熱交換器換熱系統的性能計算

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，在風力發電、工程機械、空氣壓縮機以及航空換熱等領域有廣泛的應用。本文通過理論分析，建立模型并應用軟件模擬設計熱交換器換熱系統的使用工況，通過試驗驗證，找到了一種快速設計換熱器系統的方法，對提升熱交換器換熱系統設計能力起到很好的輔助作用。

關鍵詞：熱交換器;傳熱;并聯;串聯;風洞試驗

0.緒論

板翅式熱交換器是一種高效、緊湊的熱交換器，在風力發電、工程機械、空氣壓縮機以及航空換熱等領域有廣泛的應用。如何快速有效的確定設計方案，設計出系統所需要的最佳換熱系統是換熱器設計的關鍵【1】。應用軟件模擬設計熱交換器換熱系統的使用工況，能夠極大地減少設計時間，同時找出最佳設計方案，對提升熱交換器換熱系統設計能力起到很好的輔助作用。目前常用是的方法是依據計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD），通過計算機數值計算和圖象顯示的方法，在時間和空間上定量描述流場的數值解，從而達到對換熱性能計算的目的。

1.影響熱交換器換熱系統的因素分析

影響熱交換器換熱系統換熱系統性能的因素有很多，對于其換熱能力的評價，常常通過如下公式體現，Q=K*F*ΔTm ?，其中Q為換熱量，K為傳熱系數，F一般為冷側的有效傳熱面積，ΔTm ?為冷熱側的對數平均溫差【2】【3】。以空氣冷卻熱交換器換熱系統為例，在換熱系統設計過程中，設計的關鍵是確定傳熱系數K，一般使用正交試驗的方式進行驗證，在有限次數的試驗或者模擬過程中，找出影響傳熱系數變化最大的關鍵因子。在特定的實驗條件下，對于標準件的傳熱系數K，主要的影響因子就是冷邊流量、冷邊結構和芯體厚度，其中“冷邊流量”對傳熱系數的影響表現最為突出，因此，冷邊流量的設計在熱交換器設計過程中就顯得至關重要。

在空氣冷卻熱交換器的設計中，冷邊流量通常由風機或者馬達驅動風扇作為冷源，實際在應用過程中，受到主機裝機空間的限制，對模塊化設計的熱交換器來講，如何布局冷源和換熱是換熱系統的設計關鍵。

2.換熱系統布局的風量分析

2.1串聯方式布局的熱交換器系統風量分析和計算

串聯熱交換器的風量計算：對于串聯熱交換器的風量計算，因為通過熱交換器的風量一致，所以，通過前后熱交換器的風阻曲線的疊加，就可以求出串聯模型的風阻曲線，其與相配風扇的靜壓曲線相交的交點即為該串聯模型下的風量。

2.2并聯方式布局的熱交換器系統風量分析和計算

對于并聯方式的熱交換器，熱交換器的前后壓差一致，其計算程序步驟如下：

第一步：通過實驗或者模擬得到單個熱交換器芯體的風阻曲線;

第二步：計算每個芯體的自由流通面積，并得出每個芯體的面積權數;

第三步：通過計算得到并聯模型的風阻曲線;

第四步：與相配的風扇的靜壓曲線相交，形成交點，得到并聯模型的風量與風阻;

第五步：通過上步得到的風阻，計算出通過每個熱交換器的風阻曲線計算風量。

對于面積權數的計算，即各個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的面積權數：FA/（FA+FB），芯體B的面積權數：FB/（FA+FB）。現以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通過模擬和實驗得到A類型翅片與B類型翅片的風阻曲線，通過擬合后得到：z1=f1（x）（ A類型翅片的風阻曲線函數），z2=f2（x）（ B類型翅片的風阻曲線函數），其中x代表自由流通面積下的流速;

②計算得到芯體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的面積權數：FA/（FA+FB），B的面積權數：FB/（FA+FB）;

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

④與相配的風扇的靜壓曲線相交，形成交點，得到并聯模型的風量Q與風阻Z;

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

3.基于Fluent模擬對并聯方式下風量分配的驗證

3.1串聯方式布局的風量模擬

由于串聯結構，由于模型簡單，在不考慮熱交換器之間的風量泄露量的假設前提下，可以使用曲線擬合的方式，擬合出風阻與風量的變化。

3.2并聯方式布局的風量模擬

由于該方式與熱交換器翅片結構類型有關系，計算復雜，本文主要針對并聯型布局的換熱系統進行模擬，并擬合對應風阻和風量變化曲線。

現以A類型翅片與B類型翅片為試驗樣件，首先進行每個翅片結構的風阻模擬，然后將兩個模型合并，模擬整個模型的風阻情況，并最終將模擬數據與通過上述方法計算的數據進行對比，從而驗證并聯方式布局風量計算的正確性。

通過面積權數的方法進行并聯方式的風量分配是有效地。

4.并聯模型的測試驗證

制造散熱器A1（外形尺寸400mmx400x94mm，翅片型號A）和散熱器B1（外形尺寸400mmx400x94mm，翅片型號B）樣件，進行并聯風量測試，比較通過面積權數計算的并聯模型每個散熱器風量與測試差異，驗證理論方法的準確性。

通過測試分析散熱器A1與散熱B1并聯風量數據，通過面積權數計算的并聯模型的流量與測試風量誤差2%以內，說明采用該理論計算不同散熱器并聯時每個散熱器分布流量準確性較高。

5.結論

本文通過計算、模擬等方法，得到了通過面積權數的方法對串并聯方式下熱交換器的風量計算，為熱交換器換熱量的準確計算，并最終滿足客戶要求提供了依據。

參考文獻：

[1]錢頌文.換熱器設計手冊【M】.化學工業出版社，2002.8

[2]余建祖.換熱器原理與設計【M】.北京航空航天大學出版社，2006.

[3]Kays W M ， London A L. Compact heat exchangers[M] . 3rd ed. New York ： McGraw Hill ，1984.

作者簡介：

張軒（1982-），男，河南，漢族，研究生學歷，高級工程師，主要從事鋁質板翅式熱交換器生產加工制造以及生產運營.