換熱器入口段結構優化設計探析

宋康

摘要：伴隨我國換熱器生產制造工藝不斷創新，其入口段結構優化設計已經作為現階段我國換熱器功能穩定重要核心保障，其重要性不言而喻。通過近年來大多研究發現，入口段結構優化設計的科學性與合理性對解決換熱器流動不均勻性問題至關重要。本次研究從換熱器入口段結構入手，對換熱器入口段結構優化設計進行分析，為下一步工作開展提供依據參考。

關鍵詞：換熱器;入口段;優化設計

0? 引言

換熱器在工業生產過程中應用極為廣泛，換熱器既可是一種單元設備，如加熱器、冷卻器和凝汽器等;也可是某一工藝設備的組成部分，如汽車水箱配套的換熱器。換熱器入口段結構是當下影響換熱器功能發揮及安全穩定的重要問題之一，具有較大的意義影響。然而現階段有關換熱器入口段結構優化設計研究相對較少，基于該問題現狀，要求行之有效的方法對其進行分析研究，如換熱器概述、換熱器存在主要問題、國內外相關研究內容及方向、換熱器封頭內部流動仿真分析等。本次研究對換熱器入口段結構優化設計進行分析，有十分重要的理論意義。

1? 換熱器概述

換熱器在當下我國各行業領域都較為常見，其應用領域也較為廣泛。換熱器主要是指將內部熱流體中的熱能量進行有效傳導及輸送，主要將熱量傳輸到冷流體設備中去。換熱器也被稱其為“熱交換器”。通過對相關資料分析后發現，換熱器主要應用涉及領域較多，以能源動力、石油化工、食品加工及工業生產方面最為常見。另外，換熱器不是單一片面的簡單流程，而是更為科學、合理的系統布局。從換熱器功能及穩定性角度出發，通過對換熱器進行深入研究十分關鍵[1]。

2? 換熱器存在主要問題

換熱器在實際運行過程中必然會遇到這樣或那樣的實際問題，其中以內部流動不穩定、均勻性失調最為顯著，導致其內部熱流體出現不均勻情況諸多。另外，因換熱性能惡化等因素造成的問題也極為常見。換熱性能惡化是指該換熱器在實際運行當中可能受到外因、內因等問題影響，造成其整體性能降低。基于這種情況主要以換熱器導流片、封頭等相關入口段主體結構為方向，對其進行系統設計、全面優化。通過分析后發現，將換熱器入口段中的主體結構同造成流動不均勻因素進行連接十分重要，這也是較為高效的分析處理手段之一。利用相關設備，加強封頭內部流動的系統分析，如采用CFD仿真技術對其進行分析[2]。可以對該導流片傾斜角及相關高度的正確比等、結構參數等進行掌握，進而對流動不均勻性對換熱運行的實際影響進行明確。根據該數據信息，擬建設置封頭主體結構參數、換熱效率間及導流片結構參數等整體關聯模型。同時在設計目標方面應該以該換熱損失最小值為主。對傳統封頭、改進二次型封頭、二次型封頭等相關形式入口段主體結構參數進行全面優化處理。通過試驗后發現，改進二次類型封頭其內部流動出現不均勻情況較少，且該型號換熱效率頗高，可以作為換熱器入口段結構最佳選擇[3]。

3? 換熱器入口段結構優化設計相關研究

3.1 國外關于換熱器入口段結構優化設計研究

基于換熱器存在的實際問題，相關國內外專家都對其進行過深入研究。主要以改進型二次封頭為主要核心，其目的是緩解該入口段出現流動不均勻等情況。根據實際改善要求研制出了具有均勻交錯功能的小孔擋板形狀封頭，對處理與優化該換熱器入口段出現的流動不均勻情況十分有利。另外，也可以根據情況研制翅片橫向旁通主體類型結構，主要是為了緩解其入口流動不均勻情況對換熱器內部熱力學性能的波及。通過對傾斜擋板、弓形折流擋板、螺旋折流擋板、改進螺旋折流擋板等進行比較分析[4]，發現這些結構類型封頭內部都具有一定的流動不均勻特點。同時經過試驗后發現等間距螺旋折流擋板當中的封頭主體結構與其他類型相比，其換熱性能較為穩定。國外很多專家都提出了封頭主體結構參數、工況具體參數等都與換熱器內部所產生的流動不均勻情況密切相關，這就需要對封頭結構進行全面創新設計，將工況參數、結構參數二者的匹配性進行優化。這樣也會對優化換熱器內部所出現的流動不均勻性情況起到積極作用。很多專家學者也相繼提出對孔結構、噴嘴結構等進行優化也可以有效緩解封頭內部流動不均勻等情況。通過選擇孔結構后，發現該流動不均勻性已經得到明顯降低，已經達到傳統型號封頭的2/12。而通過對噴嘴結構的使用，發現流動不均勻已經降低為傳統型號封頭的4/15。

3.2 國內關于換熱器入口段結構優化設計研究

我國很多專家學者也對其相關內容進行深入研究。例如部分專家提出了入口管管徑出口、相關封頭出口截面直徑與其二次封頭出口截面直徑的互相影響。三者對換熱器內部組織熱流體的均勻配置也造成較大波及。如此時當量直徑比是2時，其換熱器內部熱流量截面當中的物流配置尤為均勻。同時也發現這種不不均勻的流動情況也主要為封頭與導流片二者結構之間的不匹配而造成的最終結果，但當下我國研究這主要對封頭及導流片等進行獨立性分析研究，主要以優化溫度均勻效應、流速均勻效應為目的的封頭優化設計為核心[5]。當然也對有利于流動不均勻情況最小機率形成的導流片主體結構參數等進行設計。可其弊端性是不具備對封頭及導流片主體結構的研究分析，缺乏二者與流動不均勻情況的具體關聯性設計。也不能綜合性、全面性對入口段主體結構參數進行設計優化，如該設計會對流動不均勻情況起到何種積極性影響等[6]。

4? 換熱器封頭內部流動仿真分析

本章節主要針對換熱器封頭內部的熱流體流動效應及情況進行仿真分析，當然對該仿真分析的入口端結構進行呈現，如圖1。

通過對圖1觀察后發現，該封頭主要以水平半圓柱型形狀流道為主，同時關聯到一個豎直圓柱流道。分析后發現大體結構為：第一、該入口管當中的直徑應為220mm、且封頭呈現瓜皮式形狀結構，其半徑為90mm、長度大概為1350mm。通過分析后發現，可能問題出現在封頭結構當中，對其流動性造成影響，進而出現不均勻情況。將計算溫度進行拋出，計算其封頭組織內部當中的流動分布。選擇常溫為22℃的水當做工質，其密度為ρ、黏度為μ、甚至定壓比熱容Cp等相關參數為常數。該熱流體可以采用均勻入口方式緩速融入封頭，途徑該封頭后側處輸入到導流片當中去。分析后發現該封頭組織內部當中的主要整動區域如經過有效優化處理，對穩態湍流形成十分有利。該換熱器封頭組織內部流體流動主要為“三維穩態常物性”，具有一定的不可壓縮特點，同時對其體積力進行有效忽視。所以，可以在計算模型方面選擇較為標準的k-ε方法模型。并利用有限體積法，即離散式控制方程。在速度和壓力耦合方面建議SIMPLEC計算方法，且相對收斂條件應位殘差絕對值小于，即10-5。

5? 從技術培養方面出發提升結構優化設計

基于換熱器存在的實際問題，在對其入口段結構設計當中需要采用結合性、針對性方法。將技術培養作為優化結構設計的重要方向是指，在設計過程當中相關技術人員需要對換熱器內部熱流體運行情況做好相關觀察、記錄[3]。如在此階段發現該換熱器內部流動出現與其正常值不符等情況，甚至持續走高，需要對是否存在入口段故障進行排查、檢測。如出現故障問題則需對消耗、磨損構件進行及時替換。如下，第一、加強對換熱器入口段故障及問題的檢測、維修力度，建立精細化檢修機制，在入口段優化設計當中需要結合實際問題進行針對性開展，對相關數數值指標等進行核算。即量化、細化設計，做到防范于未然。第二、進行責任明確，構建換熱器入口段結構設計方案流?？梢圆捎脭底纸Ｐ问綄ζ溥M行側重分析，系統演示。并由相關設計責任人進行簽字，且做好相關記錄，如發現問題后需第一時間內進行責任追查，確保其有依可尋[7]。

6? 結論

綜上所述，通過對換熱器入口段結構優化設計進行分析研究，從多方面、多角度對換熱器入口段結構優化設計研究及內容進行闡明，并對其影響問題進行論述。結合實際情況及發展需求，提出相關研究核心，主要包括：換熱器概述、換熱器存在主要問題、國內外相關研究內容及方向、換熱器封頭內部流動仿真分析、從技術培養方面出發提升結構優化設計等，將優化換熱器入口段結構優化設計的核心要點進行論述，為下一步工作進展打下基礎。

參考文獻：

[1]古新，鄭志陽，羅元坤，等.基于正交試驗的扭轉流換熱器殼程結構優化[J].化工進展，2019，38（4）：1-2.

[2]張承虎，魏繼宏，范麗佳，等.管束式換熱器導流結構數值模擬研究與優化設計[J].河北工業大學學報，2019，7（3）：2-3.

[3]孫洪峰.薄管板換熱器的拉桿固定結構優化設計[J].化工設計，2019（3）：32-34.

[4]許寶軍，劉克為.太陽能發電系統中發夾式換熱器的設計[J].電站輔機，2019，12（2）：12-13.

[5]劉策，賈力，張旋.R134a在風冷分液式冷凝換熱器中的換熱性能研究[J].工程熱物理學報，2019，4（7）：14-15.

[6]利梅，聶毅強.裂解汽油加氫二段進出料換熱器型式及應用[J].石油化工設備技術，2019（3）：13-15.

[7]周浩宇，李謙，劉前，等.螺旋式升管換熱器熱工過程仿真分析與優化[J].工業爐，2019，5（4）：12-14.