李美玲，田宝龙，王宏伟，张燕来

(1．开封空分集团设计院，河南开封 475002;2．天津大学化学工程研究所，天津 300072; 3．中国石油吉林石化分公司电子商务部，吉林 132022）

·工艺与设备·

板翅式换热器封头型式的改造＊

李美玲1，田宝龙2，王宏伟3，张燕来2

(1．开封空分集团设计院，河南开封 475002;2．天津大学化学工程研究所，天津 300072; 3．中国石油吉林石化分公司电子商务部，吉林 132022）

采用计算流体力学 (CFD）方法研究大型板翅式换热器封头内的流体流动，根据流动特征提出在封头段加入导流分布板改善流动分布均匀性的方法。与未加入导流分布板比较结果显示，加入导流分布板后，流体分布得到改善，传热系数亦有显著提高。

板翅式换热器;封头;导流分布板;CFD

板翅式换热器最早应用在航空、汽车工业等领域，20世纪50年代开始在空气分离设备中得到应用，并于1978年由开封空分集团研制成功第一台铝制板翅式换热器。而目前国内自主设计制造板翅式换热器与国外的效率仍有很大的差距。

影响板翅式换热器换热效率的因素主要集中在两个方面:一是流体分布的均匀性;二是翅片形状的传热特性。国内外多数研究认为流体分布不均匀是由于封头、配管设计不合理［1-2］，在流体还未进出板束体进行换热时已产生了不均匀分布，这种不均匀性影响范围大，对传热效率的影响严重，并指出封头结构是导致流体分布不均的主要因素。

近年来，较多的文献研究板翅式换热器封头内的流动分布问题，并根据流动特征提出了一些改进措施。Zhang［3］认为在传统的封头中，流体在轴向上的分布不均现象要比径向上严重，采用一种二级封头来降低分布不均匀性。Jiao［4］也引入了二级封头的概念，通过实验研究，他们得出两个封头的最佳设计能有效提高流动分布均匀性。但是二级封头的使用在安装空间较小的情况下会受到一定的限制。Wasewar［5］采用CFD方法研究传统板翅式换热器封头，并提出“人”字形改进。但新的结构大大减小了流体流动的自由空间，会在一定程度上增加阻力。

Wen等［6-7］采用PIV方法研究板翅式换热器入口流域的流动特点，通过在封头内加入打孔板提高封头轴向和径向的流动分布均匀性，并认为加入打孔板是提高封头内分布均匀性的首要选择。S Lalot等［8］确定了在进口封头中加打孔分布板的最优位置，并指出分布板加入位置不合理可能会导致回流现象发生。Sheik Ismail［9］比较了加打孔分布板和不加打孔分布板两种封头结构，得出加板的均匀性要优于不加的，并给出最优的打孔尺寸和分布孔排列形式。虽然加入打孔板方式可以有效提高流体分布均匀性，但同时会较大程度地增加阻力。

理想的封头型式要能够较大程度地提高流体分布的均匀性，但要尽量避免引入过高的流动阻力。提高流体分布均匀性主要有两种方式:一是加入分布板，通过开孔实现流体分布，但带来的阻力较大;二是加入导流板，通过导流方式实现流体分布，带来的阻力也较小。显而易见，第二种方式是提高流体分布均匀性的最佳方式，但是在一些情况下，由于设备本身的结构特征，通过导流方式提高流体分布均匀性会受到一定的限制。本文基于这一思想，将上述两种方式耦合，通过在封头内加入导流分布板提高流体分布的均匀性，但带来较小的流动阻力。

由于翅片结构的复杂性，换热器的CFD计算强度非常大，因此文献报道的模拟尺寸度非常小。

1 数学模型

1.1 控制方程

在本文中，工质空气为常物性不可压缩流体，描述其流动与传热的控制方程如下:

其中，ρ为密度，kg/m3;p为压强，Pa;μ为粘度，kg/ (m·s）;T为温度，K;α为热扩散率，m2/s;ux，uy，uz分别为速度在x，y，z三个方向的分量。

1.2 边界条件设置

由于封头为对称图形，计算时采用原结构的一半建立物理模型。该模型中封头出口与翅片区相邻。

取工厂实际应用翅片，型号为95J1703/30，型式如图1，尺寸如表1。采用多孔介质来替代，可以大幅度减少网格数，减小计算强度，实现大型工业尺寸换热器的模拟。多孔介质区域的设置以压降相同为准则，首先采用精确物理模型计算压降特性，然后转换为多孔介质参数。同样，从精确物理模型出发，计算传热系数与流速及物性的关系，然后由多孔介质的速度分布来计算传热系数的分布。操作压力为15.9 bar(注:1 bar=0.1 MPa）。

图1 锯齿型翅片Fig.1 An offset fin

表1 锯齿型翅片尺寸Table 1 Dimension of an offset fin

2 物理模型

板翅式换热器常用封头如图2所示，具体尺寸见表2。

图2 板翅式换热器的传统封头Fig.2 Original header of plate fin heat exchanger

表2 封头尺寸Table 2 Dimension of header

改进型封头是在原来的基础上，在封头内部加一块导流分布板，结构成“人”字形，板上开孔率由中间进料口向封头两侧递增。导流板形状如图3所示。

图3 改进型封头物理模型Fig.3 Modified header of plate fin heat exchanger

2.1 流速分布均匀性

在未加导流分布板之前，选取进口流速为10 kg/s，翅片区进口流速分布如图4所示。

图4 原始封头下翅片区域入口速度分布图Fig.4 Velocity profile of plate fin region with original header

加入导流分布板之后，依然选取进口流速为10 kg/s，翅片区进口流速分布如图5所示。

由图4可看出，在未加导流分布板时，翅片区的流速分布很不均匀，进口管道中心流速最大，偏中心位置出现速度极小值区域。这是由于在传统封头中，对准入口中心处的流速很大，高流速的流体遇到翅片主体后会发生折流，并会在封头形成漩涡。图6中偏中心位置的速度极小值区域就是由于漩涡引起的。需要注意的是，速度极小值区域面积约占整个流动面积的四分之一。可见，漩涡对流体分布均匀性影响严重，封头型式的改进就是基于消除漩涡带来的影响。

图5 改进封头下翅片区域入口速度分布图Fig.5 Velocity profile of plate fin region with modified header

为提高流动分布的均匀性，一般是加入分布板，通过增加阻力来增加均匀性。而将分布板改进为导流分布板，不仅能够提高流动均匀性，同时能够显著降低压降。同时，这种“人”字形导流分布板可以阻止漩涡的形成，消除涡流的负面影响。图5为改进型封头出口流速分布图，由图5可知，流体分布均匀性较原始封头的有明显提高，主要表现在以下几点:第一，进口管正对处的流速明显降低;第二，流速的极小值区域面积明显减少;第三，大部分流体的流速接近于平均流速。

图6 翅片区流速的比较Fig.6 Comparison of velocity profile in plate fin region

图6为两种形式封头下，翅片入口区域流速在横向上的分布曲线，由图6可以看出，原始封头下，流速沿横向由高降低再慢慢升高，其特点是:进口管正对处的速度最大，并沿横向迅速减小，在漩涡产生区域降到极小值，然后再慢慢升高。而改进型封头出口流速分布特点为:原最大值降低，原极小值升高，各点速度趋于平均流速。

经计算可知，横向上原始封头内气体分布不均匀度 M=50.43%，最大值与最小值的比值为4.29，而改进后封头内气体分布不均匀度 M= 13.84%，最大值与最小值的比值为1.68。图7为不同流速下，改进型封头与原始封头的不均性的比较。

图7 不均匀度的比较Fig.7 Comparison of flow maldistribution factor

由图7可以看出，封头改进后不均匀度降低约11%～37%，且进口流速越高，改进型封头提高均匀性就越明显。

2.2 分布均匀性对传热效率的影响

图8显示了不同流速下封头改进前后换热器压降平均换热系数的比较。加入导流分布板后，压降有所增加，换热系数提高显著，速度越高，效果越显著。

图8 压降的比较Fig.8 Comparison of pressure drop

3 小 结

本文利用一种新的CFD方法来研究大型板翅式换热器封头内的流动特征，并提出在封头段加入导流分布板改善流动分布均匀性的方法。比较显示，传统封头下流体横向分布不均现象严重，对整个换热器的传热效率影响很大。

［1］MUELLER A C，CHIOU JP．Review of Various Types of Flow Maldistribution in Heat Exchangers［J］．Heat Transfer Engineering，1988，9(2）:36-50．

［2］SHAH R K，SEKULIC D P．Fundamentals of Heat Ex-Changer Design［M］．New York:John Wiley and Sons， 2003:809-853．

［3］ZHANG Z，LIY．CFD Simulation on Inlet Configuration of Plate-Fin Heat Exchanger［J］．Int JCryogenic Eng，2003 (43）:673-678．

［4］JIAO A，ZHANG R，JEONG S．Experimental Investigation of Header Configuration on Flow Maldistribution in Plate-Fin Heat Exchanger［J］．Int J Appl Thermal Eng，2003 (23）:1235-1246．

［5］WASEWAR K L，et al．CFD Simulation of Flow Distribution in the Header of Plate-Fin Heat Exchangers［J］．Chemical Engineering＆ Technology，2007，30(10）: 1340-1346．

［6］WEN J，LIY，ZHOU A．An Experimental And Numerical Investigation of Flow Patterns in The Entrance of Plate-Fin Heat Exchanger［J］．Int J heat mass transfer，2006 (49）:1667-1678．

［7］WEN J，LIY．Study of Flow Distribution And Its Improvement on The Header of Plate-Fin Heat Exchanger［J］．Cryogenics，2004，44(11）:823-831．

［8］LALOT S，FLORENT P，LANG SK．Flow Maldistribution in Heat Exchangers［J］．Int J Appl Thermal Eng，1999 (19）:847-863．

［9］ISMAIL L Sheik，RANGANAYAKULU C，SHAH R K．Numerical Study of Flow Patterns of Compact Plate-Fin Heat Exchangers And Generation of Design Data For Offset And Wavy Fins［J］．International Journal of Heat and Mass Transfer，2009，52(17-18）:3972-3983．

Investigation on Flow Behavior And Heat Transfer of Plate Fin Heat Exchanger

LIMeiling1，TIAN Baolong2，WANG Hongwei3，ZHANG Yanlai2

(1．Kaifeng Air Separation Group Co．，Ltd．，Kaifeng 475002，China;2．Chemical Engineering Research Center，
Tianjin University，Tianjin 300072，China;3．PetroChina Jilin Petrochemical Company，Jilin 132022，China）

Flow behavior in the header of a plate fin exchanger was studied with computational fluid dynamics(CFD） method．One gas distributor was developed in the header to improve the uniformity of gas flow．Comparison of two different header shows that fluid distribution was improved，and heat transfer efficiency increased consequently．

plate fin exchanger;header;distributor;CFD

TQ021

B

1007-7804(2011）04-0016-05

10.3969/j.issn.1007-7804.2011.04.004

2011-07-04

李美玲 (1970），女，现在开封空分集团有限公司设计院从事填料塔及空分工艺流程设计工作。