封头对板翅式换热器流动及阻力特性的影响

石油机械34卷第5期专题研究卜封头对板翅式换热器流动及阻力特性的影响周爱民厉彦忠文键马岩松（西安交通大学能源与动力工程学院）小流量和温度的测量，将试件的流动截面划分为30个小的区域，如中所示，每个小的区域作为一个通道，可以进行小通道的流量和压差测量。

　　工业上普遍应用的基本封头，其结构尺寸与中定义的封头A―致。

　　改进的孔板型封头，采用在封头内部高度一半的地方加入一不均匀打孔挡板。

　　板上打孔率沿着挡板的中轴线向两侧逐渐增加且成对称分布，孔板上沿中轴线由内向外分别均匀地打小、中、大3种直径的孔。根据所加挡板类型，定义顺排挡板为B型封头，错排挡板为C型封头。孔板型封头结构和孔板结构图如ab、c所示。

　　另外引入无量纲参数0表示换热器各通道被测参数的最大值与最小值之比，也从一定程度上反映了不均匀分配的情况。即0和分别表示最大流速比和最大阻力比。

　　1.不同封头结构换热器出口的通道流速分布（1）同一Re下不同封头结构物流分配的比较实验结果分析与讨论bookmark2为了表示换热器截面通道流量分配和阻力分布的绝对不均参数，引入数理统计上的标准方差S.它体现了计算数据的离散程度，可以很好地综合反映不同工况、不同封头结构参数对板束单元体内部的被测量分配不均匀情况。所得绝对值越大表示截面被测量分配越不均匀，反之其分配就越均匀。这里定义：Sv和S分别表示速度和阻力分布的不均匀参数。其中下标ch（i）表示第i个通道的测量值，下标ave表示截面平均测量值。N表示总通道数，为便于比较分析，将与入口管来流相同的方向定义为纵向，垂直来流方向定义为横向。a和3b分别表示的是在Re=15⑴时3种封头结构换热器横向和纵向出口截面平均流速分配情况。从图中可以看到，目前工业中普遍应用的基本型封头A下出口截面流速分布极其不均：对应入口管附近的第12和17个通道的速度值极高，最高速度为2.270m/s而远离入口管处于截面四角的第1 52630个通道速度值极低，最低速度为0.228m /s最大流速比0为9.951不均匀参数又为0.652m/s横向平均速度最大和最小值分别为2.056m /s和0.601m/s纵向平均速度最大和最小值分别为1.776m /s和/s而在改进型封头内加入打孔挡板的封头下，无论是顺排还是错排孔板，其中央位置高流速区的速度大大降低，而四周低流速区的速度均明显升高，流速分布比较均匀，最大流速比0和不均匀参数Sv较基本型都有很大改善。

　　对着入口管的地方孔径较小，可以使来流受到较大的阻力，从而使得四周的孔中流过的流体增多，而四周较大的孔径保证了分流来的流体顺利通过。由于错排孔板在当量直径的变化上更具有连续性，因而可以使得经过孔板四周的流体速度不至于降得过低，从而提高了整个板束出口截面流速分布的均匀性。

　　（2）不同Re下封头结构对换热器出口物流分配的影响表1反映了不同封头结构下的不均匀参数Sv与Re的变化关系。从表中可以看出，随着Re的增大，3种封头结构的流速不均匀参数Sv越来越大，这说明换热器出口的物流分配将会变得越来越不均匀。因此Re是影响板翅式换热器物流分配的重要因素，而2种改进的孔板型封头较之基本型封头均有很大改善，错排型封头的物流分配效果始终优于其它2种结构。

　　表1不同封头下Sv与Re的变化关系似的部分特性，主要表现在流量相近的通道其流动阻力也比较相近，在流速较高的区域，也是流动阻力较大的区域，这主要是因为通道物流分配多，则流动速度就快，从而增加了流动阻力，引起通道整体阻力增加。但流动阻力的分布特性又表现出其本身的部分特性，也就是流动阻力的截面分布更加不均匀，在物流分配的高流速区，也是流动阻力较大的区域，两者比较而言，流动阻力分布由于通道流量分配的不同，变得更不均匀。

　　500时不同封头结构下换热器阻力分布的参数比较。从表中可以看出：基本型封头A的3 0路出口的阻力范围非常大，最大值为2910.58Pa最小值仅为221. 17Pa阻力不均匀73Pa最大阻力比0~为13.16而C型封头比其它2种封头，其出口通道压差分布没有出现大的“阶跃”说明其结构更合理。

　　表2不同封头结构下阻力分布的参数比较封头结构A型B型C型2.不同封头结构换热器流动阻力特性的研究以下通过实验测量板翅式换热器出口截面通道与总管入口的压降，以及换热器进出口总管的压降，可以了解物流分配的不均匀性对板翅式换热器内部流动阻力分布的影响，同时研究了进出口总管间的流动阻力随着Re的变化规律，为板翅式换热器的优化设计提供重要的价值。

　　（1）板翅式换热器出口截面通道与入口总管的阻力分布是Re=1500时基本封头板翅式换热器出口截面通道流动阻力分布图，从图中可以看出，流动阻力分布表现出与出口通道的物流分配相从表中可以看出，2种改进型封头30路出口的最小阻力损失比原始封头要大得多，究其原因：一般地阻力包括3个部分：入口封头段、换热器心体部分和出口封头段，在工程计算中，主要是计算换热器心体部分的压差，忽略了进出口封头段的压差损失，但是对改进型的封头而言，由于添加了打孔的挡板，造成了入口段的压差数值很大，使得整个换热器部分的压差损失增加显著。

　　结合物流分配实验的结果表明，孔板型封头结构在改善物流分配均匀和换热性能的同时，其阻力分布也有所提高，因此在强化换热的同时，必须对换热器整体进行优化设计，使其换热性能达到最佳。

　　（2）板翅式换热器进出口总管的阻力分布表明了在不同封头结构下，板翅式换热器进出口总管的流动阻力随Re变化的情况，总管出口即30路出口通道重新汇合成一个出口管。从图中可以看出：Re较低时，流动阻力的变化较小，而随着Re的增加，3种封头下的流动阻力都大幅上升，但孔板型封头的阻力增幅更快，这主要是由于在其内部加一不同结构的孔板，造成换热器的流动阻力不同程度的增大。另外发现不同的封头结构对进出口总管的流动阻力的影响有较大的差别，其中封头A的总管间流动阻力最小，而且增长趋势缓慢，但其分配效果最差；顺排不均匀孔板封头B的流动阻力最大，其分配效果优于封头A而错排不均匀孔板封头C分配效果最好，并且压降增幅不大。

　　进出口总管的流动阻力与Re的关系将图中的Ap-e关系进行多项式拟合，得到各个封头的进出口总管流动阻力与雷诺数的关系式。

　　当Re=0时，根据上式计算其流动阻力并不等于0主要是由于系统测量误差、数据加权平均以及拟合等过程中产生的误差造成的，以上拟合误差不大于5%上述实验结果表明：物流分配的不均匀性会导致流动阻力分布更不均匀，进而使各出口通道间总管流动阻力急剧增大，而封头结构和Re对板翅式换热器内部物流分配的不均匀性具有较大影响，因此封头结构和Re也是影响换热器流动阻力的决定因素。

　　结论通过结构模化实验研究了3种封头结构下板翅式换热器出口物流分配的情况。发现工业用基本型封头的物流分配极不均匀，而孔板型封头结构对于改善物流分配有明显效果，能够有效地降低不均匀参数和最大流速比。

　　研究了不同情况下板翅式换热器的阻力分布特性，发现物流分配的不均匀性会导致流动阻力分布更加不均匀，因此封头结构和Re不但是影响换热器物流分配的重要因素，也是影响阻力分布的决定因素。拟合出板翅式换热器进出口总管的流动阻力与Re的关系式。

　　影响板翅式换热器物流分配和阻力分布的实验结果表明，错排孔板型封头结构的改善效果最佳。