板翅式換熱器研究進(jìn)展

張良俊，吳靜怡

（1.上海交通大學(xué) 制冷與低溫工程研究所，上海　200240；2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所 上海市空間飛行器機(jī)構(gòu)重點(diǎn)試驗(yàn)室，上?！?01108）

板翅式換熱器研究進(jìn)展

張良俊1，2，吳靜怡1

（1.上海交通大學(xué) 制冷與低溫工程研究所，上海200240；2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所 上海市空間飛行器機(jī)構(gòu)重點(diǎn)試驗(yàn)室，上海201108）

板翅式換熱器是一種高效、緊湊的換熱設(shè)備。介紹了板翅式換熱器的近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，數(shù)值模擬技術(shù)在板翅式換熱器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用、翅片傳熱及表面流動(dòng)特性、新型翅片結(jié)構(gòu)、影響流體分配特性的封頭、分配器及流道結(jié)構(gòu)、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及在新領(lǐng)域應(yīng)用等，并對(duì)板翅式換熱器發(fā)展前景進(jìn)行了展望，提出在設(shè)計(jì)過程中將CFD技術(shù)與理論分析、試驗(yàn)研究有機(jī)結(jié)合，多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)與多算法交叉應(yīng)用以及新材料與新工藝的發(fā)展是未來(lái)的研究和發(fā)展方向。

板翅式換熱器；數(shù)值模擬；翅片；分配特性；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0　引言

板翅式換熱器自1930年由英國(guó)Marston Excelsior公司首次研制后，經(jīng)過80多年的發(fā)展，目前已得到廣泛應(yīng)用。由于其傳熱效率高、適應(yīng)性大、制造工藝復(fù)雜，因而世界各國(guó)關(guān)于對(duì)其的研究持續(xù)不斷，研究?jī)?nèi)容包括理論分析、試驗(yàn)研究、優(yōu)化設(shè)計(jì)、工藝改進(jìn)及新材料應(yīng)用等。

1　數(shù)值模擬

CFD（Computational Fluid Dynamics）技術(shù)早已被廣泛用于各種換熱器設(shè)計(jì)中［1］。大量的數(shù)值計(jì)算與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果分析有良好一致性的事實(shí)也表明，CFD是研究各類換熱器流動(dòng)及傳熱的有效途徑［2］。文鍵等［3］利用有限元軟件ANSYS，對(duì)不銹鋼鋸齒型板翅結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度分析，認(rèn)為翅距、翅厚、壓差是影響翅片強(qiáng)度的重要因素。Goyal等［4］提出了一種基于有限體積法的多股流板翅式換熱器數(shù)值模型，該模型成功用于低溫應(yīng)用下的多股流板翅式換熱器評(píng)估計(jì)算，且計(jì)算結(jié)果與商用軟件Aspen MUSE能很好吻合。Liu等［5］數(shù)值模擬研究了板翅式換熱器傳熱系數(shù)和壓降受空氣入口角的影響。Villanueva等［6］利用CFD方法建立了一種高溫陶瓷板翅式換熱器換熱性能與壓降關(guān)系的數(shù)值模型。Nagarajan等［7］數(shù)值分析了陶瓷板翅式換熱器不同翅片結(jié)構(gòu)及排列形式下，壁面化學(xué)反應(yīng)的SO3分解率。

2　翅片

2.1傳熱與流動(dòng)特性研究

Aliabadi等［8］對(duì)板翅式換熱器平直、多孔、鋸齒、波浪及針形五種不同結(jié)構(gòu)的翅片，在空氣、水、油和乙二醇等不同工作流體的性能進(jìn)行對(duì)比研究，研究結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)應(yīng)用于不同類型冷卻液的板翅式換熱器時(shí)的翅片形式選擇有較大的參考價(jià)值。Fernández-Seara等［9］實(shí)驗(yàn)分析了鈦釬焊鋸齒式翅片板翅式換熱器在液-液傳熱過程中的壓降及傳熱特性。唐成［10］對(duì)在混合熱邊界條件下，板翅式換熱器平直翅片通道的傳熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，認(rèn)為板翅式換熱器二次傳熱主要是由其翅片完成，且隨著雷諾數(shù)Re的增大，其流體平均溫度降低，流體區(qū)內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)作用加大。Yang等［11］對(duì)鋸齒翅片板翅式換熱器傳熱性能進(jìn)行了評(píng)估，提出了一個(gè)被稱為“熵產(chǎn)分布因子”的新參數(shù)，用于評(píng)價(jià)鋸齒翅片板翅式換熱器在熱力學(xué)上的優(yōu)勢(shì)。

2.2新型翅片結(jié)構(gòu)

杜文江等［12］分析研究了平直翅片和3種帶有渦流發(fā)生器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)型翅片的對(duì)流換熱性能，通過分析認(rèn)為帶有渦流發(fā)生器的改進(jìn)型翅片可大大增強(qiáng)換熱效果。王威［13］提出了一種改進(jìn)型翅片結(jié)構(gòu)的雙尺度鋸齒翅片，采用小尺寸偏移量來(lái)部分代替大尺寸偏移量，使得在換熱強(qiáng)度削減不多的前提下，使得翅片壓降有明顯的降低。李曉寧等［14］發(fā)明了一種能夠同時(shí)兼具錯(cuò)列翅片、波紋翅片和開縫翅片優(yōu)點(diǎn)的新型高效低壓降板翅式換熱器翅片。Guo等［15］研究了逆流板翅式換熱器翅片結(jié)構(gòu)形式的最優(yōu)化選擇方法，該方法對(duì)于大型多股流板翅式換熱器的設(shè)計(jì)更加有效。

3　流體分配特性及流道結(jié)構(gòu)

3.1封頭及分配器

沈素萍等［16］從封頭曲線對(duì)流體的引導(dǎo)作用出發(fā)，將常用的下拋物型一次封頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)為上拋物型和正切型，優(yōu)化了換熱器入口段流場(chǎng)均勻性，提出板翅式換熱器一次封頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路。王斯民等［17］提出3種改進(jìn)型的S彎封頭結(jié)構(gòu)，并比較了原始封頭和改進(jìn)型封頭出口流體分布的均勻性。田津津等［18］研究了板翅式換熱器封頭高度與流體分配之間的關(guān)系，通過實(shí)驗(yàn)分析認(rèn)為說(shuō)明板翅式換熱器的流體分配與封頭高度有很大關(guān)系，封頭高度越高流體分配就越均勻。Zhang等［19］對(duì)兩相流流體在板翅式換熱器內(nèi)的分配特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，為了研究翅式換熱器流體不均勻的原因，研究了多種分配器參數(shù)配置在不同運(yùn)行條件下的流體分配特性及熱性能變化情況。李焱［20］提出了一種新型的氣液分配器，相對(duì)于傳統(tǒng)封頭結(jié)構(gòu)，其氣液分配特性得到有效改善，氣液分配不均勻度降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

3.2流道結(jié)構(gòu)

郝建設(shè)等［21］對(duì)板翅式熱交換器周期性正弦流道中層流流體的傳熱性能進(jìn)行研究，得出翅片流道截面結(jié)構(gòu)尺寸、振幅和波長(zhǎng)對(duì)正弦流道傳熱綜合性能的影響。Tian［22］提出了一種可減少累積熱負(fù)荷、簡(jiǎn)化流道安裝并提高傳熱性能的流道布置方法，同時(shí)應(yīng)用分布參數(shù)模型得到了換熱器的溫度分布，并在此基礎(chǔ)上提出進(jìn)一步的優(yōu)化方案。Aliabadi等［23-24］比較評(píng)價(jià)了7種常見的用于板翅式換熱器的流道結(jié)構(gòu)，并加工制造、試驗(yàn)分析了所有流道結(jié)構(gòu)，并提出了一種帶有橫向渦流發(fā)生器矩形翅片的板翅式換熱器流道，分析了其流道內(nèi)的傳熱及液體流動(dòng)特性。劉景成等［25］設(shè)計(jì)了一種新型板翅式換熱器流道結(jié)構(gòu)，該新型流道結(jié)構(gòu)可以增大流體的湍流性能，強(qiáng)化換熱器的換熱效果；還采用多目標(biāo)優(yōu)化方法對(duì)板翅式換熱器導(dǎo)流結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

4　優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

4.1遺傳算法

Ghosh［26］利用遺傳算法確立了一種多股流板翅式換熱器夾層最佳疊置形式的方法。胡云云等［27］在多股流板翅式換熱器柔性設(shè)計(jì)區(qū)間，確定虛擬工況點(diǎn)，建立了以累積熱負(fù)荷最小均方差為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化模型，并采用遺傳算法優(yōu)化多股流板翅式換熱器的通道排列。Zhao等［28］利用遺傳算法優(yōu)化設(shè)計(jì)了多股流板翅式換熱器的分層形式。Yin等［29］利用單目標(biāo)優(yōu)化和多目標(biāo)優(yōu)化的遺傳算法，得到了一種適用于空調(diào)系統(tǒng)的水-水板翅式換熱器的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。

4.2粒子群優(yōu)化算法

嚴(yán)巳杰等［30］以板翅式換熱器的質(zhì)量作為目標(biāo)函數(shù)，以換熱器芯體外形尺寸和翅片參數(shù)作為優(yōu)化變量，采用粒子群優(yōu)化算法對(duì)其結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。Hajabdollahi［31］對(duì)兩個(gè)換熱邊采用相似、不同或不相似翅片的板翅式換熱器進(jìn)行了熱經(jīng)濟(jì)學(xué)優(yōu)化。同時(shí)，采用多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法對(duì)換熱效率和年總成本也進(jìn)行了優(yōu)化。藏明君等［32］提出基于領(lǐng)地行為的多目標(biāo)粒子群算法，并將所提算法應(yīng)用于板翅式換熱器結(jié)構(gòu)多目標(biāo)綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)中，同時(shí)考慮了芯體重量、傳熱效率、壓降及強(qiáng)度校核等要求。Turgut［33］研究了混合混沌量子行為粒子群優(yōu)化算法，該方法成功將一種演變的量子行為粒子群優(yōu)化算法和高效的局部搜索機(jī)制結(jié)合，并將該方法應(yīng)用于板翅式換熱器熱優(yōu)化設(shè)計(jì)中。

4.3混合算法

Yousefi等［34］利用一種混合進(jìn)化算法-遺傳算法混合粒子群優(yōu)化設(shè)計(jì)算法優(yōu)化設(shè)計(jì)了板翅式換熱器，兩種算法的結(jié)合不但提高解的多樣性，而且可以降低作為粒子群優(yōu)化算法主要缺點(diǎn)的陷入局部最優(yōu)解的概率。Guo等［35］為了防止特殊應(yīng)用下相鄰?fù)ǖ辣诘牧黧w泄漏問題，利用遺傳算法結(jié)合蒙特卡羅算法對(duì)板翅式換熱器翅片安全結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)可以提供一種新型的、可行的、安全的板翅式換熱器。楊輝著等［36］、文鍵等［37］采用結(jié)合Kriging響應(yīng)面技術(shù)的遺傳算法，克服了傳統(tǒng)優(yōu)化方法對(duì)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的依賴，對(duì)鋸齒型板翅式換熱器翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.4其他算法

Yousefi等［38］研究探討了一種改進(jìn)的和聲搜索算法在板翅式換熱器設(shè)計(jì)優(yōu)化中的應(yīng)用，通過實(shí)例分析可知，該算法的效率和精度均比傳統(tǒng)算法高。Pate等［39］將一種改進(jìn)的基于多目標(biāo)教學(xué)的優(yōu)化算法應(yīng)用在板翅式換熱器多目標(biāo)綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)中，并運(yùn)用兩個(gè)實(shí)例證實(shí)了算法的效率和精度。Zarea等［40］將蜜蜂算法應(yīng)用在逆流板翅式換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)中。Wang等［41］介紹了采用多目標(biāo)布谷鳥算法對(duì)板翅式換熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，這是一種基于杜鵑繁殖行為的啟發(fā)式優(yōu)化算法。Hadidi［42］將一種全新的生物地理學(xué)優(yōu)化算法用于板翅式換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)中。

5　新應(yīng)用

王明富等［43］介紹了板翅式換熱器在航天發(fā)射低溫加注液氧過冷器中的應(yīng)用，對(duì)換熱器的構(gòu)型選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能試驗(yàn)及使用情況作了闡述。胡忠軍等［44］為了同時(shí)滿足中國(guó)散裂中子源工程（CSNS）低溫系統(tǒng)中兩臺(tái)加速器冷量需求，研制了1臺(tái)集合漏率小于1.0×10-10Pa·m3/s的液氫溫區(qū)的鋁制板翅式氦氣換熱器。Mizokami等［45］為了滿足高溫氣冷反應(yīng)堆（HTGR）950℃使用條件，提出了一種針對(duì)側(cè)桿形式的板翅釬焊高溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。梁維好等［46］闡述了高溫高壓板翅式換熱器在國(guó)內(nèi)某乙烯項(xiàng)目的甲烷冷卻器中，替代管殼式換熱器的應(yīng)用情況。朱偉平等［47］介紹了鋁制板翅式換熱器在中科院理化技術(shù)研究所l0 kW@20 K大型低溫氦制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用情況。Chang等［48］介紹了一款板翅式換熱器在10 kW布雷頓制冷機(jī)和高溫超導(dǎo)電力電纜（HTS）工程低溫冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用情況。

6　結(jié)論

（1）隨著CFD技術(shù)的不斷發(fā)展及其在板翅式換熱器設(shè)計(jì)開發(fā)的廣泛應(yīng)用，如何將數(shù)值模擬技術(shù)與理論分析、實(shí)驗(yàn)研究有機(jī)結(jié)合，縮短研發(fā)周期、減少研發(fā)成本、提高研發(fā)效率將是發(fā)展趨勢(shì)之一；

（2）板翅式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)多、關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，單目標(biāo)、單算法優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)不能科學(xué)、客觀反映多關(guān)鍵因素的耦合效應(yīng)。因此，多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)、多算法交叉應(yīng)用技術(shù)將是發(fā)展趨勢(shì)之一；

（3）航天、核能、船舶、超導(dǎo)等尖端技術(shù)的不斷推進(jìn)，板翅式換熱器的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嗤卣?。同時(shí)，新應(yīng)用需求也必將帶動(dòng)板翅式換熱器新材料及新工藝的發(fā)展。

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RESEARCH PROGRESSOFPLATE FIN HEAT EXCHANGER

ZHANG Liang-jun1，2，WU Jing-yi1
（1.Instituteof Refrigeration and Cryogenics，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China；2.Aerospace System Engineering Shanghai，ShanghaiKey Laboratory of SpacecraftM echanism，Shanghai 201108，China）

Plate-fin heat exchanger（PFHE）is an efficient，compact heat transfer equipment.The domestic and foreign research progress on the plate-fin heat exchanger in recent years is reviewed，emphatically introduces the design of PFHE based on numerical simulation technology，heat transfer and flow characteristics of different fin structures，new fin structures，head，distributor and channel structurewhich influence the distribution performance，optim ization designmethods，new fieldsof application athome and abroad.Some prospectsand suggestionsof the application and developmentof PFHEare discussed.The research and developmentdirections in the future，such as：combining CFD technologyw ith theory and experimental research in the design，multi-objective optim ization designing，Multi-algorithm crossly using，new materialand new technology are proposed.

plate-fin heatexchanger；numericalsimulation；fin；distribution performance；optim ization design

TB657.5

A

1006-7086（2016）03-0138-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.03.003

2016-01-20

上海市航天基金（HTJ10-13）和上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)資助（06dz22105）

張良?。?980-），男，安徽省合肥市人，博士研究生，高級(jí)工程師，從事空間環(huán)境試驗(yàn)?zāi)M技術(shù)研究。E-mail:liangjunzh@126.com。