CN1431453A - 板翅式换热器流体分配封头和与封头连接的导流片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了板翅式换热器流体分配封头和与封头连接的导流片，该封头包括一流体进口段和弧形封头连接段；在流体进口段和封头连接段之间增加了一段弧型连接体或一个隔离板作为二次封头，并在一次封头与二次封头之间的隔离板上分布有多个通孔；其导流片的导流角度设置为45°，导流片上导流孔的直径为2mm。在导流片的边缘设一补液腔，该补液腔的宽度与封头开口宽度之比为0.2。本发明首次提出了二次封头的概念，并引入了不均匀打孔的孔板结构，采用本发明的导流片结构可以使板束单元体内部通道纵向方向上的最大流速与最小流速之比由原来的3～7降到2～5倍。本发明加工制作方便，对于改善板翅换热器入口流体均匀分配和提高其传热性能十分有效。

Description

板翅式换热器流体分配封头和与封头连接的导流片

一、所属技术领域

本发明属于板翅式换热器物流分配、传热强化及性能优化技术领域，涉及一种板翅式换热器流体分配封头和与封头连接的导流片。

二、背景技术

板翅式换热器是热力过程中的关键设备，由于其高效紧凑的特点广泛应用于能源、石油、化工、冶金、航空与航天等领域。在板翅式换热器的设计过程中，均假设换热流体均匀分布于换热器内，事实上，由于封头、导流片的设计不合理，加上从总管来流进入封头、导流片、换热器这一过程中存在着多次当量直径的变化，实现换热器内部的流体均匀分布是不可能的。即使总管来流分布均匀，由于通道加工误差、换热过程中一些因素(例如：粘性流体的冷却、热力振动等)的影响也会造成换热器内部物流分配的不均匀。换热器内部物流分配的不均匀是引起其性能下降的重要因素。对板翅式换热器的研究发现：入口结构对物流分配的不均匀性影响最大，由于封头结构以及换热器的流动布置方式不同，物流分配的不均匀性对其整体效能的影响不同，可导致逆流换热器、冷凝器的整体效能下降7％；而对错流式换热器效能的影响高达25％。为补偿由于物流分配的不均匀造成的换热器效能的下降，适当放大板翅式换热器的设计安全系数是必须的，目前在国内该类换热器的设计过程中冷侧的设计安全系数高达39％，降低了该类换热器的整体效能，对影响其内部物流分配的不均匀性的因素进行相应的研究是板翅式换热器优化设计的重要内容，也显得极为迫切。

申请者对此项工作已开展了多年的研究，掌握本方向国际前沿研究动态和工程应用现状，明确换热器入口结构对物流分配特性的影响规律。本发明就目前入口分配结构存在的问题，提出几种新型入口封头，结构简单，制造方便。经过深入的理论分析、数值模拟和实验研究，证实了其可行性和可靠性。

三、发明内容

针对板翅式换热器目前存在的流体分配不均匀的现象，本发明提出了入口分配结构的新方案。导致物流分配不均匀的因素是多方面的，导流片及封头的结构设计、安装制造、流动工况的改变等均可引起换热器内部物流分配不均匀。在多相流动的情况下，物流分配的不均匀性显得更为突出。采用本发明的新型板翅式换热器入口结构，极大的提高了换热器内部板束的物流分配，改善了换热器的传热性能，减少了弥补换热面积损失的设备投资，消除了高压板翅换热器因换热不良而引起的恶性事故，减少了故障率和运行维护费。

本发明的一个目的在于，提供一种板翅式换热器流体分配封头，该板翅式换热器流体分配封头能够改善内部板束横向与纵向物流分配不均匀性、提高换热器传热性能。

本发明的另一个目的是，提供一种与该板翅式换热器流体分配封头连接的导流片，该导流片与传统的导流片相比，其导流性能最佳。

实现本发明的第一个目的一种技术方案是，一种板翅式换热器流体分配封头，该封头仍按传统的基本型封头“

”型结构设计，它包括一流体进口段和弧形封头连接段；其特征在于，在流体进口段和封头连接段之间增加了一段外弧作为二次封头，并在封头连接段上分布有多个通孔。

该方案的板翅式换热器流体分配封头的其他特点是：

所述在封头连接段上分布的通孔为5个～7个。

所述二次封头出口当量截面直径与一次封头出口当量截面直径之比等于入口管直径与二次出口当量截面直径之比。

实现本发明的第一个目的另一种技术方案是，板翅式换热器流体分配封头，该封头仍按传统的基本型封头“

”型结构设计，它包括一流体进口段和弧形封头连接段；其特征在于，在流体进口段和弧形封头连接段连接的空间位置还设置有一个隔离板，并在隔离板分布有多个通孔。

该方案的板翅式换热器流体分配封头的其他特点是：

所述隔离板上的多个通孔均匀地分布或不均匀分布。

所述隔离板上孔的分布特征为三个区域：封头截面中心区域孔的直径最小；偏离中心区域的孔的直径次之；封头截面边缘区域的孔的直径最大。

所述隔离板的设置可以与弧形封头连接段等长，也可以小于弧形封头连接段的长度。

实现本发明的第二个目的技术方案是，一种与板翅式换热器流体分配封头连接的导流片，包括一传统的导流片，导流片上设置有导流孔，其特征在于，导流片的导流角度设置为45°，导流片上的导流孔的直径为2mm。

该方案的与板翅式换热器流体分配封头连接的导流片的另一特点是，在导流片的边缘设一补液腔，该补液腔的宽度为h，封头的开口宽度为H，h/H为0.2。

本发明提出的几种板翅式换热器入口封头和导流片结构，为改善换热器内部板束横向与纵向物流分配不均匀性、提高换热器传热性能，达到减少设备体积和投资的目的。

四、附图说明

图1是现有的换热器入口封头结构图；

图2是本发明的二次封头结构剖面图；

图3～图7是本发明的多种封头结构剖面图，其中a)是主视图，b)是俯视图，c)是左视图；

图8是本发明的最佳导流角度导流片结构示意图。

图9是本发明最佳打孔直径导流片结构示意图；

图10是本发明带有h/H的导流片结构示意图；

图11a)、b)分别是各种封头结构对流体分配性能的影响曲线；

图12是板翅换热器主体图；

图13是试件断面图；其中图a)是试件图，图b)是a)的断面图。

图14是实验系统图。

五、具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

参见附图。依本发明的技术方案，板翅式换热器流体分配封头，该封头仍按传统的基本型封头“

”型结构设计，它包括一流体进口段1和弧形封头连接段2；在流体进口段1和封头连接段2之间增加了一段外弧3作为二次封头，并在封头连接段2上分布有多个通孔。

在封头连接段2上分布的通孔为5个～7个。

二次封头出口当量截面直径与一次封头出口当量截面直径之比等于入口管直径与二次出口当量截面直径之比。

一种板翅式换热器流体分配封头，该封头仍按传统的基本型封头“ ”型结构设计，它包括一流体进口段1和弧形封头连接段2；在流体进口段1和弧形封头连接段2连接的空间位置还设置有一个隔离板4，并在隔离板4分布有多个通孔。

隔离板4上的多个通孔均匀地分布或不均匀分布。

隔离板4上孔的分布特征为三个区域：封头截面中心区域孔的直径最小；偏离中心区域的孔的直径次之；封头截面边缘区域的孔的直径最大。

隔离板4的设置可以与弧形封头连接段2等长，也可以小于弧形封头连接段2的长度。

本发明的与板翅式换热器流体分配封头连接的导流片，包括一传统的导流片，导流片上设置有导流孔，导流片的导流角度设置为45°，导流片上的导流孔的直径为2mm。

在导流片的边缘设一补液腔，该补液腔的宽度为h，封头的开口宽度为H，h/H为0.2。

本发明的研究，解决了其中许多关键技术，实现了板翅式换热器的物流均匀分配。本发明所提出的创新思想包括以下几方面：

1、提出“二次封头”的思想，解决了板束单元体截面横向物流分配不均匀性。

目前工业中应用的基本型封头A(图1)主要造成了换热器出口截面横向物流分配不均匀性，改进型封头结构B型(图3)和C型(图4)，它们是在基本型封头结构上增加了流体过渡段，称作二次封头(图2)。在一次封头与二次封头(瓜皮型)连接处有一个隔离板，隔离板上根据优化设计思想不均匀地打了一排孔，从而使流体在封头内进行两次分流，实验证明这种结构会使流体在截面横向上更加均匀地分配到换热器中，从而使换热器的换热效率得到改善。研究还发现在二次封头出口当量截面直径与一次封头出口当量截面直径之比等于入口管直径与二次出口当量截面直径之比时，封头结构C型的分配性能最佳。

2、提出孔板式封头的结构，解决了板束单元体截面整体物流分配不均匀性。

首次提出了孔板式封头结构，其主要思想是在封头内部装一孔板，使流体经孔板进行渗流，使流体在横向与纵向上均匀地分配到换热器中。本发明提出了三种孔板式封头结构：(1)孔板上均匀地打上小孔(封头结构D，图5)；(2)根据流体分配的特征在孔板上不均匀地打上小孔，其分布特征为打孔分为三个区域：封头截面中心区域打孔直径最小；偏离中心区域的打孔直径次之；封头截面边缘区域的打孔直径最大(封头结构E，图6)；(3)根据流体阻力适宜的要求，采用部分孔板，在孔板上均匀地打上小孔(封头结构F，图7)。

3、确定最佳导流片结构型式，解决了板束单元体截面纵向物流分配不均匀性

(1)导流片的导流角度以45°最佳

导流片的导流角度对导流片的导流性能具有较大影响，研究发现目前工业设计中广泛使用的导流片很随意，导流性能较差，而导流角度为45°时的导流片(图8)具有良好的导流性能，在相同工况下，同其它导流角度导流片的导流性能比较，该导流片的导流性能最佳。

(2)导流片的打孔直径以2mm为最好

在一般的工业设计中，导流片的打孔直径往往由技术人员凭借经验选取，缺乏一定的理论与实验依据。根据发明人的理论与实验研究，发现在导流片开孔直径约为2mm时其导流性能达到最佳(图9)，可以使流体在导流片内部均匀的分布，从而良好的改善换热器出口截面纵向物流分配不均匀的问题。

(3)引入导流片结构参数h/H的概念

传统的导流片结构仅仅依靠其导流角度的作用对流体进行导流作用，此手段比较单一，效果不明显。根据研究结果专门设计了结构h/H的导流片(图10)，导流片h/H的结构参数取0.2左右为好。该结构设计的主要目的是祢补纵向物流分配的不均匀，结构h/H的导流片的主要特点就是在导流片的边缘设一补液腔，其主要目的是依靠改变导流片的结构，充分利用导流片的打孔产生的流体流动补液，来改善流动速度分布不均匀。

本发明的效果是：

(1)目前空分装置中板翅式换热器的导流片与封头结构对入口物流分配产生较大不均匀，板束单元体内部通道的最大流速与最小流速之比高达3～6倍。本发明首次提出了二次封头的概念，并将二次封头结构与现在工业使用的封头结构进行了对比试验研究，研究结果表明：利用二次封头结构后，在同一工况下，换热器内部流动速度的分布大大改善，最大流速与最小流速之比降到了1.2～1.4倍。采用孔板式封头结构可以使板束单元体内部通道的最大流速与最小流速之比降到1.1～1.3倍。

(2)导流片的导流角度对板束单元体截面物流分配不均匀性和流动阻力特性也有很大影响，发现目前工业设计中广泛使用的导流片导流性能较差，而在导流角度为45°以及导流片开孔直径约为2mm时，导流片的导流性能最佳。首次提出了导流片结构参数h/H的概念，通过改变h/H的值，在导流片内部形成不同大小的补液腔，从而改善了导流片内部的速度场分布。研究发现采用以上导流片结构可以使板束单元体内部通道纵向方向上的最大流速与最小流速之比由原来的3～7降到2～5倍。

(3)定义了判断不均匀分配的无量纲参数，并将本发明提出的多种封头结构对流体分配均匀性的影响进行了数值模拟，计算结果绘于图11。为了评估封头出口截面物流分配的不均匀性，引入不均匀度S_i的概念，S_i的大小就代表着封头出口截面上的物流分配不均匀程度，可用公式表达为：

S_i＝(g_i-g_a)/g_a

式中：g_i为第i通道的质量流率；g_a为n个通道的平均质量流率。

图11揭示的是在相同入口平均雷诺数时，各种封头结构出口截面各个通道物流分配不均匀的情况，从不均匀度的定义可知曲线越趋于零值其分配效果越好。

图12表示的是板翅式换热器的结构示意图，从图中可以看到板翅式换热器由两部分组成，一部分为入口结构其包括封头与导流片，另一部分为换热器主体。流体经封头进入导流片，由导流片分配进入换热器主体。

图13表示的是一个工业用小型板翅式换热器入口结构示意图，由开封空分集团公司生产，其入口管、封头的尺寸以及内部结构是按照3200Nm³.h^-1空分系统中使用的主换热器单元体尺寸进行模化设计的。为实现对流量的精确测量和进行相关的实验研究，将试件的流体流动通路截面划分为30个小区，每一个小区的截面积为41.7mm×40mm，将每一个小区(热侧含有40微型通道P)作为一个通道Ch进行测量，热侧通道(Ch)的当量直径为17mm，通道布置见图13。在实验时，对每一个热侧通道(Ch)的质量流率进行测量，从而可获得换热器截面的流量分布或者通道流速分布特性图。

图14表示的是实验系统图，主要由气体通路系统、水路系统和测量系统组成。该试验台可以进行液相、气相以及气液两相的不均匀分配性的研究。整个通路循环由如下环节组成：空气经压压缩机缩后通过冷却器、稳压器、流量调节阀、过滤器、涡轮流量变送器进入气液混合器与流经液路的水泵、水稳压器、流量变送器的水进行混合然后进入试件，后流经转换开关箱，单股引出进入气液分离器分别进行相应的气液测量。

Claims (9)

1.一种板翅式换热器流体分配封头，该封头仍按传统的基本型封头“

”型结构设计，它包括一流体进口段【1】和弧形封头连接段【2】；其特征在于，在流体进口段【1】和封头连接段【2】之间增加了一段外弧【3】作为二次封头，并在封头连接段【2】上分布有多个通孔。

2.如权利要求1所述的板翅式换热器流体分配封头，其特征在于，所述在封头连接段【2】上分布的通孔为5个～7个。

3.如权利要求1所述的板翅式换热器流体分配封头，其特征在于，所述二次封头出口当量截面直径与一次封头出口当量截面直径之比等于入口管直径与二次出口当量截面直径之比。

4.一种板翅式换热器流体分配封头，该封头仍按传统的基本型封头“

”型结构设计，它包括一流体进口段【1】和弧形封头连接段【2】；其特征在于，在流体进口段【1】和弧形封头连接段【2】连接的空间位置还设置有一个隔离板【4】，并在隔离板【4】分布有多个通孔。

5.如权利要求4所述的板翅式换热器流体分配封头，其特征在于，所述隔离板【4】上的多个通孔均匀地分布或不均匀分布。

6.如权利要求4或5所述的板翅式换热器流体分配封头，其特征在于，所述隔离板【4】上孔的分布特征为三个区域：封头截面中心区域孔的直径最小；偏离中心区域的孔的直径次之；封头截面边缘区域的孔的直径最大。

7.如权利要求4所述的板翅式换热器流体分配封头，其特征在于，所述隔离板【4】的设置可以与弧形封头连接段【2】等长，也可以小于弧形封头连接段【2】的长度。

8.一种与板翅式换热器流体分配封头连接的导流片，包括一传统的导流片，导流片上设置有导流孔，其特征在于，导流片的导流角度设置为45°，导流片上的导流孔的直径为2mm。

9.如权利要求8所述的与板翅式换热器流体分配封头连接的导流片，其特征在于，在导流片的边缘设一补液腔，该补液腔的宽度为h，封头的开口宽度为H，h/H为0.2。

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