不同類型封頭對換熱器的影響討論

　　研究了3種封頭結(jié)構(gòu)在不同Re下對板翅式換熱器出口通道物流分配和阻力損失的影響。結(jié)果表明，基本型封頭造成板翅式換熱器內(nèi)部物流分配極不均勻，而孔板型封頭結(jié)構(gòu)能有效地降低不均勻參數(shù)和 流速比，改善物流分配效果;孔板型封頭結(jié)構(gòu)增加了抉熱器的阻力損失和摩擦系數(shù);錯排孔板型封頭在改善換熱器物流分配的同時，也較好地抑制了阻力損失的增加，故其結(jié)構(gòu) 為合理。

　　以其 的優(yōu)點， 地應(yīng)用于能源、動力、化工、冶金、機械、原子能、航空和航天等領(lǐng)域。但由于在設(shè)計、安裝時密度波的不穩(wěn)定性和壓降等原因造成流體在其內(nèi)部分配不均勻，而物流分配的不均勻會引起封頭換熱器內(nèi)局部通道的尺e發(fā)生變化，進而導(dǎo)致封頭換熱器整體效能的下降。

　　針對物流分配引起換熱器效能的影響因素，文獻[3—6]研究發(fā)現(xiàn)物流分配的不均勻性主要發(fā)生在封頭部分，而導(dǎo)流片部分的不均勻性，主要是由封頭的來流不均勻所引起的。根據(jù)封頭結(jié)構(gòu)對物流分配的影響規(guī)律，筆者在數(shù)值模擬和實驗的基礎(chǔ)上設(shè)計了孔板型封頭結(jié)構(gòu)，對比研究了兩種改進型的孔板封頭和基本封頭對換熱器內(nèi)部物流分配及阻力 性的影響。

　　1 實驗系統(tǒng)及內(nèi)容

　　實驗系統(tǒng)采用空氣作為實驗工質(zhì)，實驗系統(tǒng)如圖1所示，主要由空氣回路系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成 。為了實現(xiàn)對截面小流量和溫度的測量，將試件的流動截面劃分為30個小區(qū)域，每個小區(qū)作為一個通道，可以進行小通道的流量和壓差測量。

　　分別對3種不同結(jié)構(gòu)的封頭(圖2)進行實驗，研究其對換熱器內(nèi)部物流分配及阻力(即進出口壓差)的影響。3種封頭設(shè)定如下：

　　a.工業(yè)上普遍應(yīng)用的基本封頭，其結(jié)構(gòu)尺寸與文獻[6]中定義的封頭A一致，設(shè)定為A型封頭。

　　b.孔板型封頭結(jié)構(gòu)，在基本型封頭內(nèi)部1/2高度的地方加入一不均勻打孔擋板。根據(jù)所加擋板類型，定義順排擋板為B型封頭，錯排擋板為c型封頭。

　　2 實驗結(jié)果的分析與討論

　　2.1 相同尺e下不同封頭結(jié)構(gòu)物流分配的比較

　　為了便于不同封頭結(jié)構(gòu)下進行比較，故將30路出口通道流速展開成一維直線，圖3為Re=1 5o0時3種封頭板翅式換熱器流速分布情況。從中可以看出基本型封頭A物流分配存在著嚴重的不均勻性，中問兩排通道的流速明顯大于其余四排通道的流速，隨著通道遠離總管軸線，其內(nèi)部流量呈減小的趨勢，對應(yīng)入口管附近的第l2和17個通道的速度值極高， 速度為2.270m/s;而遠離入口管處于截面四角的第1、5、26、30個通道速度值極低， 小速度為0.228m/s， 流速比0 為9.951，不均勻參數(shù)s 為0.652m/s。

　　從圖3中可以看出在基本型封頭內(nèi)部添加了打孑L擋板以后，無論是順排還是錯排孑L板，其30路出口通道的流速均勻性得到了明顯的改善，其中央位置高流速區(qū)的速度大大降低，而四周低流速區(qū)的速度均明顯升高，流速分布比較均勻， 流速比0 和不均勻參數(shù)s 較基本型都有很大程度上的改善，封頭B和C的出口通道的流速沒有明顯的突升和突降，而是比較均勻。相對于封頭A，錯排孑L板封頭C的 速度降為1.471 m/s， 小速度升為1.288m/s，其不均勻參數(shù)s 僅為0.053m/s。

　　2.2 不同尺e下封頭結(jié)構(gòu)對換熱器出口物流分配的影響

　　表1反映了不同封頭結(jié)構(gòu)下的不均勻參數(shù)s 與尺e的變化關(guān)系。從中可以看出，隨著尺e的增大，3種結(jié)構(gòu)封頭的流速不均勻參數(shù)s 越來越大，這說明換熱器出口的物流分配將會變得越來越不均勻。因此尺e是影響板翅式換熱器物流分配的重要因素，而兩種改進型的孑L板型封頭較之基本型封頭均有很大改善，錯排型封頭的物流分配效果始終優(yōu)于其他兩種結(jié)構(gòu)。

　　上述現(xiàn)象可以解釋為：打孑L擋板型封頭中央正對著入口管的地方孑L徑較小，可以使來流受到較大的阻力，從而使得四周的孑L中流過的流體增多，而四周較大的孑L徑保證了分流來的流體順利通過。由于錯排孑L板在當量直徑的變化上 具有連續(xù)性，因而可以使得經(jīng)過孑L板四周的流體速度不至于降的過低，從而提高了整個板束出口截面流速分布的均勻性。

　　2.3 封頭換熱器進出口總管的阻力分布

　　由文獻[7]可知，板翅式換熱器的進出口管的阻力部分一般包括3個部分：入口封頭段、換熱器芯體部分和出口封頭段，在工程計算中，近似認為入口段的壓降和出口段的壓升相等，主要是計算換熱器芯體部分的壓差，忽略了進出口封頭段的壓差損失，其計算公式為：

　　圖4研究了在不同封頭結(jié)構(gòu)下板翅式換熱器進出口總管的流動阻力隨 e變化的情況。從圖4中可以看出， e較低時，流動阻力的變化較小，而隨著 e的增加，3種封頭的流動阻力都大幅上升，但孔板型封頭的阻力增幅 快，這主要是由于在其內(nèi)部加一不同結(jié)構(gòu)的孔板，造成換熱器的流動阻力不同程度地增大。另外發(fā)現(xiàn)不同的封頭結(jié)構(gòu)對進出口總管的流動阻力的影響有較大的差別，其中封頭A的總管間流動阻力 小，而且增長趨勢緩慢，但其分配效果 差;順排不均勻孔板封頭B的流動阻力 ，其分配效果優(yōu)于封頭A;而錯排不均勻孔板封頭c分配效果 ，并且壓降增幅不大。

　　2.4 不同封頭板翅式換熱器的摩擦系數(shù)比較

　　相對改進型的封頭而言，由于添加了打孔的擋板，造成入口段的阻力損失很大，使得整個換熱器部分的壓差損失增加 。實驗中分別測量了不同封頭不同Re數(shù)時換熱器進出口總管的壓降，以此計算出反映阻力 性的摩擦參數(shù)圖5為按照式(1)計算出來的摩擦因子，與Re的關(guān)系圖，從中可以看出3種封頭下變化規(guī)律相同，摩擦因子/隨著 e的增大而降低?？装逍头忸^結(jié)構(gòu)的摩擦因子，要比原始封頭A大很多， 別是低Re下，這是由于在入口段添加了孔板的緣故，增加了其流動阻力，這表明強化了換熱器換熱的同時增大了流動阻力，符合傳熱學的基本知識。隨著 e的增加，封頭B和C的摩擦系數(shù)迅速下降，從圖5中可以看出，封頭B的摩擦系數(shù)始終大于A和c，這說明雖然順排孔板封頭能有效地改善其物流分配的均勻性，但是其阻力損失卻相當大，使其不可逆損失相應(yīng)增大，進而導(dǎo)致?lián)Q熱器換熱效能的下降。而錯排孔板型封頭c不僅改善物流分配的效果 ，其阻力損失不大， 別是在.Re較大時，基本與封頭A接近，如在Re：500時封頭A與C相差達到94.2% ，而在Re：3000時，其值只差15.7% ，這說明了在 e較大的情況下，封頭c不 效地改善了封頭換熱器的物流分配的均勻性，而且有效地削弱了由于強化換熱而造成的阻力損失，說明其結(jié)構(gòu) 為合理。

　　3 結(jié)論

　　3.1 通過結(jié)構(gòu)?；瘜嶒炑芯苛?種封頭結(jié)構(gòu)下

　　板翅式換熱器出口物流分配的情況。發(fā)現(xiàn)工業(yè)用基本型封頭的物流分配極其不均勻，而孔板型封頭結(jié)構(gòu)能有效地改善物流分配，降低不均勻參數(shù)和 流速比。封頭結(jié)構(gòu)和 e數(shù)是影響換熱器物流分配的主要因素。

　　3.2 研究了不同狀況下?lián)Q熱器的阻力分布 性。3種封頭結(jié)構(gòu)下?lián)Q熱器的阻力損失都隨著.Re的增大而增加，并通過計算其摩擦系數(shù)/，表明孔板型封頭較之基本封頭要大。同時，擬合了摩擦系數(shù)與e的關(guān)系式。

　　3.3 錯排孔板型封頭結(jié)構(gòu)不僅改善物流分配的效果 ，其阻力損失也能得到較好的抑制，其結(jié)構(gòu)設(shè)計 為合理。

　　橢圓封頭由于受力較好，加工較易，因此被 應(yīng)用于化工、輕工、石油及制藥等行業(yè)的中低壓容器。人們通常認為橢圓封頭是由半個橢圓殼和一段直邊圓筒組成的，橢圓封頭制造時封頭展開面積 是根據(jù)這一假設(shè)推導(dǎo)計算的，然而構(gòu)成橢圓封頭的那半個橢圓殼是不是真正的橢圓殼呢?如果不是，又當如何計算橢圓封頭的展開面積呢?筆者根據(jù)回轉(zhuǎn)殼體的基本概念詳細分析橢圓封頭的幾何形狀，并根據(jù)橢圓封頭真正的幾何形狀推導(dǎo)其展開面積，為制造提供準確的下料尺寸。

　　橢圓封頭幾何形狀回轉(zhuǎn)殼體基本概念殼體是被兩個曲面所限定的物體，等分殼體各點厚度的曲面稱為殼體的中面，中面是回轉(zhuǎn)曲面的殼體稱為回轉(zhuǎn)殼體，而回轉(zhuǎn)曲面則是一條平面曲線繞同平面的一根軸旋轉(zhuǎn)而成的曲面，并稱這條平面曲線為該回轉(zhuǎn)曲面的母線。回轉(zhuǎn)殼體尤其是回轉(zhuǎn)薄殼的幾何形狀通常根據(jù)中面母線來描述。

　　中面母線方程等厚度的橢圓封頭無疑也是一個回轉(zhuǎn)殼體，但無論是沖壓還是旋壓成型的橢圓封頭只能保證其橢圓殼部分的內(nèi)表面(或外表面)為橢球面，中面及外表面(或內(nèi)表面)并非橢球面，即其內(nèi)表面(或外表面)母線是橢圓，而中面及外表面(或內(nèi)表面)母線并非橢圓。中面及外表面(或內(nèi)表面)母線方程可以根據(jù)內(nèi)表面(或外表面)母線橢圓按如下方法推出。