不同封头对板翅式换热器流场及阻力的研究
摘要：研究了3种封头结构在不同Re下对板翅式换热器出口通道物流分配和阻力损失的影响。结果表明，基本型封头造成板翅式换热器内部物流分配极不均匀，而孔板型封头结构能有效地降低不均匀参数和最大流速比，改善物流分配效果；孔板型封头结构增加了抉热器的阻力损失和摩擦系数；错排孔板型封头在改善换热器物流分配的同时，也较好地抑制了阻力损失的增加，故其结构最为合理。
板翅式换热器作为一种典型的新型紧凑式换热器，以其独特的优点，广泛地应用于能源、动力、化工、冶金、机械、原子能、航空和航天等领域。但由于在设计、安装时密度波的不稳定性和压降等原因造成流体在其内部分配不均匀，而物流分配的不均匀会引起换热器内局部通道的尺e发生变化，进而导致换热器整体效能的下降¨ 。
针对物流分配引起换热器效能的影响因素，文献[3—6]研究发现物流分配的不均匀性主要发生在封头部分，而导流片部分的不均匀性，主要是由封头的来流不均匀所引起的。根据封头结构对物流分配的影响规律，笔者在数值模拟和实验
的基础上设计了孔板型封头结构，对比研究了两种改进型的孔板封头和基本封头对换热器内部物流分配及阻力特性的影响。
1 实验系统及内容
实验系统采用空气作为实验工质，实验系统如图1所示，主要由空气回路系统和数据采集系统组成 。为了实现对截面小流量和温度的测量，将试件的流动截面划分为30个小区域，每个小区作为一个通道，可以进行小通道的流量和压差测量。
分别对3种不同结构的封头(图2)进行实验，研究其对换热器内部物流分配及阻力(即进出口压差)的影响。3种封头设定如下：
a．工业上普遍应用的基本封头，其结构尺寸与文献[6]中定义的封头A一致，设定为A型封头。
b．孔板型封头结构，在基本型封头内部1／2高度的地方加入一不均匀打孔挡板。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。
2 实验结果的分析与讨论
2．1 相同尺e下不同封头结构物流分配的比较
为了便于不同封头结构下进行比较，故将30路出口通道流速展开成一维直线，图3为Re=1 5o0时3种封头板翅式换热器流速分布情况。从中可以看出基本型封头A物流分配存在着严重的不均匀性，中问两排通道的流速明显大于其余四排通道的流速，随着通道远离总管轴线，其内部流量呈减小的趋势，对应入口管附近的第l2和17个通道的速度值极高，最大速度为2．270m／s；而远离入口管处于截面四角的第1、5、26、30个通道速度值极低，最小速度为0．228m／s，最大流速比0 为9．951，不均匀参数s 为0．652m／s。
图3 Re=1 500时3种封头出口通道流速分布
从图3中可以看出在基本型封头内部添加了打孑L挡板以后，无论是顺排还是错排孑L板，其30路出口通道的流速均匀性得到了明显的改善，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s 较基本型都有很
大程度上的改善，封头B和C的出口通道的流速没有明显的突升和突降，而是比较均匀。相对于封头A，错排孑L板封头C的最大速度降为1．471 m／s，最小速度升为1．288m／s，其不均匀参数s 仅为0．053m／s。
2．2 不同尺e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s 与尺e的变化关系。从中可以看出，随着尺e的增大，3种结构封头的流速不均匀参数s 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。因此尺e是影响板翅式换热器物流分配的重要因素，而两种改进型的孑L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他两种结构。
上述现象可以解释为：打孑L挡板型封头中央正对着入口管的地方孑L径较小，可以使来流受到较大的阻力，从而使得四周的孑L中流过的流体增多，而四周较大的孑L径保证了分流来的流体顺利通过。由于错排孑L板在当量直径的变化上更具有连续性，因而可以使得经过孑L板四周的流体速度不至于降的过低，从而提高了整个板束出口截面流速分布的均匀性。
2．3 换热器进出口总管的阻力分布
由文献[7]可知，板翅式换热器的进出口管的阻力部分一般包括3个部分：入口封头段、换热器芯体部分和出口封头段，在工程计算中，近似认为入口段的压降和出口段的压升相等，主要是计算换热器芯体部分的压差，忽略了进出口封头段的压差损失，其计算公式为：
图4研究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 e变化的情况。从图4中可以看出， e较低时，流动阻力的变化较小，而随着 e的增加，3种封头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地增大。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。
图4 进出口总管的流动阻力与 e的关系
2．4 不同封头板翅式换热器的摩擦系数比较
相对改进型的封头而言，由于添加了打孔的挡板，造成入口段的阻力损失很大，使得整个换热器部分的压差损失增加显著。实验中分别测量了不同封头不同Re数时换热器进出口总管的压降，以此计算出反映阻力特性的摩擦参数图5为按照式(1)计算出来的摩擦因子，与Re的关系图，从中可以看出3种封头下变化规律相同，摩擦因子／随着 e的增大而降低。孔板型封头结构的摩擦因子，要比原始封头A大很多，特别是低Re下，这是由于在入口段添加了孔板的缘故，增加了其流动阻力，这表明强化了换热器换热的同时增大了流动阻力，符合传热学的基本知识。随着 e的增加，封头B和C的摩擦系数迅速下降，从图5中可以看出，封头B的摩擦系数始终大于A和c，这说明虽然顺排孔板封头能有效地改善其物流分配的均匀性，但是其阻力损失却相当大，使其不可逆损失相应增大
，进而导致换热器换热效能的下降。而错排孔板型封头c不仅改善物流分配的效果最佳，其阻力损失不大，特别是在．Re较大时，基本与封头A接近，如在Re：500时封头A与C相差达到94．2％ ，而在Re：3000时，其值只差15．7％ ，这说明了在 e较大的情况下，封头c不仅有效地改善了换热器的物流分配的均匀性，而且有效地削弱了由于强化换热而造成的阻力损失，说明其结构更为合理。
3 结论
3．1 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其不均匀，而孔板型封头结构能有效地改善物流分配，降低不均匀参数和最大流速比。封头结构和 e数是影响换热器物流分配的主要因素。
3．2 研究了不同状况下换热器的阻力分布特性。3种封头结构下换热器的阻力损失都随着．Re的增大而增加，并通过计算其摩擦系数／，表明孔板型封头较之基本封头要大。同时，拟合了摩擦系数与e的关系式。
3．3 错排孔板型结构不仅改善物流分配的效果最好，其阻力损失也能得到较好的抑制，其结构设计最为合理。
