板翅式换热器封头有限元参数化结构分析
板翅式换热器的结构优化
板翅式换热器的结构优化发布时间：2022-05-23T06:19:33.456Z 来源：《中国科技信息》2022年第2月第3期作者：倪艮丹[导读] 板翅式换热器是一种高效、传热效率高的换热设备。
由于结构紧凑倪艮丹杭州中泰深冷技术股份有限公司 311400摘要：板翅式换热器是一种高效、传热效率高的换热设备。
由于结构紧凑，重量轻，成本低。
它还具有提高传热表面利用率，减少整个换热器与周围环境之间的交换的优点。
板翅式换热器因其诸多优点而得到广泛应用。
目前，我国板翅式换热器的设计方法工作量大，可靠性低。
下面本文讨论了如何优化板翅式换热器的结构。
关键词：板翅式换热器；流量分配；理论模型；数值计算；结构优化1板翅式换热器结构概述自1930年Marston Excel Sior公司首次开发板式翅片换热器以来，经过80多年的发展，已得到广泛应用。
由于其传热效率高、适应性强、制造工艺复杂，国内外对其进行了理论分析、实验研究、优化设计、工艺改进和新材料应用等方面的研究。
板翅式换热器是最先进的换热设备之一，在我国，体积小，重量轻，高热效率，耐用性、适应性强的优点，设计成在传热管壳式换热器传热面积10倍以上的条件下，每单位体积的流体和传热面积相同，仅管壳式换热器的重量为15-20%，可用于各种介质（气体和气体，气体和液体，液体和液体）、传热和相变凝结和蒸发，因为它的许多优点，已广泛应用于空气分离、石油化工、航空航天、电子等领域，原子能，导弹、车辆、船只（燃气轮机）、动力机械、机床、冶金、油冷却器制冷，而热能的利用，余热的回收利用，在较低的原材料成本和一些特殊用途下取得了显著的经济效益，传统设计方法的板翅式换热器是首选，冷却介质的流动和换热面，然后假设几何尺寸进行多次试验，直到满足换热器的所有约束条件，称为试验误差。
换热器由该方法设计的质量通常依赖于设计者的经验，工作量很大，和解决方案只有一个可行的解决方案，而非最优解随着科学和技术的发展。
不同封头结构对板翅式换热器换热性能的影响
Ｋｅ ｒ ｓ ｆ — ｌ ｔ ｅ ｔｅ ｃ ａ ｇ ｒ ｈ ａ ｅ ； ｐ ｒ ｏ ｍ ａ ｃ ｆｔ ａ ｓ ｅ ； ｅ ｅ ｇ ｆ ｉｉｎ ｙ ｙ ｗｏ ｄ ： ｉ ｐ ａ ｅ ｈ ａ ｘ ｈ ｎ ｅ ； ｅ ｄ ｒ ｎ ｅｆ ｒ ｎ ｅｏ ｒｎ ｆｒ ｘ ｒ ｙ ｅｆ ｅ ｃ ｃ
不 同封 头 结构 对 板 翅 式 换 热 器换 热性 能 的影 响
周 爱 民 ，赵 俊 涛 。 ，姜 勇 ，王世 忠 ，厉 彦 忠
（ ． 汉 第 二 船 舶 设 计 研 究 所 ，湖 北 武 汉 １武 ４ ０ ６ ；２ 西 安 交 通 大 学 能动 学 院 ，陕 西 西 安 ７０ ４ ） ３ ０４ ． １ ０ ９
ｔ ｅ ｐｅ ｆ ａ ｅ ｌ ｔ ａ ｒ ｅ ｔｙ ｉ ｒ ｖ ｄ ｔ ａ ｒ ｎ ｆ ｒ ｃ ｅ ｆｃｅ ｔ ａ ｈｅ ｒ ｓｓ ａ ｅ ｌ ｓ ｈ ｒ ｏｒ ｔ ｄ ｐ ａ ｅ ｈｅ ｄｅ ｓ ｇｒ ａ ｌ ｍｐ ｏ ｅ ｈｅ ｈｅ ｔ ｔ ａ ｓ ｅ ｏ ｆｉｉ ｎ ｎｄ ｔ ｅ ｉ ｔ ｎｃ ｏｓ ｂ ｔ ｅ ｈ ｎ ｅ ｎｄ ｏｕ ｌ ｔ ｃ ｕｌ ｃ ｅ ｔ ｄ ｉ ｈｅ ｉ ｄｕ ｔ ｉｌ ｐ ｉａ ｉ ｉ ｔ ｅ ｏｆ ｅ ｔ ｅ ｗｅ ｎ ｔ ｅ ｉ ｌ ｔ ａ ｔｅ ｏ ｄ ｂｅ ａ ｃ ｐ ｅ ｎ ｔ ｎ ｓ ｒａ ａ ｐｌｃ ｔｏｎ ｎ ｈｅ ｖｉｗ ｈ ａ ｔ ａ ｆ ｒｐｅ ｆ ｒ ｎ ｅ ｒ ｎｓ ｅ ｒ ｏ ｍａ ｃ ．Ｆｕｒ ｈ ｒ ｏ ｅ， ｈ ｘｅ ｇｙ ｅ ｆｃｅ ｙ ｗａ ｎａ ｙ ｅ ｒ ｔ ｅ ｍ ｒ ｔ ｅ ｅ ｒ ｆｉ ｉｎｃ ｓａ ｌ ｚ ｄ ｆｏｍ ｈｅ ｍｏ ｎ ｍｉ ｈｅ — ｔ ｒ ｄｙ ａ ｃ ｔ ｏ
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。
板翅式换热器封头结构的数值模拟
径向动量方程
2 ρ 5 (ρ uv ) 1 5( r v ) 1 5 (ρ vw ) 5p + + =+ 5x r 5r r 5θ 5r
( 5 μ 5u 5 5v 1 5 μ μ r5 w / r) + r + e 5x e 5r r5 r 5r r 5θ e 5r
-
2μ e
r
2
1 5w v + r 5θ r
式换热器效能的影响高达 25 %. 对板翅式换热器 封头结构物流分配的研究采用 “数值试验” — — — 计 算流体力学 ( CFD ) 方法来模拟计算并优化设计方 案 , 不仅可减少试验研究的投入 , 而且获得的结果 直观 、快捷 . 目前 , 应用 CFD 研究板翅式换热器 封头设计的文献还少有报道 , 本文以 CFD 为工具 , 对目前工业中广泛使用的封头结构及两种改进型结 构进行了相应的计算 , 同时对数值计算结果进行对 比分析 , 为以后板翅式换热器封头结构的优化设计 打下基础 .
1. 1 物理模型
5 μ 5u 1 5 μ + r e 5 x e r5θ r 5r
1 5 μ r 5θ e 1 5w 2v + r 5θ r
+
1 5v w r 5θ r
r
+
μ e
r
图 1 为基本型封头 ( 定义为 A 型 ) 的物理模型 及其单元划分 , 模型尺寸是根据实际换热单元体的 几何尺寸模化而来 , 其主要结构尺寸为入口管直径 42 mm 、长 50 mm ; 封头瓜皮式结构 , 直径60 mm 、 长 250 mm. 选用混合的结构网格进行模拟计算 , 并且在靠近参数变化较大的地方采用密集网格 , 整 个模型网格数为 50913 个 .
带有导流翼的板翅式换热器封头结构优化研究
ｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｎ ｃ ｅ ｃ ｏ ｎ ｉｇ ｆ ｕｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｉ ｎ ｐ ｌ ａ ｔ ｅ — ｉｎ ｆ ｈ ｅ ａ ｔ ｅ ｘ ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｅ ｒ ｓ ｗｅ ｒ ｅ ｃ ｏ ｍｐ ｕ ｔ ｅ ｄ ｎｕ ｍｅ ｉｃ ｒ ａ ｌ ｌ ｙ ｂ ｙ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ｃ ｏ ｍｐ ｕ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｌ ｆ ａ ｌｕ ｉ ｄ
板翅式换热器的结构与传热机理简述
板翅式换热器的结构与传热机理简述[作者： 2013-05-29 点击： 741 ]板翅式换热器由两块板片和翅片钎焊在一起，两端以封条紧固形成的流道单元组成。
冷热流体在流道中流动，流道间隔布置达到换热的目的。
翅片是板翅式换热器的主要结构，也是换热的主要结构。
翅片作为换热器的二次表面扩充了换热表面积，同时扰动流体流动，使边界层不断破裂和再生从而达到增强换热的目的。
另外，翅片在板片间的支撑和加固作用，提高了板翅式换热器的强度和承压能力。
如图1-1（a）图1-1 板翅式换热器结构及翅片型式板翅式换热器的翅片形式经过多年的发展，主要的形式有平直型翅片、锯齿型翅片、打孔型翅片和波纹型翅片。
如图1-1（b）（c）（d）（e）平直型翅片由薄金属片冲压或滚轧而成，其换热和流动特性与管内流动相似。
相对其它结构形式的翅片，其特点是传热系数和流动阻力系数都比较小。
这种翅片一般用于流动阻力要求较小而其自身的传热系数又比较大的场合。
平直翅片具有较高的承压强度。
锯齿型翅片可看作是由平直翅片切成许多短小的片段，并且互相错开一定间隔而形成的间断式翅片。
这种翅片对促进流体的湍动、破坏热阻边界层十分有效，属于高效能翅片，但流动阻力也相应增大。
锯齿型翅片多用于需要强化换热的场合。
打孔型翅片是先在金属片上冲孔，然后再冲压或滚轧成型。
翅片上密布的小孔使热阻边界层不断破裂，从而提高了传热性能。
打孔有利于流体分布，但同时也使翅片的传热面积减小，翅片强度降低。
打孔型翅片多用于导流片及流体中夹杂着颗粒或相变换热的场合。
波纹型翅片是将金属片冲压或滚轧成一定的波形，形成弯曲流道，通过不断改变流体的流动方向，促进流体的湍动、分离和破坏热阻边界层，其效果相当于翅片的折断。
波纹愈密、波幅愈大，越能强化传热。
板翅式换热的流动形式又大致可以分为逆流、叉流和叉逆流。
如图1-2图1-2 a. 逆流式 b.叉流式 c. 叉逆流式。
板翅式换热器中新型微凸翅片结构设计及性能分析
试研究了三角波纹翅片和双尺度锯齿翅片的流动
分布,当流体流过微凸段时,一部分沿着微凸体的
与传热性能,研究发现,两种结构都能在保证压降
壁面流动,一部分 穿 过 微 凸 孔 与 相 邻 流 道 的 流 体
增高幅度很小的情况下实现传热强化.
混合,如图 １b 所示,起 到 了 流 动 边 界 层 破 坏 及 流
横向 流 动,从 而 导 致 流 动 不 均 匀 性 高、换 热 效 率
低.借鉴组合翅片的换热优势和平直翅片的低阻
特性,在 平 直 翅 片 的 壁 面 上 开 缝,冲 压 出 犁 型 微
图 ３ 仿真模型
凸,形成一种新型微凸翅片结构,如图 １a 所示,在
F
i
３ S
imu
l
a
t
i
onmod
e
l
g．
微凸体形成的局部横向流动来改善换热性能.翅
器的整体换热性能.
图 ２ 微凸翅片主要结构参数
F
i
２ Ma
i
ns
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r
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c
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u
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epa
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fmi
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oc
onv
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xf
i
n
g．
１．
２ 微凸翅片结构性能分析
在 FLUENT 软件中对新型微凸翅片的换热性
能进行仿真分析.首先建立图 ３ 所示的简化仿真
模型,包括入口面、出口面、周期对称面、上下隔板
板翅式换热器超 大 型 化 和 低 能 耗 化 的 发 展 趋 势,
挖掘翅片区域的 换 热 潜 能、提 高 换 热 效 率 成 为 了
板翅式换热器介绍
r
式中： b-翅片的定性尺寸，m
-流体给热系数，W/m2 • K
r-污垢系数，m2 • K/W
翅片的定性尺寸是指二次表面热传导的最大距 离，通道中的传热具有对称性时，在计算时可根据 下图来确定。
冷通道 热通道 冷通道
L
热通道 冷通道1 冷通道2 热通道
L2 L1
L 冷热通 b 道间隔 2
热通道 冷通道1 冷通道2 冷通道3 热通道
L2 L1
两个热通道之间 b1 L1 隔两个冷通道 b2 L2 两个热通道 之间隔三个 b2 L1 L2 L3 2 冷通道
b3 L3
b1 L1
L3
1）表面效率 板翅式换热器的总的传热量等于一次传热面和 二次传热面的传热量之和。 对于二股流换热器，当一个热通道和一个冷通 道间隔排列时，可以表达为：
Q F1 (t w T ) F2 f (t w T )
可以设想这样一个传热面 F0 F 1 F2 和综合的表 面效率 0，板翅式换热器的总传热方程式可以写成：
Q F0 0 (t w T )
0
F1 F2 f F0
Fe F0 0 F1 F2 f
由解式可看出，操作时沿翅片高度温差是变化 的，在翅片整个高度上平均温差可由解式根据中值 定理求出： PL
cp
tanh " ' 2 2 PL 2
根据翅片效率的定义，即翅片的平均温差与翅 片根部温差的比值，得：
PL tanh cp 2 f " ' PL 2 2
§ 3-1 绪论
1 发展概述
二十世纪三十年代，英国的马尔斯顿·艾克歇尔 瑟（Marston Excelsior）公司首次开发出铜及铜合金 制板翅式换热器，并将其用作航空发动机散热器。 此后，各种金属材料的板翅式换热器相继出现 在工程应用中，唯以铝合金材料为主。 我国是从60年代初期开始试制的。首先用于空 分制氧，制成了第一套板翅式空分设备。 近几年来，在产品结构、翅片规格、生产工艺 和设计、科研方面都有较大发展，应用范围也日趋 广泛。
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板翅式换热器封头有限元参数化结构分析
发表时间：2016-08-17T14:43:48.870Z 来源：《低碳地产》2015年第6期作者：袁俊杰
[导读] 阐述板翅式封头在设计工作中遇到的一些开孔率超出标准规定的问题.
四川川空换热器公司
【摘要】阐述板翅式封头在设计工作中遇到的一些开孔率超出标准规定的问题，利用ANSYS有限元分析解决大开孔的问题。
利用其参数化设计，可让一般设计人员使用，并利用应力分析对板翅式封头设计工作进行一定程度优化。
【关键词】应力分析；封头；有限元；接管；板翅式换热器
一、前言
目前，使用ANSYS软件对零部件和简单结构进行参数化设计及有限元分析已较为成熟，在设计计算领域已得到广泛应用。
使用APDL 对处理零部件非常有效，本文以板式换热器封头结构为研究对象，运用参数化与命令流相结合的方法建立结构模型，并对模型进行有限元分析，从而为板翅式换热器封头结构以及其结构的优化设计提供了一种快速的建模方法，解决了模型修改困难的问题。
二、基于ANSYS的有限元参数化基本思路
根据具体工程结构的设计特点与分析要求，用参数描述其特征尺寸及其它相关数据，并在建立有限元模型与分析时，以参数表征其过程，从而实现可变结构参数的有限元分析。
实施时具体步骤如下:①根据模型的几何结构、特征形状抽象出描述模型的特征参数，并对模型适当简化。
②建立包含实体建模、分析过程、结果处理过程的用ANSYS的命令流文件。
③用APDL语言将抽象出的特征参数代替建模中的参数，构成可变参数的有限元分析。
④根据设计分析要求，将参数赋于不同的特征值，并进行有限元计算分析，获取结果。
前3步工作完成后，在进行结构分析时只需重复第4步就可不断获得新的有限元分析结果。
三、ANSYS命令流文件的建立和APDL参数化语言
1．ANSYS命令流文件的建立
ANSYS命令流文件是一种在模型建立过程中自动生成的.log文件，它记录了模型建立过程中的每一步操作和命令，并将这些操作转变成ANSYS命令流的形式进行保存。
过对命令的修改和编辑建立进行参数化设计的ANSYS命令流文件，从而实现对同一系列板式换热器封头结构结构模型的修改。
2．APDL参数化语言
APDL是指ANSYS参数化设计语言，用来自动完成某些功能或建模的一种脚本语言。
它是一种功能强大的描述性、解释性语言，它可以实现模型的参数化，可以获取ANSYS数据库信息，可以进行数学运算（包括矩阵和矢量运算），可以定义经常使用的命令或宏的缩写。
（1）定义方法
由于APDL参数定义方法很多，这里只介绍其中比较简单的三种定义方法。
①采用*SET命令定义例如*SET，LONG，10000②采用赋值号“=”定义
例如LONG=10000 HIGH=1000③GUI菜单定义定义途径：UtilityMenu＞Parameters＞ScalarParameters
（2）APDL参数的使用
APDL 定义的参数主要是用于修改模型，其中包括模型的外轮廓尺寸（如长，宽、高、各板件之间的间隔以及材料的厚度等）和模型建立过程中坐标的移动距离。
模型的修改也主要是这些参数数值的变化。
当我们改变这些参数的数值后，将ANSYS命令导入ANSYS命令流窗口，就可以自动生成修改后的模型。
四、ANSYS参数化结构分析的实现
4.1参数化有限元模型的建立
进入ANSYS 的前处理模块,在工具菜单中(UtilityMenu)中选择Parameters 选项下ScalarParameters 项,调出参数尺寸定义界面，将模型中需要进行参数化的尺寸依次输入定义，完成参数化过程。
在参数化模型建立后,进行正常的单元定义,实参数定义,单元划分,加载,求解工作。
在这些过程进行后,通过ANSYS 的LGWRITE 命令保存命令流文件,文件名为Jobname.lgw。
Jobname 为自定义的分析文件名名称。
用记事本打开,可以看到操作的步骤都被一一被ANSYS 以一定的格式记录下来,对其中的尺寸定义部分进行编辑,保存文件。
开始一个新的分析过程,用ANSYS 的/INPUT 命令将Jobname.lgw 文件读入ANSYS,由于是批处理文件,因此程序自动进行分析过程得到参数化尺寸编辑后的模型及其计算结果。
从上述论述中,可以看到应用ANSYS的参数化模型建立功能可以方便的得到相同结构不同尺寸模型的模型结果和分析结果。
4.2板翅式换热器封头结构ANSYS有限元建模及网格划分
采用自底向上的方法构建封头的模型，即在构造模型时，首先定义关键点，再利用这些关键点定义较高级的图元(即线、面、体)。
通过计算各关键点坐标，先定义各个关键点，再生成封头体的轮廓线，通过轮廓线绕轴线旋转生成外形曲面。
有限元法的基本思想是把复杂的形体拆分为若干个形状简单的单元，利用单元节点变量对单元内部变量进行插值来实现对总体结构的分析，将连续体进行离散化即称网格划分。
离散而成的有限元集合将替代原来的弹性连续体，所有的计算分析都将在这个模型上进行。
模型进行网格划分，生成的有限元模型。
4.3 限制边界条件及施加压力载荷
加载即用边界条件数据描述结构的实际情况，即分析结构和外界之间的相互作用。
在加载时，边界条件可直接施加在几何模型上，其优点在于当改变有限元网格而重新进行分析时，无需在节点上重新施加边界条件；而通常的做法是将边界条件加载在有限元模型上，这样当改变有限元网格时，必须先删去现有节点上的边界条件，再施加新的载荷，以保证加载的准确性。
4.4 求解及后处理
我们选择软件默认的直接解法，它只寻求分析的稳定性，并不强调求解的速度，而且对计算机的内存要求不高，在求解器处理每个单元时，同时进行整体矩阵的组集和求解。
后处理是将计算所得的结果可视化。
ANSYS 有两个后处理器：通用后处理器，它只能观看整个模
型在某一时刻的结果；时间历程后处理器，可观看模型在不同时间的结果。
本文采用通用后处理器进行求解。
如图：五、结论
完成板翅式换热器封头参数化结构设计的关键是建立合理的有限元模型，并且熟悉ANSYS参数化设计语言。
对于使用者来说，只要按部就班地输入参数，因此，即使对于ANSYS不熟悉的普通设计人员也能利用此方法实现封头参数化设计。
在ANSYS环境下，基于APDL语言，实现了板翅式换热器封头结构参数化建模。
这种方法也是对封头进行优化设计的有效方法，可广泛应用于封头的优化设计中。
参考文献：
叶先磊.史亚杰编著《ANSYS工程分析软件应用实例》2003年李建国编著《压力容器设计的力学肌醇及其标准应用》2004年。