板翅式换热器的结构优化

板翅式换热器的结构优化
发布时间：2022-05-23T06:19:33.456Z 来源：《中国科技信息》2022年第2月第3期作者：倪艮丹
[导读] 板翅式换热器是一种高效、传热效率高的换热设备。

由于结构紧凑
倪艮丹
杭州中泰深冷技术股份有限公司 311400
摘要：板翅式换热器是一种高效、传热效率高的换热设备。

由于结构紧凑，重量轻，成本低。

它还具有提高传热表面利用率，减少整个换热器与周围环境之间的交换的优点。

板翅式换热器因其诸多优点而得到广泛应用。

目前，我国板翅式换热器的设计方法工作量大，可靠性低。

下面本文讨论了如何优化板翅式换热器的结构。

关键词：板翅式换热器；流量分配；理论模型；数值计算；结构优化
1板翅式换热器结构概述
自1930年Marston Excel Sior公司首次开发板式翅片换热器以来，经过80多年的发展，已得到广泛应用。

由于其传热效率高、适应性强、制造工艺复杂，国内外对其进行了理论分析、实验研究、优化设计、工艺改进和新材料应用等方面的研究。

板翅式换热器是最先进的换热设备之一，在我国，体积小，重量轻，高热效率，耐用性、适应性强的优点，设计成在传热管壳式换热器传热面积10倍以上的条件下，每单位体积的流体和传热面积相同，仅管壳式换热器的重量为15-20%，可用于各种介质（气体和气体，气体和液体，液体和液体）、传热和相变凝结和蒸发，因为它的许多优点，已广泛应用于空气分离、石油化工、航空航天、电子等领域，原子能，导弹、车辆、船只（燃气轮机）、动力机械、机床、冶金、油冷却器制冷，而热能的利用，余热的回收利用，在较低的原材料成本和一些特殊用途下取得了显著的经济效益，传统设计方法的板翅式换热器是首选，冷却介质的流动和换热面，然后假设几何尺寸进行多次试验，直到满足换热器的所有约束条件，称为试验误差。

换热器由该方法设计的质量通常依赖于设计者的经验，工作量很大，和解决方案只有一个可行的解决方案，而非最优解随着科学和技术的发展。

越来越多的人希望利用现代手段在一个给定的换热器换热，同时满足所有的约束具有更好的特性优化设计是在给定约束下选择换热器的类型和形状，为了达到理想的最佳状态（如最小体积、最小初始投资、最小运行成本等），热交换器的综合性能涉及许多相互约束关系的热力学和几何参数。

换热器的优化设计可以克服传统设计方法的缺点，提高设计质量，缩短设计周期。

2板翅式换热器存在问题
板翅式换热器（图1）主要由进口管、进口封头、换热器芯、出口封头和出口管组成。

其结构尺寸为：进水管直径200mm，长度
176mm，进水封头直径308mm，长度905mm；流体通道的宽度为19 mm，长度为308 mm；出口管的直径为200 mm，长度为246 mm。

图1优化前的板翅式换热器物理模型图
由于进入各层中的板翅式换热器的通道的流体的不同流动模式，三个通道中的流动是不同的。

径向通道流是最大的，其次是环形通道流、涡流通道流是最小的。

进气管附近通道内的流速通常比头部末端涡流槽通道内的流速大一个数量级，各通道内的流速随进气管速度的增大而增大。

因此，板翅式换热器横向流动存在严重的不均匀分布，影响了换热器的传热效率。

考虑到锥形分配器可以实现均匀的分配和收集，不影响板翅式换热器的流量分布不均匀，只模拟了换热器的结构，包括进口管和出口管。

保持流量的热交换器的核心是一样的。

与原始模型相比，进口和出口管的数量和直径是不同的，而其他的大小保持不变。

3板翅式换热器的结构优化
增加进口管道数量，减小进口封头长度与进口管径比的优化方法为：首先，采用锥形分布器将进口流体均匀分布成多个流动，然后通过多个进口管道流入进口封头。

当出水管数量超过1个时，同样的锥形分配器结构也可用于二次收集。

选定的优化参数包括：端部进气管A的相对位置，分别为0、0.033、0.066、0.099；进气管道的数量n等于3,4、5和6。

出水管个数为M，取值为1、3和5。

优化方法是控制单一变量的方法。

例如，当进气管道的相对位置进行了优化，入口管N和M出口管的数量保持不变。

对优化后的板翅式换热器进行了优化，得到了优化后的参数组合。

选择天然气液化生产中的实际工作介质进行模拟计算。

气相和液相的密度是17.02公斤/立方米，558.80公斤/立方米，气相和液相的黏度是1.056×10-5Pa / s，液相速度为1.578×10.0 -0.4 pa / s和0.5 - -0.4 pa / s，分别。

3.1数学模型和边界条件
在实际应用中，流体从进口歧管进入板翅式换热器后，通道的等效直径发生多次变化，流动状态为湍流。

采用标准K -ε模型模拟近壁湍流。

在不考虑传热和相变的情况下，采用标准壁面函数法模拟近壁面湍流。

模型的边界条件为：入口为速度入口；出口为压力出口；热交换器的壁是绝缘的并且不会滑动。

在优化结构，当进口管道或出口管的数量不是1，每个入口管或出水管设置相同的边界条件。

3.2网格独立性检验
由于网格细胞的数量会影响流利的数值模拟结果的准确性，测试应该进行网格独立性。

以单进单出板翅式换热器为例，采用三维结构网格对板翅式换热器进行网格划分，网格在靠近壁面处进行加密，当网格数量达到109×104左右时，可以保证数值模拟结果的准确性。

3.3优化示例
两侧有平翅片的逆流式空气－水热交换器。

参数如表1所示。

多岛遗传算法参数设置：亚种种群大小为10，亚种种群数为20，进化代数
为40，复制概率为0.9，杂交概率为0.9，变异概率为0.01，迁移率为0.2，迁移间隔为4.5。

表 1 初始参数
3.4优化结果
由表2可知，优化后的换热器核心尺寸变化较大，翅长、翅高增大，核心宽度增大，效率提高7%，质量降低24.1%，大大节约了资源，提高了经济效益。

总之，本文中使用的优化算法代替试错方法是有效的，不仅提高了设计质量，而且还可以节省时间和人力，并提供一个可靠的换热器设计方法。

由于研究的局限性，数值模拟可以用来帮助未来的板翅式换热器的设计研究和分析数值模型，以找到一个更好的设计方法。

表 2 优化结果
参考文献
[1]张廷波. 可拆式板式换热器静压变形数值模拟与分析[J]. 石油机械，2017，45（12）：111-114.
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