板翅式换热器的数值模拟研究

板翅式换热器的传热和流动阻力特性数值模拟研究
1课题背景及研究意义
1.1研究背景
随着科学技术日新月异的发展，作为换热关键设备之一的换热器也越来越倍受人们的关注，各种高效、节能的新型换热器应运而生。

板翅式换热器作为一种典型的新型换热器，以其独特的优点，占据了换热设备领域的一席之地，广泛的应用于能源、动力、化工、冶金、机械、交通、原子能、航空和航天等领域，并在利用热能，回收余热，节约原料，降低成本以及一些特殊用途上取得了显著的经济效益[1]。

板翅式换热器显著优点是传热效率高，紧凑轻巧，适应性大，可在200℃到绝对零度的温度区间内工作。

缺点是制造工艺复杂，要求严格，容易堵塞，不耐腐蚀，清洗检修较困难。

板翅式换热器首先应用于航空、汽车工业，早在1930年英Marston Excelsier公司就用铜合金浸渍钎焊方法制成航空发动机散热用板翅式换热器，20世纪40年代中期出现了铝质浸焊板翅式换热器。

1942年美Norris R.H.首先进行平直翅片、波纹翅片、锯齿翅片的性能研究。

20世纪50年代，板翅式换热器开始在空气分离设备中得到应用，这使得板翅式换热器的实验研究、设计制造得到有力得推动，板翅式换热器开始向大型化、高压、多种用途、各种材料的方向延伸。

近年来，对板翅式换热器的理论计算，优化设计，制造工艺以及实验研究方兴未艾，尤其是一些新技术的渗透，使其应用范围进一步拓宽，进入了一个新的发展时期。

国内外的研究指出：引起该类换热器性能下降的主要因素为物流分配的不均匀、轴向导热及温度场的不均匀，而三者中物流分配不均匀的影响是最重要的[2]。

由于流体从入口进入换热器内部经历了多次流通面积的变化，从大通道到微细通道流体流量多次分配，结果进入翅片通道后各通道之间、各流动层之间存在严重的不均匀现象，物流分配的不均匀导致换热的不均匀，因而成为板翅式换热器性能下降的主要原因。

对板翅式换热器的研究发现[3]：NTU在4～50范围内，由于物流分配的不均匀可导致换热器效能下降 3.5～9.54%。

如何保证与完善板翅式换热器优良的传热性能是换热器研究与设计人员的重要任务，对板翅式换热器的研究与改进，使其更能进一步体现这一高效换热器的优势，具有重要的工程意义与理论价值。

物流分配不均匀现象还存在于各类流动与换热设备之中，特别是热交换器和化学反应器中，由于在该类工业设备中存在着热量和质量的交换过程，流体分配的不均匀就意味着对传热和传质过程造成影响，甚至于恶化。

而由于传热和传质过程的存在，当温度场或者浓度场不均匀时也导致物理过程的不平衡，反而又会影响流体流动的不均匀。

如此的复合过程，交叉耦合，互相影响。

因此，研究物流分配均匀性分布必须和传热传质过程耦合起来，特别是局部的流场分布特征与微观的传热传质过程互相依赖。

此外，换热设备的入口结构对来流的流场分布起着至关重要的作用，来流的均匀性分布是保证换热设备内部流场均匀的前提。

对于不同的入口结构型式，不同的来流条件和流体特性，流场的均匀性也是不同的。

因此开展换热器物流分配的研究对于探明换热器内部传热与流动之间的相互依赖关系，搞清楚温度场分布与流场分布的内在联系，具有科学意义。

对于改善换热器结构，提高其换热效率，具有明显的社会和经济价值。

1.2课题研究的实际意义
2、本课题研究领域国内外的研究动态及发展趋势：
板翅式换热器是一种紧凑式的高效换热器，它具有结构紧凑、轻松、传热效率高等特点，广泛地用于石油化工、空气分离、低温工程、船舶、车辆及原子能等行业。

随着钎焊及真空钳焊技术的发展，工艺的完善，材料质量的提高及材料种类的拓展[1.2]，其制造成本不断下
降，甚至可以应用于一些家用电器，如空调、家用取暖设施等[3]。

目前国内板翅式换热器的制造水平已达到了国际领先水平，部分产品一出口国外[4]。

而且有关板翅式换热器的实验研究，软件开发也取得了一些成果；为了更好地与先进的制造水平相当，提高设计的效率、质量及设备的可用性，将计算机模拟与板翅式换热器的计算辅助优化系统相结合，有较高的使用价值。

国内外对于换热器的研究工作一直都很重视，随着能源的日趋紧张，环境保护要求的提高，换热器的研究也越来越受到各方面的欢迎和支持。

美国传热研究公司(HTR)I是一个国际性、非赢利性的合作研究机构，会员数百家，遍及全球，在传热机理、两相流、振动、污垢、模拟及测试技术主面作出了很大贡献。

近年来，该公司在计算机应用软件开发上发展很快，所开发的网络优化软件、各种换热器工艺设计软件计算准确，不仅节省了人力，提高了效率，而且提高了技术经济性能。

目前国内有近20家成为HTRI会员川。

英国传热及流体服务中心(HTFS)，隶属于英国原子能管理局。

该中心有会员数百家，长期从事传热与流体课题的研究，所积累的经验和研究成果不仅用于原子能工业，而且用于一般工业。

它在传热与流体计算上更精确，开发的HTFS、TASC各类换热器计算软件备受欢迎，国内有30多家企业成为会员〔”。

国内各研究机构、高等院校对传热理论及高效换热器的研究一直非常重视，走过了从引进、消化、吸收、发展到自主开发的历程。

在强化传热元件方面华南理工大学相继开发出表面多孔管、螺旋槽管、波纹管、纵横管等;西安交大在板翅式换热器研究方面已取得一定成果;兰州石油机械研究所开发出了折流杆换热器、高效重沸器、新结构高效换热器等一批实用价值高的系列高效换热器。

这些技术成果为国民经济的快速发展，为中国的炼油、化工业的发展起了巨大作用，也使中国的传热技术水平步入了国际先进水平”。

4国内外板翅式换热器方面的研究
1.4.1国外研究状况
国外方面，Prasad【‘0，“，‘2]在分析了板翅式换热器的换热机理之后，利用翅片换热的计算方法，对板翅式换热器建立了模型，这个模型同样适用于多股流，适用于不同的流动布置，能够计算板翅式换热器的温度场，获得流体的出口温度。

德国的一所大学universityoftheFederalArmedForcesHambu嗯和上海理工大学方面【‘3】合作建立了一个换热器的多股流一维数学模型，这个模型适用于顺流和逆流情况的换热器温度场，并且得到了分析解。

德国学者Fehele，KlaS，Mayinger等人利用全息技术和干涉技术对板翅式换热器的局部换热进行了研究【‘“】。

他们称在雷诺数等于2000时，流动是紊流。

他们对流道的结构进行研究，指出对特定的雷诺数，管道的弯曲半径越小，导热性能就越好。

但是出于体积因
素考虑(votumeGoodnesSfactor)，大的弯曲半径比较有优越性。

在强化紊流的研究中，他们指出，非错列布置的强化管有较好的传热性能，但是出于体积因素考虑，还是错列布置比较好。

对于如下这样一个板翅式换热器:
1.4.2国内研究状况
板翅式换热器是我国20世纪60年代自行开发的新型高效换热设备【‘一，】，以其优良
的性能，广泛应用于空分设备、石油化工设备、工程机械和宇宙空间技术等工业部门。

我国是继英、美、日之后第四个生产板翅式换热器的国家。

四十多年来，我国板翅式
换热器技术取得了显著进步。

我国板翅式换热器设计和制造技术水平的提高使得我国
在该项技术领域已经接近和达到了世界先进水平。

其主要表现在【‘5】:
(l)开发和编制了板翅式换热器设计热力计算的计算机程序，提高了计算精度和设计水平。

(2)无熔剂真空钎焊技术取代盐浴浸渍钎焊，使换热器制造公益技术进入世界先进行列。

(3)8.OMPa高压铝制板翅式换热器开发成功并出口到美国，标明我国制造技术水平已经接近和达到世界先进水平，已经具有与国际竞争的实力，开拓了国际市场。

但在板翅式换热器的开发利用方面，很少学者利用场协同的原理去研究板翅式换热器的效率。

到目前为止，作者还没有发现有学者对板翅式换热器进行整体建模计算
温度场和速度场。

西安交通大学【‘“一26，3‘】在板翅式换热器方面的研究是做了比较多的工作的。

焦安军，厉彦忠【‘6】等用FLLJENT商业软件对板翅式换热器的封头进行建模计算，计算出几种
情况下的封头的速度分布场;他们还研究了导流片的导流角对导流性能的影响【‘7]，发
现导流角为450时，导流性能最佳。

张哲，厉彦忠[l‘】等对导流片建立了控制方程，进
行了数值模拟，研究进口流速不均匀，开孔率以及开孔直径、导流角等对导流性能的
影响;并做出了一些改进，对改进的导流片，他们做了实验进行验证[9]，取得了一定
的成果;他们还用FLLJENT对封头进行了建模计算，提出了二次封头的概念[l6]，并
设计出了新型的封头，使得封头的导流性能得到改善。

西安交通大学技术研究所对导
流片的导流性能进行了实验研究，得出普通导流片物流分配不均匀参数和雷诺数的关
系。

焦安军等【‘“】还对不同导流片结构参数对导流片导热性能的影响进行了深入研究，
发现导流片结构参数对换热器内部流动速度分布均匀性的影响主要表现在总管流动
方向上，通过改变板翅式换热器导流片的结构参数可以有效地改善换热器内部物流在
总管方向上的分配情况，从而有效地改善换热器内部流动速度的分布。

刘永忠等[30】对板翅式换热器中的氮的冷凝和蒸发祸合传热特性进行了实验研究。

发现在一定的热流密度范围内，冷凝传热温差是蒸发传热温差的30%一60%，传热过
程的热阻主要在蒸发侧;随着热流密度的增加，两者差别缩小。

南京工业大学[27】对板翅式换热器封头的强度进行了有限元分析，经分析他们认
为:端板斜接式半圆形封头的极限承载能力最大，相对适用于中、低压操作工况;而平
端板半圆形标准封头的极限承载能力最小，相对适用于低压操作工况;斜端板半圆形
封头的极限承载能力略高于平端板半圆形标准封头，也只适用于低压操作工况。

广东省锅炉压力容器监测所和华南理工大学[28】以进口板翅式换热器为例，建立了
板翅式换热器封头的强度计算公式，并应用于板翅式换热器的检验，为该类型换热器
安全性评估的进一步研究提供理论基础。

东南大学和苏州三川换热器厂张小松等[29】在实验研究的基础上，将板翅式换热器
用于空调系统排风的能量回收，发现减少了新风机组的负荷45%一70%，他们建议广
大中央空调系统的使用单位采用该种热回收方式。

上海交通大学和现代华盖建筑设计有限公司[29]结合工程实例，分析了板翅式换热
器用在酒店系统中的节能效果和经济效益。

分析表明，在南昌地区酒店空调中使用热
回收设备，经济节能效果显著，投资回收期短，值得广泛应用。

在其他方面，还有对板翅式换热器系统进行cAD开发的[32一35】，在AntocAD下，
集成数据输入，数据处理和图形输出，用于工业使用，可以大大减少设计、绘图和文
件生产成本，使产品设计周期缩短。

板翅式换热器属于紧凑式换热器的一种。

早在1930年英国马尔斯顿·艾克歇
尔瑟公司就用铜合金浸渍钎焊方法制成航空发动机散热用板翅式换热器。

经过70
年的发展，目前板翅式换热器作为一种高效、紧凑、轻巧的换热设备，已在石油
化工、航空航天、电子、原子能、武器工业、冶金、动力工程和机械等领域得到
广泛应用，并在利用热能、回收余热、节约原料、降低成本以及一些特殊用途上
取得了显著的经济效益。

其主要特点是:传热效率高、紧凑、轻巧、适应性强、
制造工艺要求严格、制造研究开发费用高、结构复杂、工作压力温度有一定的限
制、易堵塞和被腐蚀、工质要求比较洁净、加工工艺复杂等特点。

近年来，板翅
式换热器的设计理论、试验研究、制造工艺、开拓应用的研究方兴未艾，特别是
一些新技术的渗透，使其应用范围更加广泛，进入了一个新的发展时期。

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2板翅式换热器的研究意义
换热器是热力系统的关键设备，其中高效率和紧凑性的研究成为近几十年来工程设计、理论研究人员追求的目标。

在不同的领域里对其研究的侧重面不同，这是因为在能源、化工等领域里，由于工程的需要，设备尺寸愈来愈大而且热功率也在相应增大，要求的工作压力在提高，但是由于两相流动、传热机理以及物流分配的不均匀性等问题限制了换热设备向大型化发展，，’。

同时随着航空及航天技术的需要，小型制冷机和汽车工业的发展，对换热器的性能提出特殊要求。

不仅对换热器的重量和体积提出了更高的要求，而且对换热器的效率及紧
凑性提出了近乎苛刻的要求。

因此，紧凑式换热器是随着工程的实际需要以及对系统性能的要求不断提高而发展起来的。

紧凑式换热器是指换热表面具有高的比表面积、大的Nu及高效的传热特性。

一个紧凑式换热器不一定是小体积小质量的，但是如果不具有高的比表面积，其体积与质量比会大的多。

紧凑式换热器尤其适合两侧换热系数相差比较大及流道布置复杂的场合lz]。

多年来，在换热器设计中唯一可获得的，具有足够精度的基本传热和流动阻力数据是针对圆管管内流动和绕圆管管束流动。

但是在汽车、航天器等许多的应用场合，都要求换热器尺寸小，重量轻。

为此发展了在传热特性方面比圆管管束更优的高效紧凑换热器。

但是由于缺乏基本传热和流动阻力数据以及对其机理认识不足，长期以来使其应用受到了一定的限制。

获得紧凑式换热器的试验传热数据和流动阻力数据，己成为制约紧凑式换热器发展的重要因素。

板翅式换热器为高效紧凑的换热设备之一，其主要传热元件是板间的翅片，流体在板间网状的流道内流过，在流速的作用下，激起强烈的湍流，在o.lmZ的范围内就可分布数目多达500的“涡旋”。

试验表明，当Re二200时板间流体已处于湍流状态。

根据传热学原理，当流体处于湍流状态时，很容易破坏流体边界层，大大减少热阻，从而有效地强化传热t3]。

国内外大量试验表明l’.5]，在相同的流速下，板翅式换热器比管翅式高3
一5倍，在相同的阻力损失下，板翅式换热器传递的热量是管翅式的6一7倍，板翅式换热器的面积可以比管式换热器小3一5倍，占地面积可以节省3一5倍。

正因为如此，板翅式换热器的研究才得以广泛的开展。

然而，截至目前为止，有关换热器翅片的建模方向的研究工作在国内还没有什么突破性进展，还没有什么相应的标准可查。

板翅式换热器的传热模型也只是局限于针对具体的换热器形式作传热学方面的一般热计算、热设计以及强化传热等方面的工作【6，，，。

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2板翅式换热器的研究现状
2.1板翅式换热器的结构和翅片形式
板翅式换热器的结构形式很多，但其结构单元体基本相同，都是由翅片、
隔板、封条和导流片组成，它是在金属平板上放一翅片(即所谓二次传热面积)，
然后再在其上放一金属平板，两边以边缘封条密封而组成一个基本单元，上下的
两块金属板称为隔板。

换热器的芯体是由许多这样的基本单元组成。

翅片是板翅式换热器最基本的元件，传热过程主要是通过翅片来完成，一部
分直接由隔板来完成。

翅片与隔板的连接均为完善的钎焊。

因此大部分热量经翅
片，通过隔板传给冷流体。

由于翅片不像隔板是直接把热量传给冷流体，故翅片
有“二次表面“之称。

美国加利福尼亚大学和埃姆兹航空试验室分别对没有板翅
的换热器和有板翅的换热器进行试验，结果表明:有翅片的换热器比没有翅片的
换热器体积减少18%以上。

假设设计的翅片效率最低为70%时，其重量也将减少
10%[‘、。

翅片的型式，到目前为止己出现以下几种型式:平直翅片、多孔翅片、锯齿
翅片、波纹翅片、钉状翅片、百叶窗式翅片、片条翅片。

其中常用的有平直翅片、
锯齿翅片、多孔翅片及波纹翅片。

图1一1各种型式翅片结构图
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2.2板翅式换热器设计理论
1.表面特性及选择191
板翅式换热器中的传热过程主要是通过翅片来完成的。

美国斯坦福大学的
Kays进行了较系统的试验研究，总结出40多种翅片形状的板翅式换热器传热和阻
力关联式。

shah对平直翅片的研究表明，宽高比较大的矩形通道流道品质(j/f)
优于三角形(正弦形)通道。

Joshi和’webb对锯齿翅片的表面特性进行了研究，提
出了一系列关联式。

锯齿翅片传热特性随切开长度而变化，切开长度越短，传热性
能越好，但流动阻力也增加。

Goldstein和Spalrow应用传质模拟方法对波纹翅片进
行了试验研究1101，发现对低Re层流(当Re=1000时传热量提高25%)，波纹翅片引
起传热强化很少;而对低Re湍流具有明显的强化效果(当Re二600~800时传热量
提高200%)。

多孔翅片亦属于高效翅片，Shan通过多种多孔翅片表面传热、压降
和流动特性试验，提出了一些可供设计参考的结论。

总之，可供使用的多种翅形j
因子和厂因子数据已有不少，但可供设计计算使用的拟合关联式却很有限。

因此，
应用计算流体力学(Co哪utationalfluiddynamies，简称CFD)、流动可视化技术和
模拟测试来研究翅片流动和传热的本质，并建立j因子和f因子数据库将是今后
十分重要的工作‘，，，。

2.传热和流动分析
板翅式换热器传热分析一般采用传热单元数法(。

一NTU)，该法为便于手工计
算，作了一些理想化的假设，这些假设条件有时会对换热器的设计产生显著影响，
因此必须考虑进行修正。

如传热计算中确定流体物性的单一温度值，在冷端温降不
是很大的情况下，可用平均温度计算物性‘，2j。

但若流体物性变化很大，则应将换热器
按能量平衡分成几部分，假定各部分内的物性为一常数。

温度对j和f的影响有时
也需考虑，如j和f试验数据通常在常温下获得，用于高温时就要修正。

物流不均匀
会引起板翅式换热器性能显著下降，特别是刃了U大的板翅式换热器尤甚。

简单的总管分配不均匀性分析通过解析方法完成，如两股流板翅式换热器‘，，，。

复杂的只有通过数值计算方法来分析传热过程，如Chiou研究了两种情况下流量分
配不均匀性对单程错流换热器热工性能的影响。

对通道间物流分配不均匀的研
究，London采用单通道模型对低Re层流状态下的情况进行了理论分析。

后来又将
该理论分析推广于N通道模型分析【，“。

W七imer等就不均匀流体分配对多股流多通
道换热器性能影响进行了研究。

对两相流问题，不均匀分配问题显得尤为突出【”·，6，”，，物流的不均匀分配使得板翅式换热器严重偏离设计工况。

综观国内外学者的研究，
较多是定性的，离设计应用仍有很大距离，因此物流不均匀性问题仍是中外学者研
究的一个重要方向。

多股流板翅式换热器目前研究的重点在通道分配及通道排列
问题上，对于这方面的研究还不充分，从来没有形成一个较为一致的原则来指导设
计通道分配及通道排列。

因此，对多股流换热的物理模型和计算方法等还有待于进
一步研究。

板翅式换热器表面可以在沸腾与冷凝的工况下提供很大的换热系数，但相对
于单相流的传热和流动，两相流传热机理研究还很不够，目前公开发表的关于板翅
式表面在相变和两相流方面的文献还较多局限于空气分离设备领域中【，.，。

由于板翅
式换热器中沸腾和冷凝的性能数据非常有限，因此还无法提供用于设计的通用综
合关系式，也不能提供对圆管公式的修正方法。

.
2.3计算机辅助工程(CAE)〔，“，
由于板翅式换热器的设计公式较为复杂，通道设计十分困难，手算过程十分费
时且易出现人为的误差，另外还必须忽略许多二阶量的影响以便简化计算，因此板
翅式换热器经常弃置不用，工程技术人员通常选用低效但相对简单的管壳式换热
器来取代‘，0，。

近年来随着计算机辅助工程技术CAE(ComputerAidedEngineering)
的发展，应用计算机模拟技术对换热器稳态和瞬态进行性能模拟己成为可能，这将
解决多年来一直困扰设计人员的手工热力计算的难题。

Shah首先对紧凑式换热器
的计算机辅助热工计算进行了讨论。

英国传热服务公司(HTFS)、美国ALTEC公
司和SW公司等都曾推出专用商业软件。

基于CFD技术的传热、流动研究主要有以下几个方面。

1.传热、压降系数及有关关联式目前这些系数和关联式还不齐备，有许多工
业上用的传热表面的数据不全或缺少可用的关联式，对于传热单元数左几/较大的情况，试验技术有较大的误差，有待于改进，翅片与隔板联接的热阻及其对整个传热过程的影响也需要更进一步研究。

2.传热机理和各种传热表面的数值解由于仅仅掌握经验关系式并不能最终
解决开发新的传热表面、强化传热和精确设计等问题，研究工作者越来越多地把精力投入到应用CFD技术求传热与流动的数值解方面，以期建立模拟传热和流动的数值模型，并通过计算来预测新型表面的传热、阻力系数及其关系。

3.伴有相变及两相流的传热及流动价”相对于单相流的传热与流动，这一方面
的研究显得很薄弱，今后仍是重点研究的一个领域。

4.其它问题物性变化的影响、表面选择方法、如何从结构上保证流体均布、
流道如何合理布置以及纵向导热影响等多方面的问题在设计中一直未彻底解决，
仍然有待进一步研究。

用CFD研究板翅式换热器还少有人问津”，因此，应用计算流体力学、流动
可视化技术和模拟测试来研究翅片流动和传热的本质，并建立j因子和f因子数
据库将是今后十分重要的工作。

板翅式换热器传热机理和进行优化设计将是今后
研究的重点内容，考虑到我国板翅式换热器开发和试验经费还相对缺乏的具体情况，CFD的应用研究更具有特别重要意义。

根据目前的研究状况来看，使换热器更加紧凑的方法有如下方式:
1.换热器的材料选择以及新型换热器材料的研究开发，用具有较大传热系数
的材料替代传热系数小的材料。

2.改善换热器换热表面的几何形状，其中肋片的几何形状对紧凑式换热器的
性能影响至关重要，对肋片性能(换热性能、流动阻力性能、强度等)的研究是紧凑式换热器研究的重要内容。

3.流道布置是影响其性能另一重要因素，这是因为紧凑式换热器使用高度紧
凑的换热表面，换热器的形状具有大的迎面面积和短的流道长度，因而，流道布
置要求极为精确。

4.物流分配的均匀性对其性能的影响不能忽视，由于其短的流道和大的迎面
面积，紧凑式换热器导流器的设计对于介质流动的均匀分配是至关重要的，因此。