多股流板翅式换热器的通道分配设计方法

摘要:介绍多股流换热器的传热计算数学模型,并在程序中实现了换热器的设计计算。在分析前人研究成果的基础上,提出了通道分配与排布的原则和相应的设计计算方法。叙述了换热器横向导热控制的新思路,利用通道排布的周期性改善隔板温度的分布,再采用手段控制隔板温度的波动幅值,在一定程度下可以趋近等壁温的效果,可以有效减少横向导热。设计了用于实验的换热器试件并验证了其设计的合理性。
前　言
    板翅式换热器最早应用于航空业,并于上世纪中叶开始在空分设备中得到应用。随着板翅式换热器的试验研究、设计制造、技术设备等方面的综合提升,板翅式换热器在空气分离、乙烯冷箱和合成氨等石化设备、天然气液化和分离、航空、汽车、制冷、空调等领域得到越来越广泛的应用。在多股流板翅式换热器的设计中,通道的分配和排列是关键,目前相关的模型和计算方法尚不成熟,有待完善。因此深入研究板翅式换热器的传热流动原理,探讨多股流换热器的通道分配与参数匹配具有重要意义。
    1　数学模型
    由于隔板的材料一般采用铝合金,不仅导热系数较高,而且厚度较薄,忽略隔板的横向导热,即认为隔板两侧的温度相等。在板翅式换热器稳定工作的条件下,隔板处于热平衡状态。
    1·1　横向温度场求解
    同一个横截面内,以第i通道和第i+1通道中间的隔板为研究对象,可以建立热平衡方程:
    
    式中:zi为i通道单位宽度的翅片数;λ为翅片的导热系数, W/ (m·K);Ai为单位长度翅片传导截面积, m2/m;αi为第i通道流体与壁面之间的对流换热系数, W/ (m2·K);A″i为第i通道单位长度翅片对应隔板的对流换热面积, m2/m;θx为隔板侧面与周围介质的过余温度, K;hf为翅片高度, m;下标r、l分别表示右侧和左侧。
    显然,公式(1)适用于任意通道,在含有n个通道的换热器中有n+1块隔板,可以建立n+1个方程。其中,第1块与第n+1块隔板在建立隔板热平衡方程时应使用边界条件。由假设条件知隔板左右两侧温度相等,那么公式(1)就是关于隔板温度t的方程。因此,可以获得同一个横截面内隔板的温度分布。
    1·2　纵向温度场求解
    在计算中的处理方法是沿着气流方向将换热器分成许多微元段,在长度为ΔL的微元段中,隔板、翅片与流体的对流换热等于通过该微元段气流的焓增,即：
    
    式中:ΔTi为第i通道流体通过微元段的温度变化量, K;Q对,i为第i通道隔板、翅片与流体的对流换热量, W;cp,i为第i通道流体的质量定压热容, J/ (kg·K);qm,i为第i通道流体的质量流量, kg/s。
    得到了微元长度内的温度变化量,由于进口温度已知,故出口温度即为进口温度加上温度变化量,再将该出口温度赋给下一个微元段的进口并重复上面的计算,可得出换热器纵向温度分布。
    1·3　步骤及计算框图
    由上述推导可知,纵向温度场和换热器尺寸可以按照以下步骤计算得到:
    (1)由初始截面(j=0)的流体温度初值与通道排列计算横截面温度场,得到各隔板温度。
    (2)由给定的步长计算各个通道内相应流体的温度变化值。
    (3)由j=0截面的温度场加上相应的温度变化得到j=1截面的流体温度场。
    (4)由上一步得到的j=1截面的流体温度场计算j=1截面的隔板温度场。
    (5)以此类推得到j=2,3,…,&