分析，缺乏二者与流动不均匀情况的具体关联性设计。也不能综合性、全面性对入口段主体结构参数进行设计优化，如该设计会对流动不均匀情况起到何种积极性影响等[6]。

4  换热器封头内部流动仿真分析

本章节主要针对换热器封头内部的热流体流动效应及情况进行仿真分析，当然对该仿真分析的入口端结构进行呈现，如图1。

通过对图1观察后发现，该封头主要以水平半圆柱型形状流道为主，同时关联到一个竖直圆柱流道。分析后发现大体结构为：第一、该入口管当中的直径应为220mm、且封头呈现瓜皮式形状结构，其半径为90mm、长度大概为1350mm。通过分析后发现，可能问题出现在封头结构当中，对其流动性造成影响，进而出现不均匀情况。将计算温度进行抛出，计算其封头组织内部当中的流动分布。选择常温为22℃的水当做工质，其密度为ρ、黏度为μ、甚至定压比热容Cp等相关参数为常数。该热流体可以采用均匀入口方式缓速融入封头，途径该封头后侧处输入到导流片当中去。分析后发现该封头组织内部当中的主要整动区域如经过有效优化处理，对稳态湍流形成十分有利。该换热器封头组织内部流体流动主要为“三维稳态常物性”，具有一定的不可压缩特点，同时对其体积力进行有效忽视。所以，可以在计算模型方面选择较为标准的k-ε方法模型。并利用有限体积法，即离散式控制方程。在速度和压力耦合方面建议SIMPLEC计算方法，且相对收敛条件应位残差绝对值小于，即10-5。

5  从技术培养方面出发提升结构优化设计

基于换热器存在的实际问题，在对其入口段结构设计当中需要采用结合性、针对性方法。将技术培养作为优化结构设计的重要方向是指，在设计过程当中相关技术人员需要对换热器内部热流体运行情况做好相关观察、记录[3]。如在此阶段发现该换热器内部流动出现与其正常值不符等情况，甚至持续走高，需要对是否存在入口段故障进行排查、检测。如出现故障问题则需对消耗、磨损构件进行及时替换。如下，第一、加强对换热器入口段故障及问题的检测、维修力度，建立精细化检修机制，在入口段优化设计当中需要结合实际问题进行针对性开展，对相关数数值指标等进行核算。即量化、细化设计，做到防范于未然。第二、进行责任明确，构建换热器入口段结构设计方案流。可以采用数字建模形式对其进行侧重分析，系统演示。并由相关设计责任人进行签字，且做好相关记录，如发现问题后需第一时间内进行责任追查，确保其有依可寻[7]。

6  結论

综上所述，通过对换热器入口段结构优化设计进行分析研究，从多方面、多角度对换热器入口段结构优化设计研究及内容进行阐明，并对其影响问题进行论述。结合实际情况及发展需求，提出相关研究核心，主要包括：换热器概述、换热器存在主要问题、国内外相关研究内容及方向、换热器封头内部流动仿真分析、从技术培养方面出发提升结构优化设计等，将优化换热器入口段结构优化设计的核心要点进行论述，为下一步工作进展打下基础。

参考文献：

[1]古新，郑志阳，罗元坤，等.基于正交试验的扭转流换热器壳程结构优化[J].化工进展，2019，38（4）：1-2.

[2]张承虎，魏继宏，范丽佳，等.管束式换热器导流结构数值模拟研究与优化设计[J].河北工业大学学报，2019，7（3）：2-3.

[3]孙洪峰.薄管板换热器的拉杆固定结构优化设计[J].化工设计，2019（3）：32-34.

[4]许宝军，刘克为.太阳能发电系统中发夹式换热器的设计[J].电站辅机，2019，12（2）：12-13.

[5]刘策，贾力，张旋.R134a在风冷分液式冷凝换热器中的换热性能研究[J].工程热物理学报，2019，4（7）：14-15.

[6]利梅，聂毅强.裂解汽油加氢二段进出料换热器型式及应用[J].石油化工设备技术，2019（3）：13-15.

[7]周浩宇，李谦，刘前，等.螺旋式升管换热器热工过程仿真分析与优化[J].工业炉，2019，5（4）：12-14.