熱交換器換熱系統(tǒng)的性能計(jì)算

張軒 王家喜

摘 要：板翅式熱交換器是一種高效、緊湊的熱交換器，在風(fēng)力發(fā)電、工程機(jī)械、空氣壓縮機(jī)以及航空換熱等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。本文通過(guò)理論分析，建立模型并應(yīng)用軟件模擬設(shè)計(jì)熱交換器換熱系統(tǒng)的使用工況，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，找到了一種快速設(shè)計(jì)換熱器系統(tǒng)的方法，對(duì)提升熱交換器換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力起到很好的輔助作用。

關(guān)鍵詞：熱交換器;傳熱;并聯(lián);串聯(lián);風(fēng)洞試驗(yàn)

0.緒論

板翅式熱交換器是一種高效、緊湊的熱交換器，在風(fēng)力發(fā)電、工程機(jī)械、空氣壓縮機(jī)以及航空換熱等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。如何快速有效的確定設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)所需要的最佳換熱系統(tǒng)是換熱器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵【1】。應(yīng)用軟件模擬設(shè)計(jì)熱交換器換熱系統(tǒng)的使用工況，能夠極大地減少設(shè)計(jì)時(shí)間，同時(shí)找出最佳設(shè)計(jì)方案，對(duì)提升熱交換器換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力起到很好的輔助作用。目前常用是的方法是依據(jù)計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡(jiǎn)稱CFD），通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖象顯示的方法，在時(shí)間和空間上定量描述流場(chǎng)的數(shù)值解，從而達(dá)到對(duì)換熱性能計(jì)算的目的。

1.影響熱交換器換熱系統(tǒng)的因素分析

影響熱交換器換熱系統(tǒng)換熱系統(tǒng)性能的因素有很多，對(duì)于其換熱能力的評(píng)價(jià)，常常通過(guò)如下公式體現(xiàn)，Q=K*F*ΔTm ?，其中Q為換熱量，K為傳熱系數(shù)，F(xiàn)一般為冷側(cè)的有效傳熱面積，ΔTm ?為冷熱側(cè)的對(duì)數(shù)平均溫差【2】【3】。以空氣冷卻熱交換器換熱系統(tǒng)為例，在換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是確定傳熱系數(shù)K，一般使用正交試驗(yàn)的方式進(jìn)行驗(yàn)證，在有限次數(shù)的試驗(yàn)或者模擬過(guò)程中，找出影響傳熱系數(shù)變化最大的關(guān)鍵因子。在特定的實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)件的傳熱系數(shù)K，主要的影響因子就是冷邊流量、冷邊結(jié)構(gòu)和芯體厚度，其中“冷邊流量”對(duì)傳熱系數(shù)的影響表現(xiàn)最為突出，因此，冷邊流量的設(shè)計(jì)在熱交換器設(shè)計(jì)過(guò)程中就顯得至關(guān)重要。

在空氣冷卻熱交換器的設(shè)計(jì)中，冷邊流量通常由風(fēng)機(jī)或者馬達(dá)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇作為冷源，實(shí)際在應(yīng)用過(guò)程中，受到主機(jī)裝機(jī)空間的限制，對(duì)模塊化設(shè)計(jì)的熱交換器來(lái)講，如何布局冷源和換熱是換熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵。

2.換熱系統(tǒng)布局的風(fēng)量分析

2.1串聯(lián)方式布局的熱交換器系統(tǒng)風(fēng)量分析和計(jì)算

串聯(lián)熱交換器的風(fēng)量計(jì)算：對(duì)于串聯(lián)熱交換器的風(fēng)量計(jì)算，因?yàn)橥ㄟ^(guò)熱交換器的風(fēng)量一致，所以，通過(guò)前后熱交換器的風(fēng)阻曲線的疊加，就可以求出串聯(lián)模型的風(fēng)阻曲線，其與相配風(fēng)扇的靜壓曲線相交的交點(diǎn)即為該串聯(lián)模型下的風(fēng)量。

2.2并聯(lián)方式布局的熱交換器系統(tǒng)風(fēng)量分析和計(jì)算

對(duì)于并聯(lián)方式的熱交換器，熱交換器的前后壓差一致，其計(jì)算程序步驟如下：

第一步：通過(guò)實(shí)驗(yàn)或者模擬得到單個(gè)熱交換器芯體的風(fēng)阻曲線;

第二步：計(jì)算每個(gè)芯體的自由流通面積，并得出每個(gè)芯體的面積權(quán)數(shù);

第三步：通過(guò)計(jì)算得到并聯(lián)模型的風(fēng)阻曲線;

第四步：與相配的風(fēng)扇的靜壓曲線相交，形成交點(diǎn)，得到并聯(lián)模型的風(fēng)量與風(fēng)阻;

第五步：通過(guò)上步得到的風(fēng)阻，計(jì)算出通過(guò)每個(gè)熱交換器的風(fēng)阻曲線計(jì)算風(fēng)量。

對(duì)于面積權(quán)數(shù)的計(jì)算，即各個(gè)芯體自由流通面積占總自由流通面積下的百分比。如兩種芯體，分別為A和B，A的自由流通面積為FA，B的自由流通面積為FB，所以芯體A的面積權(quán)數(shù)：FA/（FA+FB），芯體B的面積權(quán)數(shù)：FB/（FA+FB）?，F(xiàn)以A類型翅片與B類型翅片分別制造的熱交換器A和B為例：

①通過(guò)模擬和實(shí)驗(yàn)得到A類型翅片與B類型翅片的風(fēng)阻曲線，通過(guò)擬合后得到：z1=f1（x）（ A類型翅片的風(fēng)阻曲線函數(shù)），z2=f2（x）（ B類型翅片的風(fēng)阻曲線函數(shù)），其中x代表自由流通面積下的流速;

②計(jì)算得到芯體A和B的自由流通面積，A的自由流通面積為FA，B的自由流通面積為FB，所以A的面積權(quán)數(shù)：FA/（FA+FB），B的面積權(quán)數(shù)：FB/（FA+FB）;

③并聯(lián)模型的風(fēng)阻曲線即為：Z= （FA/（FA+FB））*Z1+ （FB/（FA+FB））*Z2;

④與相配的風(fēng)扇的靜壓曲線相交，形成交點(diǎn)，得到并聯(lián)模型的風(fēng)量Q與風(fēng)阻Z;

⑤由風(fēng)阻Z代入到z1=f1（x）（ Bst1B翅片的風(fēng)阻曲線函數(shù)）和z2=f2（x）（ Bst4B翅片的風(fēng)阻曲線函數(shù)）中，通過(guò)單值變量求解得到通過(guò)A和B的自由流通面積流速，然后與相應(yīng)的自由流通面積相乘，即得到通過(guò)各個(gè)芯體的流量Q1和Q2。

3.基于Fluent模擬對(duì)并聯(lián)方式下風(fēng)量分配的驗(yàn)證

3.1串聯(lián)方式布局的風(fēng)量模擬

由于串聯(lián)結(jié)構(gòu)，由于模型簡(jiǎn)單，在不考慮熱交換器之間的風(fēng)量泄露量的假設(shè)前提下，可以使用曲線擬合的方式，擬合出風(fēng)阻與風(fēng)量的變化。

3.2并聯(lián)方式布局的風(fēng)量模擬

由于該方式與熱交換器翅片結(jié)構(gòu)類型有關(guān)系，計(jì)算復(fù)雜，本文主要針對(duì)并聯(lián)型布局的換熱系統(tǒng)進(jìn)行模擬，并擬合對(duì)應(yīng)風(fēng)阻和風(fēng)量變化曲線。

現(xiàn)以A類型翅片與B類型翅片為試驗(yàn)樣件，首先進(jìn)行每個(gè)翅片結(jié)構(gòu)的風(fēng)阻模擬，然后將兩個(gè)模型合并，模擬整個(gè)模型的風(fēng)阻情況，并最終將模擬數(shù)據(jù)與通過(guò)上述方法計(jì)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，從而驗(yàn)證并聯(lián)方式布局風(fēng)量計(jì)算的正確性。

通過(guò)面積權(quán)數(shù)的方法進(jìn)行并聯(lián)方式的風(fēng)量分配是有效地。

4.并聯(lián)模型的測(cè)試驗(yàn)證

制造散熱器A1（外形尺寸400mmx400x94mm，翅片型號(hào)A）和散熱器B1（外形尺寸400mmx400x94mm，翅片型號(hào)B）樣件，進(jìn)行并聯(lián)風(fēng)量測(cè)試，比較通過(guò)面積權(quán)數(shù)計(jì)算的并聯(lián)模型每個(gè)散熱器風(fēng)量與測(cè)試差異，驗(yàn)證理論方法的準(zhǔn)確性。

通過(guò)測(cè)試分析散熱器A1與散熱B1并聯(lián)風(fēng)量數(shù)據(jù)，通過(guò)面積權(quán)數(shù)計(jì)算的并聯(lián)模型的流量與測(cè)試風(fēng)量誤差2%以內(nèi)，說(shuō)明采用該理論計(jì)算不同散熱器并聯(lián)時(shí)每個(gè)散熱器分布流量準(zhǔn)確性較高。

5.結(jié)論

本文通過(guò)計(jì)算、模擬等方法，得到了通過(guò)面積權(quán)數(shù)的方法對(duì)串并聯(lián)方式下熱交換器的風(fēng)量計(jì)算，為熱交換器換熱量的準(zhǔn)確計(jì)算，并最終滿足客戶要求提供了依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]錢(qián)頌文.換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)【M】.化學(xué)工業(yè)出版社，2002.8

[2]余建祖.換熱器原理與設(shè)計(jì)【M】.北京航空航天大學(xué)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(jiǎn)介：

張軒（1982-），男，河南，漢族，研究生學(xué)歷，高級(jí)工程師，主要從事鋁質(zhì)板翅式熱交換器生產(chǎn)加工制造以及生產(chǎn)運(yùn)營(yíng).