换热器入口段结构优化设计探析
换热器入口段结构优化设计探析
摘要：近些年，我国换热器生产工艺实现了创新制造，入口段结构的优化设计也成为我国换热器保持稳定功能的核心部件，因此其十分重要。通过研究发现，入口段结构的科学合理设计对于解决换热器流动问题具有重要作用。因此，本文对换热器入口段结构展开研究，首先阐述了换热器，其次对其优化设计进行具体分析，希望能够对其优化设计起到参考作用。
关键词：换热器；入口段结构；优化设计
工业生产过程中，换热器的应用十分广泛，是工业设备重要组成结构。对于换热器功能及其稳定性而言，换热器入口段结构是当前主要问题，具有重要意义。但是，当前有些换热器入口段结构的设计研究较少，需要采取有效措施对其展开研究，进而为换热器的入口段结构优化设计提供理论支持。
一、换热器概述
当前，各领域中对于换热器的应用都比较常见，十分广泛。换热器指的是将内部热流体热量实现有效传输，将热量传递至冷流体设备中。换热器即为热交换器，通过分析相关资料发现，换热器的应用范围交管，其中主要应用在能源动力、石油化工、工业生产等领域中[1]。此外，换热器的流程并不单一，其具有系统科学布局。因此，需要深入研究换热器功能发挥及其安全稳定性。
在实际应用中，换热器经常会出现改革中问题，其中最明显的问题在于内部流动不够稳定、均匀，使内部热流体不均匀。此外，由于换热器性能恶化也会导致很多问题，换热器性能恶化指的是其在实际应用时由于内外因素影响导致整体性能下降。在此情况下，优化设计换热器入口段主体结构十分重要。而经过分析发现，换热器入口段主体结构与导致流动不均匀的要素连接十分重要，其也是高校分析处理方式。通过相关设备分析封头内部流动，例如利用CFD仿真技术分析，可以掌握该导流片倾斜角、高度正确比、结构等，进而明确流动不均匀性导致的换热运行问题。通过相关数据，拟建封头主体、导流片结构、换热效率间等参数
关联模型。与此同时，设计目标需要以换热损失最小为主体。优化处理传统封头、二次封头等形式入口段主体结构参数。经过试验得到，改进二次型封头会减少内部流动不均匀现象，且换热率较高，能够作为最佳的换热器入口段结构选择。
二、换热器入口段结构优化设计
（一）仿真分析
如图1，其为换热器入口段结构。该结构中，封头是由水平半圆柱流道与竖直圆柱流道连接形成的，本文主要对封头结构与流动不均匀性关系进行研究。咋不考虑温度场的情况下，对封头内流动分布情况进行分析，以20℃水位介质，水密度、年度、比热容等参数设定为常熟，流体匀速进入封头内，之后进入到导流片内，其流动区域呈现稳态湍流流动状态。
在Catia中监理封头几何模型，再将其导入到Gambit中实行自由网格划分，每个网格大小为8，共有25346个网格，之后将其导入到Fluent中进行仿真求解。封头入口速度设置为2.5m/s，出口为outflow流量出口，壁面为绝热墙体，并未出现速度滑移现象。紊流方式为intensity（1%）、hydraulic diameter （0.5m）。收敛条件为残差绝对值＜10-5。
换热器封头内流体流动为三维稳态常物性不可压缩湍流流动，不考虑体积力，计算模型为标准模型，并根据有限体积法离散控制方程式和SIMPLEC算法、残差绝对值＜10-5等条件，利用交错网格技术计算各变量。
通过仿真分析得到传统封头内速度幅值分布和压力分布。
对比标准封头计算和叫安俊实验两个结果是相同的，也就是说明该模型有效。
图1 入口段结构
（二）构建模型
1.表征。用来表示入口段流动不均匀性指标的种类较多，本研究利用导流片出口速度标准差对入口流动性表征进行表示。导流片出口流体在进入到翅片通道后，每个通道横向上都均匀进行了划分，按照CFD仿真分析可以确定出口速度，对该区域导流片出口速度进行划分，同时定量表征为：
2.敏感性。如图4所示，其为导流片结构型式，为了对不同导流片倾斜角、结构参数与流动不均匀性之间关系进行研究，在Catia中构建30°、45°、60°三种倾斜角与不同结构参数几何模型。采用同一方法仿真分析不同封头直径、道路片高度比、质量流量等基础上的入口段流动不均匀性。
首先，对封头与导流片结构参数、流动不均匀度单因素敏感度曲线进行确定，之后按照入口段参数和不均匀度单因素敏感性分析结果，在最小不均匀度要求下简历雷诺数、质量流量、入口风头水力直径关系图，具体表现为图5。在此基础上，本文又构建了不均匀度、封头水力直径、导流片高度比、入口质量流量关系图，具体表现为图2-3。
图2 关系图
图3 关系图
（三）结果分析
通过上述分析发现，入口段流动若是不够均匀会使换热器效能降低，导致换热效率受损。基于此，本文对不同封头结构换热损失进行研究，为了实现最小损失目标需要优化设计入口段结构参数。
1.构建关联模型。流动不均匀会导致内部温度场分布不够均匀，并出现纵向导热，使换热器效能降低，因此，需要建立二者关系模型。
在冷热流体呈现均匀分布情况下，理想的换热效率是：
其中，传热单元数和热容量之比计算公式分别为：
若是入口段无流动不均匀性，则每层翅片换热率计算为：
换热器换热效率实际为：
因为不均匀产生的热效率损失量计算公式为：
2.本文针对入口结构涉及了三种封头，如图4所示。对比三种封头入口流动不均匀情况，计算器不均匀度，选择最小不均匀度作为最佳型式。之后，利用CFD分析法对三种分头进行流动仿真分析，确定流速分布以及压力分布，在雷诺数为1000时，三种封头流速分布情况见图5[2]。之后，根据导流片出口不均匀性计算热损失，分别为9.5%、8.8%、6.3%，从中可以看出第三种封头结构也就是改进型二次封头的不均匀性和换热损失明显减少，此为最佳封头型式。
图4 三种封头
型式
图5 流速分布
结束语：
通过本研究得到为了降低换热器热损失对入口段结构进行优化设计，对比三种不同封头选择改进型二次封头型式。阐述了换热器，对其优化设计进行具体分析，希望能够对其优化设计起到参考作用。
参考文献：
[1]谢洪涛,李星辰,绳春晨,等.微通道换热器结构及优化设计研究进展[J].真空与低温,2020(4):310-316.
[2]张承虎,魏继宏,范丽佳.管束式换热器导流结构数值模拟研究与优化设计[J].河北工业大学学报,2019,v.48;No.209(03):38-44.
板式换热器优化设计方法
板式换热器优化设计方法 01 板式换热器优化设计方向 近年来，板式换热器技术日益成熟，其传热效率高，体积小，重量轻，污垢系数低，拆卸方便，板片品种多，适用范围广，在供热行业得到了广泛应用。板式换热器按组装方式分为可拆式、焊接式、钎焊式、板壳式等。由于可拆式板式换热器便于拆卸清洗，增减换热器面积灵活，在供热工程中使用较多。可拆式板式换热器受橡胶密封垫耐热温度的限制，适用于水一水传热。本文对提高可拆式板式换热器效能的优化设计进行研究。 提高板式换热器的效能是一个综合经济效益问题，应通过技术经济比较后确定。提高换热器的传热效率和降低换热器的阻力应同时考虑，而且应合理选用板片材质和橡胶密封垫材质及安装方法，保证设备安全运行，延长设备使用寿命。 02 板式换热器优化设计方法 2．1提高传热效率 板式换热器是问壁传热式换热器，冷热流体通过换热器板片传热，流体与板片直接接触，传热方式为热传导和对流传热。提高板式换热器传热效率的关键是提高传热系数和对数平均温差。 ①提高换热器传热系数只有同时提高板片冷热两侧的表面传热系数，减小污垢层热阻，选用热导率高的板片，减小板片的厚度，才能有效提高换热器的传热系数。
a．提高板片的表面传热系数 由于板式换热器的波纹能使流体在较小的流速下产生湍流(雷诺数一 150时 )，因此能获得较高的表面传热系数，表面传热系数与板片波纹的几何结构以及介质的流动状态有关。板片的波形包括人字形、平直形、球形等。经过多年的研究和实验发现，波纹断面形状为三角形 (正弦形表面传热系数最大，压力降较小，受压时应力分布均匀，但加工困难？)的人字形板片具有较高的表面传热系数，且波纹的夹角越大，板间流道内介质流速越高，表面传热系数越大。 b．减小污垢层热阻 减小换热器的污垢层热阻的关键是防止板片结垢。板片结垢厚度为 1 mm时，传热系数降低约 10%。因此，必须注意监测换热器冷热两侧的水质，防止板片结垢，并防止水中杂物附着在板片上。有些供热单位为防止盗水及钢件腐蚀，在供热介质中添加药剂，因此必须注意水质和黏 *剂引起杂物沾污换热器板片。如果水中有黏性杂物，应采用专用过滤器进行处理。选用药剂时，宜选择无黏性的药剂。 c．选用热导率高的板片 板片材质可选择奥氏体不锈钢、钛合金、铜合金等。不锈钢的导热性能好，热导率约14．4 W/(m•K) ，强度高，冲压性能好，不易被氧化，价格比钛合金和铜合金低，供热工程中使用最多，但其耐氯离子腐蚀的能力差。 d．减小板片厚度 板片的设计厚度与其耐腐蚀性能无关，与换热器的承压能力
换热器结构设计
换热器结构设计. 符号： 1C ————钢材厚度负偏差mm. 2 C ————钢材的腐蚀裕量mm; C ————厚度附加量mm; i D ————圆筒的内直径mm; o D ————圆筒的外直径 (2) o i n D D δ=+mm; c P ————计算压力Mpa; d P ————设计压力Mpa; t P ————管程设计压力 Mpa; []w P ————圆筒的最大允许工作压力，Mpa; δ————圆筒的计算厚度mm; e δ————圆筒的有效厚度mm; n δ————圆筒的名义厚度mm; t σ————设计温度下圆筒材料的计算应力Mpa; []t σ————设计温度下圆筒材料的许用应力Mpa; []σ————试验温度下材料的许用应力Mpa; φ ————焊接接头系数. 壁厚的确定 壳体、官箱壳体和封头共同组成了换热器的外壳，管壳式换热器的壳体通常由管材或者板材卷制而成。压力容器的公称直径按GB9019-88规定，当直径<400mm 时，通常采用管材做壳体和管箱壳体。当直径≥400mm 时，采用板材卷制壳体和管箱壳体。其直径系列应与封头、连接法兰的系列相匹配，以便于法兰、封头的选型。卷制圆筒的公称直径以400mm 为基数，一般情况下，当直径>1000mm 时，直径相差100mm 为一个系列，必要时也可采用50mm ，当直径>1000mm 时直径相差200mm 为一个系列，若采用旋压封头，其直径系列的间隔可以取为100mm 。 圆筒的厚度按GB150-1998第5章计算，但碳素钢和低合金钢圆筒的最小厚度应不小于表1.1的规定。
公称直径 400~≤700 ＞700~≤1000 ＞1000~≤1500 ＞1500~≤2000 ＞2000~≤2600 U 型管式 8 10 12 14 16 表1.1 一.管箱圆筒短节设计 管箱圆筒（短节）.计算按GB150-1998第5章的有关规定，其开孔补强计算按GB150-1998第8章有关规定。设计条件按表1.2。 部件 材料 设计温度℃ 设计压力Mpa []t σ Mpa [] σ Mpa φ 标准 1 C mm 2 C mm 管箱圆 筒短节 20R 120 0.9 121.8 0.85 GB6654-1996 5 表1.2 圆筒计算： 设计温度下圆筒的计算厚度如下计算，公式的适用范围为 []0.4t c P σφ ≤。 [] 2c i t c P D P σ φδ= - 其中 1c P M pa =； 900i D mm =； []132.6t Mpa σ=；0.85φ=带入上式得： 计算厚度： 4.03m m δ= 厚度附加量： 12055C C C mm =+=+= 名义厚度： 14n m m δ= 有效厚度： 9e m m δ= 设计温度下圆筒的计算应力： () 2t c i e e p D δσδ+= 得 1(9009) 50.529 t M pa σ?+= =? []t t σσφ < 满足强度要求，故取名义厚度 14n m m δ=合适。 设计温度下圆筒的最大允许工作压力：
板式换热器的特点与优化设计
板式换热器的特点与优化设计214000 摘要：板式换热器自身具备诸多特点，能够从根本增加换热效率，并对水中 杂质进行有效清除，然而，在具体应用中应掌握板式换热器特点，根据特点与应 用实况对其展开优化设计，以此发挥其应有作用。本文以板式换热器概述为基础，阐明其主要特点，继而提出其优化设计，以供参考。 关键词：板式换热器；主要特点；优化设计 引言：板式换热器是由一系列波纹金属板制成的高效热交换器，在热交换器 的板之间有许多小的流动通道，通过这些通道进行热交换。与传统的管式换热器 相比，在相同的流动阻力和泵功率消耗的情况下，换热系数要高得多。板式换热 器的广泛应用促进了我国板式换热器行业的快速发展，但板式换热器的设计仍远 远落后于发达国家。因此，有必要研究板式换热器的最佳设计方法，分析板式换 热器的最佳设计方案。 一、板式换热器的概述 板式换热器是一种由金属板制成并用螺钉固定的热交换器。工作流体流过两 个板之间的狭窄弯曲通道。热的和冷的液体依次通过管道，液体被中间隔墙分隔开，热传导通过隔墙。板式换热器的设计和传热原理决定了它具有结构紧凑、占 地面积小、换热效率高、应用范围广、热损失小、安装清洗方便等特点。有两种 介质之间的平均温差小于1℃，热回收效率可达99%以上。在相同的压力损失下，板式换热器传递的热量是管式换热器的3-5倍，占管式换交换器表面积的1/3， 消耗的热量仅为管式换热器的2/3管式热交换器的金属。因板式换热器是一种高效、节能、经济、投资少的先进换热设备，所以广泛应用于化学、石化、食品饮料、机械工程、集中供热、冶金、电力、造船、造纸、纺织、制药、核工业、海 水淡化、热电联产等工业领域，可进行各种冷却、加热、凝结、浓缩、消毒和废 热回收过程[1]。
换热器结构及设计
换热器结构及设计 §1 间壁式换热器 一. 夹套式换热器 结构如图所示。夹套空间是加热介质和冷却介质的通路。 这种换热器主要用于反应过程的加热或冷却。当用蒸汽 进行加热时，蒸汽上部接管进入夹套，冷凝水由下部接 管流出。作为冷却器时，冷却介质（如冷却水）由夹套 下部接管进入，由上部接管流出。 夹套式换热器结构简单，但由于其加热面受容器壁面限 制，传热面较小，且传热系数不高。 二.喷淋式换热器 喷淋式换热器的结构与操作如下图所示。这种换热器多 用作冷却器。热流体在管内自下而上流动，冷水由最上 面的淋水管流 出，均匀地分布在蛇管上，并沿其表面呈 膜状自上而下流下，最后流入水槽排出。 喷淋式换热器常置于室外空气流通处。冷 却水在空气中汽化亦可带走部分热量，增 强冷却效果。其优点是便于检修，传热效 果较好。缺点是喷淋不易均匀。 三.套管式换热器 套管式换热器的基本部件由直径不同的直 管按同轴线相套组合而成。内管用180° 的回弯管连接，外管亦需连接，结构如图 所示。每一段套管为一程，每程有效长度 为4～6m 。若管子太长，管中间会向下弯 曲，使环隙中的流体分布不均匀。 套管换热器的优点是构造简单，内管能耐高压，传热面积可根据需要增减，适当选择两管的 管径，两流体皆可获得适宜的流速，且两流体可作严格逆流。其缺点是管间接头较多，接头
处易泄漏，单位换热器体积具有的传热面积较小。故适用于流量不大、传热面积要求不大但压强要求较高的场合。 四.管壳式换热器 1.固定管板式 结构如图所示。管子两端与管板的 连接方式可用焊接法或胀接法固 定。壳体则同管板焊接。从而管束、 管板与壳体成为一个不可拆的整 体。这就是固定管板式名称的由来。 折流板主要是圆缺形与盘环形两种，其结构 如图所示。 操作时，管壁温度是由管程与壳程流体共同 控制的，而壳壁温度只与壳程流体有关，与 管程流体无关。管壁与壳壁温度不同，二者 线膨胀不同，又因整体是固定结构，必产生 热应力。热应力大时可能使管子压弯或把管 子从管板处拉脱。所以当热、冷流体间温差 超过50℃时应有减小热应力的措施，称 “热补偿”。 固定管板式列管换热器常用“膨胀 节”结构进行热补偿。图所示的为 具有膨胀节的固定管板式换热器， 即在壳体上焊接一个横断面带圆弧 型的钢环。该膨胀节在受到换热器 轴向应力时会发生形变，使壳 体伸缩，从而减小热应力。但这种补偿方式仍不适用于热、冷流体温差较大（大于70℃）的场合，且因膨胀节是承压薄弱处，壳程流体压强不宜超过6at 。
高效多级换热器的优化设计
高效多级换热器的优化设计第一章介绍 高效多级换热器是一种能够有效降低能源消耗和提高热效率的设备。其优化设计是提高热能利用效率、减少能量损耗和提高工作效率的关键。本文将基于多级换热器的结构特点和工作原理，探讨其优化设计的方法和策略。 第二章多级换热器的结构特点 多级换热器由多个单元组成，其结构特点包括热媒流路的多样性、分级换热单元的相互作用和换热器整体的协同工作。其主要组成部分包括加热段、冷却段、中间管束和壳体。中间管束内部通过换热板的交错排列形成了多个流体通道，在不同的流体通道之间进行不同程度的传热。 第三章多级换热器的工作原理 多级换热器的工作原理是通过多级流动加热和冷却，使得流体通过多级流动和换热，达到一定的换热效果。在多级换热器中，流体由高温到低温逐级流动，从而实现了多级流动加热和冷却的目的。多级换热器具有可扩展性、可控性和稳定性等优点，可以适应不同的加热和冷却需求。 第四章高效多级换热器的优化设计
高效多级换热器的优化设计是在保证热量传递和换热效率的基 础上，减少能源消耗和提高工作效率。具体的优化设计包括以下 几个方面： 1. 加强流体的混合和分散，增加流体之间的传热面积，提高传 热效率。 2. 优化换热单元的结构和材料，提高换热器的传热和热传递性能。 3. 采用聚能减阻技术，减小流体的阻力和能量损耗，提高工作 效率。 4. 增加透明壁障的数量和分布，减少流体的流动阻力和小流线 的存在，提高传热效能。 5. 选择合适的冷却介质和加热介质，优化换热流体的传热性能。 第五章案例分析 以某二级换热器为例，通过采用优化设计策略，实现了换热器 的性能提升和能源消耗的降低。具体的改进措施包括：设计新的 流体分流和分散结构，增加换热单元的传热面积和数量，采用高 温和高压的加热介质和低温和低压的冷却介质，采用聚能减阻技 术和透明壁障技术。实验结果显示，改进后的换热器热效率提高50%以上，能源消耗减少40%以上，具有显著的优化效果和技术 经济价值。
换热器拓扑优化方案
换热器拓扑优化方案 引言 换热器是工业领域中常用的设备，用于传递热量。换热器的设计和拓扑结构对热效率和能源消耗起着重要的影响。本文将讨论换热器拓扑的优化方案，在保证换热效率的前提下减少能源消耗。 换热器拓扑的基本原理 换热器的基本原理是通过流体之间的换热来传递热量。常见的换热器类型包括管壳式换热器、板式换热器和螺旋板式换热器等。不同的换热器类型有不同的拓扑结构，而换热器的拓扑结构对热效率和能源消耗有着重要的影响。 换热器的拓扑结构包括流体的流动路径和传热面积的分配等。优化换热器的拓扑结构可以改善换热效率，减少能源消耗。下面将介绍几种常用的换热器拓扑优化方案。 平行流换热器拓扑优化 平行流换热器是一种常见的换热器类型，其流体流动方向与传热面积平行。在平行流换热器中，流体在整个传热过程中保持相对稳定的温度差，热量传递效果良好。 在平行流换热器的优化中，需要考虑以下几个方面： 1.流体的流动路径：通过合理设计流体的流动路径，可以使得流体在换 热过程中的流动速度、涡旋和流动状态等参数达到最佳状态，从而提高换热效率。 2.传热面积的分配：在平行流换热器中，传热面积的分配对换热效果起 着至关重要的作用。通过合理分配传热面积，可以提高热量传递效率，减少能源消耗。 3.换热器的结构设计：换热器的结构设计也对换热效率和能源消耗有着 重要的影响。合理设计换热器的结构，可以降低流体的压降和泄漏损失，从而减少能源消耗。 针对以上问题，可以采用仿真和优化算法来优化平行流换热器的拓扑结构。通过对不同设计参数进行优化，可以得到最佳的换热器拓扑方案。
逆流换热器拓扑优化 逆流换热器是另一种常见的换热器类型，其流体的流动方向与传热面积相反。逆流换热器的工作原理是在换热过程中使得流体的温度差随时间逐渐减小，从而达到更高的换热效率。 逆流换热器的优化和平行流换热器类似，也需要考虑流体的流动路径、传热面积的分配和换热器的结构设计等因素。 在逆流换热器的优化中，需要特别注意以下几个方面： 1.流体的流动路径：逆流换热器中，流体的流动路径是由入口位置和出 口位置决定的。合理选择入口位置和出口位置，可以使得流体在换热过程中保持良好的流动状态，提高换热效率。 2.传热面积的分配：在逆流换热器中，传热面积的分配也是一个重要的 优化因素。通过合理分配传热面积，可以使得逆流换热器在换热过程中充分利用传热面积，提高换热效率。 3.换热器的结构设计：逆流换热器的结构设计同样对热效率和能源消耗 有着重要的影响。合理设计换热器的结构，可以降低流体的压降和泄漏损失，提高换热效率。 其他类型换热器拓扑优化 除了平行流换热器和逆流换热器，还有其他一些特殊类型的换热器，如交叉流换热器和混合流换热器等。这些换热器类型在不同的工况下有着不同的优化方法。 对于交叉流换热器，其流体的流动路径是交叉的，可以通过合理设计交叉点的位置和角度来优化换热效率。同时，交叉流换热器的传热面积分配和结构设计也是优化的关键。 对于混合流换热器，其流体的流动路径是混合的，可以通过合理设计流体的进出口位置和流动路径来优化换热效率。此外，混合流换热器的传热面积分配和结构设计也需要进行合理优化。 结论 换热器的拓扑结构优化是提高换热效率和减少能源消耗的重要手段。在优化换热器拓扑结构时，需要考虑流体的流动路径、传热面积的分配和换热器的结构设计等因素。通过合理选择和设计这些参数，可以得到最佳的换热器拓扑方案。同时，采用仿真和优化算法的方法可以帮助实现换热器拓扑结构的优化。 通过换热器的拓扑优化方案，可以实现换热器的高效运行，提高热能利用率，减少能源消耗，从而为工业生产和能源节约做出了重要贡献。
板式换热器的优化设计与性能测试分析
板式换热器的优化设计与性能测试分析 第一章：引言 板式换热器是一种广泛应用的换热设备，大量应用于各种工业 领域。随着工业化的发展，其应用范围不断扩大。在现代化的生 产过程中，板式换热器的性能优化设计和性能测试分析对于提高 生产效率和降低生产成本具有重要意义。本文仅就板式换热器的 优化设计和性能测试分析做简要介绍。 第二章：板式换热器的基本原理 板式换热器是由许多平行的板组成，板之间存在通道用于流体 的传输和传热。流体在板之间交替流动，从而实现热量的传递。 板式换热器结构简单，传热效率高，且易于维护和清洁。 第三章：板式换热器的优化设计 优化设计是指将已有的产品或系统进行重新设计，将其各项性 能参数优化，达到最佳的性能状态。在板式换热器的优化设计中，主要关注以下方面： 3.1 流体速度的优化 流体速度直接影响热传递效率，需要通过优化通道宽度和管径 等参数来达到最佳流速。 3.2 流体流量的优化
流体流量也是影响换热器性能的重要参数。需要通过技术手段优化流量来保证传热效率和高效能。 3.3 板片结构的优化 板片结构对于传热效率的影响非常大，需要通过优化板片的形状、大小、材料等来达到最佳性能。 3.4 热交换面积的优化 热交换面积也是影响板式换热器性能的关键因素，需要通过适当的方法扩大有效的热交换面积，从而提高传热效率。 第四章：板式换热器的性能测试分析 性能测试分析是指通过实验手段对板式换热器的性能进行测试和分析。在板式换热器的性能测试分析中，主要关注以下方面： 4.1 流体温度的测试 流体温度是板式换热器性能的核心参数，需要通过专业测试手段对流体温度进行精确的测试。 4.2 换热系数的测试 换热系数是反映换热器传热效率的重要参数，需要通过实验测试手段对其进行准确的测评和分析。 4.3 压力损失的测试
基于响应面法板翅式换热器结构优化
基于响应面法板翅式换热器结构优化 2江苏科技大学215636 摘要 本文以板翅式换热器锯齿形翅片为研究对象，研究不同结构参数对板翅式换 热器流动换热特性的影响。基于多级响应面法，采用Box-Behnke试验，以翅片 高度、翅片厚度以及翅片间距作为试验因素，板翅式换热器的换热系数以及压降 为响应值，分析交互作用下的影响，此方法可以迅速得到板翅式换热器结构参数 的优化方案,并分析出主要的影响因素,对板翅式换热器的应用提供一些借鉴。并 得出最优参数组合方案：翅片高度为3.8mm时，翅片厚度为0.2mm，翅片间距为2.58mm时，换热系数最大，压降最小。 。 关键词:板翅式换热器；优化；响应面法 Abstract In this paper, the influence of different structure parameters on the flow heat transfer characteristics of plate-fin heat exchanger is studied. Based on multi-stage response surface method, the Box - Behnke test, fin height, fin thickness and fin spacing as test factors, the plate-fin heat exchanger heat transfer coefficient and pressure drop as the response value, under the analysis of the interaction, the effect of this method can quickly get the plate-fin heat exchanger structure parameter optimization, and analysis the main influence factors, provide some reference for the application of plate-fin heat exchanger. And the optimal parameter combination scheme is obtained: when the fin height is 3.8mm, the fin thickness is 0.2mm, and the fin
板翅式换热器翅片通道流场的数值模拟及结构改进
板翅式换热器翅片通道流场的数值模拟及结构改进 板翅式换热器是一种广泛应用于工业生产和能源领域的换热设备。在翅片通道内的流场特性对换热器的传热效果至关重要。本文通过数值模拟对板翅式换热器翅片通道流场进行分析，探讨结构改进的可能性。 首先，我们需要了解板翅式换热器的基本结构。它由一系列平行排列的金属板和连接层以及纵向穿插的翅片组成。翅片的作用是增加换热表面积，提高换热效率。在换热器工作时，热介质通过翅片通道流动，与金属板接触，实现热量的传递。 数值模拟是近年来广泛应用于研究流场特性的方法。我们可以利用计算流体力学（CFD）软件，如FLUENT，建立一个板 翅式换热器翅片通道的三维数学模型。通过选择合适的边界条件和材料参数，可以在计算域中模拟出流场的内部流动情况。 在模拟过程中，我们将关注流场的速度和压力分布，以及湍流和热传递等相关参数。通过数值模拟，我们可以定量地评估不同结构参数对流场特性和换热效果的影响。例如，我们可以改变翅片的高度、间距和形状等参数，观察其对流动阻力和传热情况的影响。 通过数值模拟，我们可以发现板翅式换热器翅片通道中存在的一些问题。首先，由于翅片的存在，流场在通道中会产生较强的湍流。这会增加流动阻力，使能量损失增大。其次，由于翅片间距较小，流体在通道中的流动速度不均匀，导致换热效果下降。 为了改善这些问题，我们可以进行结构改进。一种可行的方法是通过改变翅片间距和形状，优化流场的分布。例如，增加翅片间距可以减少流动阻力，降低能量损失。同时，采用特
殊形状的翅片，如波纹翅片或扇形翅片，可以改善流场的均匀性，提高传热效率。 另外，我们还可以借鉴其他领域的结构设计思路，如生物学中的生物翅片结构。这些结构在自然界中已经得到了优化，具有较好的流场特性和传热性能。我们可以通过数值模拟和仿生学方法，将这些优化结构引入到板翅式换热器中，进一步改善其性能。 综上所述，本文通过数值模拟分析了板翅式换热器翅片通道的流场特性，并探讨了结构改进的可能性。我们发现翅片间距和形状对流场的分布和换热效果有重要影响。通过优化结构参数，如增大翅片间距和改变翅片形状，我们可以改善板翅式换热器的性能，提高其传热效率。未来的研究可以进一步探索其他优化结构和改进方法，为板翅式换热器的应用领域带来更多可能性 综上所述，通过数值模拟分析了板翅式换热器翅片通道的流场特性，发现存在较强的湍流和流动速度不均匀的问题。为了改善这些问题，可以通过改变翅片间距和形状进行结构改进。增加翅片间距可以减少流动阻力和能量损失，而采用特殊形状的翅片可以改善流场的均匀性和提高传热效率。此外，借鉴生物学中的生物翅片结构可以进一步改善板翅式换热器的性能。未来的研究可以探索其他优化结构和改进方法，为板翅式换热器的应用领域带来更多可能性。通过这些结构改进可以提高板翅式换热器的传热效率，推动其在各个领域的应用
微细通道换热器仿生设计与传热传质优化研究
微细通道换热器仿生设计与传热传质优化研究 以微细通道换热器仿生设计与传热传质优化研究为题，本文将从仿生设计和传热传质优化两个方面探讨微细通道换热器的研究进展。一、仿生设计在微细通道换热器中的应用 仿生设计是通过模仿生物形态、结构和功能，将其应用于工程领域的一种设计方法。在微细通道换热器中，仿生设计可以提供一些启示，以优化传热性能。 1.1 生物界面仿生设计 生物界面是生物体与外界环境之间的接触面，具有高效的传质特性。在微细通道换热器中，可以通过仿生设计改善界面传质性能，提高换热效率。例如，模仿鱼鳃的结构设计微细通道，可以增加界面面积，提高传质效果。 1.2 生物表面纹理仿生设计 生物表面通常具有特殊的纹理结构，如莲叶的微纳米结构可以使水珠在表面滚动，减少液滴之间的接触面积，从而降低了表面阻力。在微细通道换热器中，可以通过仿生设计引入类似的微纳米结构，减少壁面阻力，提高流体传输效率。 二、传热传质优化在微细通道换热器中的研究
微细通道换热器的传热效果受到多种因素的影响，如流体流动状态、壁面材料、通道几何形状等。通过传热传质优化研究，可以提高微细通道换热器的传热性能。 2.1 流体流动状态优化 流体流动状态对传热效果有着重要影响。研究表明，在微细通道中，湍流流动相比于层流流动具有更高的传热效率。因此，通过优化流体流动状态，如增加流速、改变通道几何形状等，可以提高传热效果。 2.2 壁面材料优化 微细通道的壁面材料对传热传质性能也有着重要影响。选择合适的壁面材料可以提高传热效率。例如，金属材料具有良好的导热性能，可以提高传热效果；而聚合物材料具有良好的传质性能，可以提高传质效果。 2.3 通道几何形状优化 微细通道的几何形状对传热传质性能也有着重要影响。通过优化通道几何形状，如增加通道长度、改变通道截面形状等，可以增加传热传质界面面积，提高传热传质效果。 微细通道换热器的仿生设计与传热传质优化研究是提高换热效率的有效途径。通过仿生设计，可以借鉴生物界面和生物表面纹理的特
板式换热器的优化设计及研究进展
板式换热器的优化设计及研究进展 董伟玲 摘要：从板式换热器在运行中存在的主要影响生产效率的问题归纳了通过板式选材、安装方式及提高传热系数的方法对板式换热器的工艺性能进行优化设计进行了探讨,并讨论了板式换热器的研究进展. 关键词:板式换热器传热系数生产效率优化设计发展方向 Optimal Design A ndResearchDevelopment Of The Plate Heat Exchangers Dong Wei Ling Abstract:From the main problems existing in the operation of plate heat exchanger production efficiency is summarized and the optimization design was discussed through the plate material selection, installation and method for improving the heat transfer coefficient of heat exchanger performance，and discusses the research progress of plate heat exchanger。Keywords： plate heat exchanger heat transfer coefficient Production efficiency optimization design development direction 前沿:板式换热器是一种高效、紧凑及传热性能优异的热能动力机械设备，问世时间相对较晚但近几十年得到了迅速发展并得到了广泛的应用，随着工厂生产工艺的不断提高对板式换热器的要求也越来越高，因此需要对板式换热器进行优化设计以满足生产需要。 1。换热器的主要结构 换热器是化工厂中重要的设备之一,板式换热器主要由一组长方形的薄金属板平行排 列、夹紧组装于支架上而构成，两相的邻板片的边缘衬有垫片,压紧后可达到密封的目的， 且可用垫片的厚度调节两板间流体通道的大小。每块板的4个角上,各开一个圆孔，其中有 两个圆孔和板面上的流道相通，另外两个圆孔则不相通，它们的位置在相邻板上是错开的，
微通道换热器的设计与优化
微通道换热器的设计与优化 微通道换热器是现代热传递领域的一项重要技术。它以微米级别的通道尺寸和体积为特点，能够实现高效换热、节能降耗、实现精密温度控制等多种优势。本文将就微通道换热器的设计与优化进行探讨与分析。 一、微通道换热器的设计原理与分类 微通道换热器的设计是基于微通道内的流动与传热原理。微通道的尺寸范围介于1-100μm之间，其作用是将流体的流速提高，精细化流体边界层的膨胀，从而增加热传递系数。微通道的产生利用微加工技术，通过微纳加工技术在介质表面形成微米级别的通道，以实现更高效的换热。 从形态上分，微通道换热器可以分为双面流动式微通道换热器和单面流动式微通道换热器。双面流动式微通道换热器具有双面流体通道，换热效果更好，被广泛应用于LED光电、个人计算机与手机等领域中。而单面流动式微通道换热器，特点是通道层数和散热层数相等，平面结构和加工工艺更为简单，运用于电子设备的散热加工中更为普遍。 二、微通道换热器的优化方法 微通道换热器因具有紧凑、强化和高效换热等特点而被普遍认可，并且在很多领域中得到了广泛应用。为了进一步提高微通道换热器的效率，需要对微通道的设计进行优化。 1、更精细的通道设计 微通道的设计是微通道换热器的核心，通道的尺寸和形状也是做出优秀微通道换热器的关键。研究发现，微通道的热传递系数与流道截面面积、壁面材料导热系数以及稳定的流动状态有关。通道较折曲的设计对于提高流体在微通道中的湍流度
有很大的帮助，对于增加冷却能力、降低表观热阻和进一步提高微通道换热器的效果非常有益。 2、增加润滑液流量 针对微通道换热器的工业生产实践发现，通过增加润滑液流量可以有效提高换热效率。通过增加润滑液的流量，可以增加跨流体间界面的质量传输系数，以及流体对换热器壁面的清洗作用，从而在换热器中形成更快速的热传递和更良好的水平流动状态，提高热量的传递效果。 3、优化管道布局 微通道换热器中，管道的路径、弯曲和长度都会影响微通道换热器的效率。为了得到更高的性能，需要进一步优化管道的布局。通过引入合理的离散硅衬光路，可以大幅降低热阻；利用高密度排布的曲线设置，能够减少纵向流体障碍而提高横向成型度；借鉴双面化设备中的流体交繁配置，可以提升换热器的散热效果等。 4、改进载体材料 微通道在使用过程中，因其对于流体的高速流动，对壁面材料的导热系数要求较高。可以采用改进导热材料、增加导热涂层等方法，进一步提高微通道壁面材料的导热系数，从而实现交流流体与壁面材料的更快速传递和更高的热传递效率。三、微通道换热器的应用前景 目前，微通道换热器作为一种新型的热传递装置，已经得到了广泛应用。在新能源领域中，微通道换热器被广泛应用于锂电池、燃料电池、太阳能光伏系统等领域中。在航空航天工业中，微通道换热器作为燃料冷却器和润滑油冷却器几乎是必不可少的。在军事装备、汽车行业、医疗设备、仪器仪表、食品行业、石化和化工行业等领域中，微通道换热器的应用也得到了很好的体现。 综上所述，微通道换热器的设计与优化是一个复杂而有意义的课题，需要融合许多学科知识，如流体力学、热传递、微纳加工技术、材料科学等。在实践中，我
换热器及零部件结构设计
换热器及零部件结构设计
1.绪论 换热设备是化工、炼油、食品、轻工、能源、制药机械及其他许多工业部门广泛使用的通用设备。随着工业的发展，换热设备在能量储存、转化、余热回收以及新能源利用和污染治理中得到广泛应用。 1.1 换热器的分类 1.1.1 换热器的分类及特点 按照传热方式的不同，换热器可分为三类：1.直接接触式换热器；2.蓄热式换热器；3.间壁式换热器. 1.2 管壳式换热器的分类及特点 管壳式换热器可分为五类：1.固定管板式换热器；2.浮头式换热器3.U形管式换热器；4.填料函式换热器；5重沸器。 浮头式换热器的特点 浮头式换热器两端管板中只有一端与壳体固定，另一端可相对壳体自由移动，成为浮头。浮头部分是由浮头管板，钩圈与浮头端盖组成的可拆联接，因此可以容易抽出管束，故管内管外都能进行清洗，也便于检修。 浮头式换热器的优点是管间和管内清洗方便，不会产生热应力；但其结构复杂，造价比固定管板式换热器高，设备笨重，材料消耗量大，且浮头端小盖在操作中无法检查，制造时对密封要求高。适用于壳体和管束之间壁温差较大的或壳程介质易结垢的场合。 2.换热器的工艺条件与选型 2.1 换热器的工艺条件 设计条件壳程管程
工作介质设计压力工作压力设计温度介质特性换热面积 烃 循环水 -0.0781MPa 0.495MPa -0.071MPa 0.45MPa 80℃60℃ 易爆/ 78㎡ 2.2 换热器的选型 根据换热器流体的性质和各种管壳式换热器的特点，本回收塔冷却器选用浮头式换热器。 3. 换热器的零部件结构设计 3.1换热管 3.1.1 换热管的材料、形式及尺寸 回收塔冷却器采用光管，因为光管加工方便、价格便宜。 根据换热流体的性质选用Φ25mm×2.5mm长度L=60000mm的20号无缝钢管
固定管板式换热器结构设计
固定管板式换热器结构设计 一、固定管板式换热器的基本结构 固定管板式换热器主要由管束、上下法兰和固定管板组成。其中，管 束是固定在管板上的换热管道系统，上下法兰用于支撑管束并连接换热介 质的进出口管道，固定管板则起到固定管束位置、分流换热介质以及增强 传热效果的作用。 1.管束 管束是固定管板式换热器中最重要的组成部分，它由一系列平行排布 的管道组成，通常使用金属材料制造，如不锈钢、碳钢等。管束的形状通 常为圆形，也可以为其他形状，如方形、椭圆形等，根据具体的换热需求 进行设计。 2.上下法兰 上下法兰用于固定管束，支撑装置并连接进出口管道。上下法兰通常 由金属材料，如碳钢、不锈钢等制成，并通过螺栓紧固连接。 3.固定管板 固定管板固定在上下法兰之间，起到固定管束的作用。它通常由金属 材料制成，如碳钢、不锈钢等。固定管板上通常设有进出口口径，用于引 入和排出换热介质。 二、固定管板式换热器的结构设计要点 1.管束的布置方式：管束的布置方式对换热器的传热效果有很大影响，一般有平行布置、三角布置和斜置布置等多种形式。根据具体的换热需求 和介质特性，选择合适的管束布置方式。
2.固定管板的设置：固定管板上通常需要设置进出口口径和支撑管束的装置。进出口口径直径的选择需要根据换热介质的流量和压力降进行计算，同时需要考虑安装管件的方便性。支撑管束的装置可以采用刷板、角钢或特殊形状的支撑装置。 3.法兰连接：固定管板式换热器的法兰连接通常选择标准型，常见的有RF型、FF型和FM型。法兰连接应符合国家标准和行业规范，保证连接的紧密性和安全性。 4.板的材质选择：固定管板通常选择金属材料，一般使用的材质有碳钢、不锈钢、钛合金等。材质的选择需要考虑介质的腐蚀性、温度、压力等因素。此外，固定管板的厚度也需根据换热介质的流量和压力降进行计算。 5.密封方式：固定管板式换热器的密封通常采用软密封或金属密封。软密封方式通常使用橡胶垫圈或密封胶条，金属密封方式则使用金属垫片或波纹管。密封方式的选择需根据介质温度、压力和对密封性能的要求进行。 三、固定管板式换热器结构设计的优化改进 1.提高传热效率：在固定管板式换热器的设计过程中，可以通过增加管道数量、改变管束布置方式、增加换热面积等方法，提高传热效率。 2.减少压力降：压力降是换热器设计中需要考虑的重要因素之一、通过优化管束结构、减少流道阻力、增加管道直径等方法，可以减少换热介质在管道中的压力降。
螺旋板式换热器结构设计
螺旋板式换热器结构设计 螺旋板式换热器是一种高效的热交换设备，广泛应用于化工、石油、制药、食品等领域。其具有换热效率高、能耗低、结构紧凑、占地面积小等优势。本文将从螺旋板式换热 器的结构设计方面进行探讨。 一、基本结构 螺旋板式换热器主要由两个纵向平行的金属板组成，它们呈轴线对称排列并向相反方 向旋转。在两个金属板之间，通过搭接或焊接形成交错的通道，形成流体的热交换通道。 1.板式尺寸：板式尺寸的设计应综合考虑流体的流量、压力损失、热传导和换热面积 等因素。对于对称的螺旋板式换热器，一般采用相同的板式，但对小流量、大面积换热器，可采用不同的板式。 2.板式形状：板式的形状直接影响流体的流动状态和热传导效率，在设计中应选用合 适的板式形状。一般采用折弯或贴合成型的方法将金属板加工成波形或直线形态，以减少 流体流动的阻力，提高换热效率。 3.板式厚度和材料：板式的厚度和材料确定了板式的刚度和耐腐蚀性。板式厚度应保 证足够的强度和稳定性，一般选择0.4-1.2mm的厚度。板式材料要选用高强度、优良的耐 腐蚀性金属材料，例如不锈钢、钛等。 三、堆叠式结构设计 在堆叠式螺旋板式换热器中，多个板式交错组合形成流体的换热通道，其结构设计包 括以下几个方面： 1.通道宽度：通道宽度的设计应综合考虑换热效率、压力损失和流体的流量大小。通 道宽度越小，换热效率越高，但压力损失也越大。一般通道宽度为10-15mm。 2.板式堆叠方式：板式堆叠方式有单侧进出口和双侧进出口两种。单侧进出口适用于 流量较大、压力损失小的情况；双侧进出口适用于流量较小、压力损失大的情况。 3.渗漏损失：渗漏损失是指流体在换热通道之间泄漏导致的能量损失。设计时应注意 减小通道之间的渗漏损失，采取相应的措施，如板式之间采用密封条，增加密封面积等。 容积设计是指为螺旋板式换热器设计合理的壳体容积和板式堆叠数目。在容积设计中，应考虑以下几个方面： 1.壳体容积：为保证换热器的性能和运行效率，在设计时应尽量减少壳体的容积，以 减少流体的停留时间和热损失。
换热器设计有关参数探析
换热器设计有关参数探析 介绍了与换热器设计有关的雷诺数、流体流速、总传热系数等几个参数的意义，以帮助在换热器计算和选型时的理解。 标签： 换热器设计；雷诺数；流速；总转热系数 间壁式换热器的设计要考虑传热和结构方面的问题，设计计算一般是在传热面两侧的介质达到热量平衡后由方程Q=KAΔt m通过试差计算进行，其一般过 程为：计算换热器的热负荷，确定冷热流体物性参数，初定换热器的结构尺寸，计算管程压降和传热系数，计算壳程压降和传热系数，计算总传热系数K校核传热面积，对设计结果进行优化。在此过程中，加强对其中一些参数的理解有助于换热器设计计算中某些数据的选定。 雷诺数Re是表征流体流动特性的一个重要参数。雷诺数表示作用于流体微团的惯性力与粘性力之比，反映流体的流动形态和湍流程度。雷诺数越小意味着粘性影响越显著，越大则惯性影响越显著。雷诺数很小的流动，其粘性影响遍及全流场，流体各质点平行于管路内壁有规则地流动，呈层流流动状态。雷诺数很大的流动，其粘性影响仅在物面附近的边界层或尾迹中才是重要的，流体呈湍流流动状态。在涉及粘性影响的流体力学实验中，雷诺数是主要的相似准数，表示为Re＝ρVL／μ（ρ、μ为流体密度和运动粘度，V、L为流场的特征速度和特征长度。）对外流问题，V、L一般取远前方来流速度和物体主要尺寸，内流问题则取通道内平均流速和通道直径。用圆管传输流体，计算雷诺数时，特征长度一般取管道直径（D），用方形管传输流体，管道特征长度取当量直径（Dd）。当量直径等于水力半径的四倍。对于任意截面形状的管道，其水力半径等于管道截面积与周长之比。一般管道雷诺数Re＜2000为层流状态，Re＞4000为湍流状态，Re＝2000～4000为过渡流状态。在不同的流动状态下，流体的运动规律.流速的分布等都是不同的，因而管道内流体的平均流速υ与最大流速υmax的比值也是不同的。因此雷诺数的大小决定了粘性流体的流动特性。 流体流动速度的选择对换热器的设计和运行效果都有重要意义。为了增大传热效果，进而提高传热系数，一般都希望提高流体流速。流速提高了，同时可使结垢程度减轻、降低热阻，从而有利于传热。但流体流速过高，会使通过换热器的压力降增大，使输送流体的动力消耗增加。通常选择流速时从以下方面考虑：所选择的流速宜使流体呈稳定的湍流流动或至少进入过渡流状态；高密度流体（或相变中的流体）的摩擦动力消耗与传热速率相比一般是小的，不起主要作用，因此适当提高流速是比较经济的；所选流速应不会导致流体动力冲击，使换热管子振动或冲蚀；流速选择应使换热器管长或程数恰当；使换热器外形结构尺寸适宜。以下为管壳式换热器内一些介质的参考流速。
换热器的设计与优化
换热器的设计与优化 换热器是化工、能源、航空航天、冶金、制药等诸多行业中必不可少的关键设备。其主要功能是将不同物质间的热量进行传递和交换，以达到升温或降温的目的。对于大多数工业生产过程而言，换热器都是非常重要的组成部分。因此，换热器的设计和优化对于提高工业生产效率、节约能源和保护环境都有着非常重要的作用。 一、换热器的设计原则 1.1 设计目标 在设计换热器之前，需要先明确设计目标。具体来说，需要了解热量传递的要求、流体特性、温度、压力、换热面积、热损失、绝热要求、材料和成本等方面的要求。只有充分了解这些要求，才能有针对性地进行换热器的设计和优化。 1.2 流体设计和选型 换热器的流体设计和选型是非常重要的。在进行流体设计时，需要充分考虑流 体的特性，如流量、密度、粘度、热导率、比热等。这些特性会直接影响换热器的热量传递效率和性能。在选型时，需要根据实际需求，选取合适的换热器类型和材料。 1.3 换热面积和流量 换热器的面积和流量也是非常重要的设计要素。在面积方面，需要充分考虑热 量传递需要的换热面积。在流量方面，需要确保流量的稳定性和流速的合理性，以确保换热器的稳定性和效率。 1.4 取决于流体速度的因素
在设计换热器时，需要充分考虑流体速度的因素。比如，在换热管中，过高的 流体速度会造成管壁磨损、振动和噪音等问题；而过低的流体速度则会减小换热器的热交换效率，从而增加能源消耗。 二、换热器的优化措施 2.1 热扰动控制 热扰动是换热过程中常见的问题。热扰动会影响热量传递的稳定性和效率，从 而影响工业生产过程的效率和质量。为了控制热扰动，可以通过多种手段进行优化，比如增加热储备、改善换热器的结构和材料、调节输入流体温度和流量等。 2.2 流体优化 流体优化也是换热器的关键工作之一。具体来说，可以通过提高流体速度和流速、调节输入流体的物理特性、优化流体的进出口布局等措施进行优化，从而提高热量传递的效率和稳定性。 2.3 换热器结构优化 换热器结构的优化也可以提高热量传递效率和稳定性。例如，在换热器中加入 流体混合器或流体分离器等辅助设备，提高流体的混合程度和流量的稳定性；通过改进换热管的结构和布局，减小管壁与流体之间的距离，降低换热器的热损失，提高热量传递效率等。 三、结论 换热器的设计和优化是提高工业生产效率、节约能源和保护环境的关键步骤。 在进行设计和优化时，需要考虑热量传递的需求、流体特性、材料和成本等多个方面的因素。同时，也可以通过流体优化、热扰动控制和换热器结构优化等措施进行优化，提高热量传递效率和稳定性，为工业生产过程提供更好的支持。