一种关于新型板翅式换热器的传热设计论文_唐晓陈玉兰宋洪辉

（重庆交通大学船运与船舶工程学院，重庆 400074）

摘要：板翅式换热器的结构优化已经成为目前国内外研究的热点问题，流体在不同结构参数平直翅片及银齿形翅片、多孔翅片、波纹翅片、钉状翅片等高效能翅片的流动传热表现。本文基于流体力学、工程热力学、传热学知识及前人的研究分析板翅式换热器的传热原理和结构优化设计。

关键词：传热原理；翅片结构；相变

1换热器的基本理论

1.1新型板翅换热器结构原理

板翅式换热器单元主要包括翅片、隔板，导流片，流道，封头。各单元通过真空钎焊工艺焊接在一起。在相邻两个隔板实践放置翅片和封条，形成一个可以流通的通道夹层，并由一定数量的通道按照一定的布置方式排列组成板束，在将一定数量的板束根据流动方式排布起来形成芯体。翅片是板翅式换热器的基本元件，也是核心元件，其传热过程主要是通过流体和翅片之间的对流传热进行。翅片作为隔板的延伸和扩展不仅扩大了传热面积、提高了换热器紧凑性，而且由于其对流体的强烈扰动从而可以提高换热器效率，同时使得芯体形成牢固整体，增强了换热器的强度和承压能力。

板翅换热器具有比表面积大、传热速率高、可多股流换热、可二次传热的特点，由于翅片对流体的扰动使边界层不断破裂，因而具有较大的换热系数；同时由于隔板、翅片很薄，具有高导热性，所以使得板翅式换热器可以达到很高的效率。板翅换热器在传统型板翅换热器的基础上，改变流道结构，使流道更复杂，湍流耗散率增加，从而大大提高换热器的传热性能。通过流道的布置和组合能够适应：逆流、错流、多股流、多程流等不同的换热工况。通过单元间串联、并联、串并联的组合可以满足大型设备的换热需要。工业上可以定型、批量生产以降低成本，通过积木式组合扩大互换性。

2新型板翅换热器的传热设计计算

设计计算目的在于设计计算换热器的换热面积，不同表面下流体的流动传热特性是换热器设计优化的基础。流体为连续性介质，流动过程遵循连续性方程、动量守恒方程以及能量守恒方程。提出如下假设。入口流体的流动状态为层流；流体的物理属性不会随着温度的变化而改变；入口流体流量分布均匀；翅片形成的流道间距均匀；忽略换热器内部翅片厚度对流体流动的阻力作用；忽略换热器内部流体与外界空气之间的热量交换；忽略换热器同层翅片结构同一截面不同流道内流体温度的差异。

常物性、不可压缩流体二维稳定流动的对流换热微分方程组

连续性微分方程：

动量微分方程描述流体的速度场：

能量微分方程：

对流换热微分方程组可得（薄壁内的导热量=对流换热量）：

研究新型高效率的换热器就是强化传热，使热流量增加的过程。由传热方程可知，增加热流量可以通过增大传热系数、传热面积、或传热平均温差实现。传热效率的提高主要取决于换热管，而提高换热管的传热效率主要是改变换热管的形状管内外采用异形管，改变管内流体流动状态提高传热、向换热管中加入内插物提高搅动程度、加入不互溶低沸点添加剂，靠汽化潜热提高传热效果。

影响换热器换热特性的因素多，主要有压降特性，换热表面特性，翅片传热特性等几种。

本文从相变和翅片形状角度研究换热器换热特性。

（1）交错排列的翅片使流体在流动方向上产生的热边界层不断被破坏,使得锯齿形翅片比平直形翅片拥有更好的换热效果。在形状、高低相同的条件下，翅片数目越多翅板的换热性能越好，在形状和翅面数目相同情况下，换热器越矮，换热性能越高，三角形翅板换热器的换热性能由于矩形翅板换热器。常见的平板形状有：平直翅片、锯齿翅片、多孔形翅片、波纹翅片。

一般常用的方法是对传热因子j和阻力因子f进行分析。传热因子j是关于雷诺数的函数，它本身为无量纲参数，用来计算传热系数。阻力因子f同样由雷诺数决定，用来计算芯体阻力，但对于目前的研究，对于无相变的板翅式换热器，传热因子j和阻力因f子变化沿用1965年由日本神钢“ALEX”引进的性能曲线。换热器翅片的参数计算仍是使用经验公式。通过热平衡原理，可以推导出翅片效率的表达式如下：

其中为k传热系数，为传热热阻，为翅片厚度，为版间距。