專利名稱：板翅式換熱器流體分配封頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是專利申請03114439.X，名稱為“板翅式換熱器流體分配封頭和封頭連接的導(dǎo)流片”的分案申請，屬于板翅式換熱器物流分配、傳熱強(qiáng)化及性能優(yōu)化技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種板翅式換熱器流體分配封頭。
背景技術(shù)：
板翅式換熱器是熱力過程中的關(guān)鍵設(shè)備，由于其高效緊湊的特點廣泛應(yīng)用于能源、石油、化工、冶金、航空與航天等領(lǐng)域。在板翅式換熱器的設(shè)計過程中，均假設(shè)換熱流體均勻分布于換熱器內(nèi)，事實上，由于封頭、導(dǎo)流片的設(shè)計不合理，加上從總管來流進(jìn)入封頭、導(dǎo)流片、換熱器這一過程中存在著多次當(dāng)量直徑的變化，實現(xiàn)換熱器內(nèi)部的流體均勻分布是不可能的。即使總管來流分布均勻，由于通道加工誤差、換熱過程中一些因素(例如粘性流體的冷卻、熱力振動等)的影響也會造成換熱器內(nèi)部物流分配的不均勻。換熱器內(nèi)部物流分配的不均勻是引起其性能下降的重要因素。對板翅式換熱器的研究發(fā)現(xiàn)入口結(jié)構(gòu)對物流分配的不均勻性影響最大，由于封頭結(jié)構(gòu)以及換熱器的流動布置方式不同，物流分配的不均勻性對其整體效能的影響不同，可導(dǎo)致逆流換熱器、冷凝器的整體效能下降7％；而對錯流式換熱器效能的影響高達(dá)25％。為補(bǔ)償由于物流分配的不均勻造成的換熱器效能的下降，適當(dāng)放大板翅式換熱器的設(shè)計安全系數(shù)是必須的，目前在國內(nèi)該類換熱器的設(shè)計過程中冷側(cè)的設(shè)計安全系數(shù)高達(dá)39％，降低了該類換熱器的整體效能，對影響其內(nèi)部物流分配的不均勻性的因素進(jìn)行相應(yīng)的研究是板翅式換熱器優(yōu)化設(shè)計的重要內(nèi)容，也顯得極為迫切。
申請者對此項工作已開展了多年的研究，掌握本方向國際前沿研究動態(tài)和工程應(yīng)用現(xiàn)狀，明確換熱器入口結(jié)構(gòu)對物流分配特性的影響規(guī)律。本發(fā)明就目前入口分配結(jié)構(gòu)存在的問題，提出幾種新型入口封頭，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便。經(jīng)過深入的理論分析、數(shù)值模擬和實驗研究，證實了其可行性和可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
針對板翅式換熱器目前存在的流體分配不均勻的現(xiàn)象，本發(fā)明提出了入口分配結(jié)構(gòu)的新方案。導(dǎo)致物流分配不均勻的因素是多方面的，導(dǎo)流片及封頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計、安裝制造、流動工況的改變等均可引起換熱器內(nèi)部物流分配不均勻。在多相流動的情況下，物流分配的不均勻性顯得更為突出。采用本發(fā)明的新型板翅式換熱器入口結(jié)構(gòu)，極大的提高了換熱器內(nèi)部板束的物流分配，改善了換熱器的傳熱性能，減少了彌補(bǔ)換熱面積損失的設(shè)備投資，消除了高壓板翅換熱器因換熱不良而引起的惡性事故，減少了故障率和運行維護(hù)費。
本發(fā)明的目的在于，提供一種板翅式換熱器流體分配封頭，該板翅式換熱器流體分配封頭能夠改善內(nèi)部板束橫向與縱向物流分配不均勻性、提高換熱器傳熱性能。
實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案是，板翅式換熱器流體分配封頭，該封頭按傳統(tǒng)的基本型封頭 型結(jié)構(gòu)設(shè)計，它包括流體進(jìn)口段和弧形封頭連接段；其特征在于，在弧形封頭連接段的內(nèi)部的空間區(qū)域還設(shè)置有一個隔離板，并在隔離板上分布有多個通孔；所述的隔離板上通孔的分布特征為三個區(qū)域封頭截面中心區(qū)域孔的直徑最?。黄x中心區(qū)域的孔的直徑次之；封頭截面邊緣區(qū)域的孔的直徑最大。
該方案的板翅式換熱器流體分配封頭的其他特點是所述隔離板上的多個通孔均勻地分布或不均勻分布。
所述隔離板的設(shè)置可以與弧形封頭連接段等長，也可以小于弧形封頭連接段的長度。
本發(fā)明提出的板翅式換熱器流體分配入口封頭，為改善換熱器內(nèi)部板束橫向與縱向物流分配不均勻性、提高換熱器傳熱性能，達(dá)到減少設(shè)備體積和投資的目的。


圖1是現(xiàn)有的換熱器入口封頭結(jié)構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明的封頭結(jié)構(gòu)圖；圖3～圖5是本發(fā)明的封頭結(jié)構(gòu)剖面圖，其中a)是主視圖，b)是俯視圖，c)是左視圖；圖5是本發(fā)明的最佳導(dǎo)流角度導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是本發(fā)明最佳打孔直徑導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是本發(fā)明帶有h/H的導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)示意圖；圖8a)、b)分別是各種封頭結(jié)構(gòu)對流體分配性能的影響曲線；圖9是板翅換熱器主體圖；圖10是試件斷面圖；其中圖a)是試件圖，圖b)是a)的斷面圖。
圖11是實驗系統(tǒng)圖。
以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
具體實施例方式
參見附圖2。依本發(fā)明的技術(shù)方案，一種板翅式換熱器流體分配封頭，該封頭按傳統(tǒng)的基本型封頭 型結(jié)構(gòu)設(shè)計，它包括一流體進(jìn)口段1和弧形封頭連接段2；在流體進(jìn)口段1和弧形封頭連接段2連接的空間位置還設(shè)置有一個隔離板4，并在隔離板4分布有多個通孔。隔離板4上孔的分布特征為三個區(qū)域封頭截面中心區(qū)域孔的直徑最小；偏離中心區(qū)域的孔的直徑次之；封頭截面邊緣區(qū)域的孔的直徑最大。
隔離板4上的多個通孔均勻地分布或不均勻分布。
隔離板4的設(shè)置可以與弧形封頭連接段2等長，也可以小于弧形封頭連接段2的長度。
與本發(fā)明的板翅式換熱器流體分配封頭連接的導(dǎo)流片，包括一傳統(tǒng)的導(dǎo)流片，導(dǎo)流片上設(shè)置有導(dǎo)流孔，導(dǎo)流片的導(dǎo)流角度設(shè)置為45°，導(dǎo)流片上的導(dǎo)流孔的直徑為2mm。
在導(dǎo)流片的邊緣設(shè)一補(bǔ)液腔，該補(bǔ)液腔的寬度為h，封頭的開口寬度為H，h/H為0.2。
本發(fā)明的研究，解決了其中許多關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了板翅式換熱器的物流均勻分配。本發(fā)明所提出的創(chuàng)新思想包括以下幾方面1、提出孔板式封頭的結(jié)構(gòu)，解決了板束單元體截面整體物流分配不均勻性。
首次提出了孔板式封頭結(jié)構(gòu)，其主要思想是在封頭內(nèi)部裝一孔板，使流體經(jīng)孔板進(jìn)行滲流，使流體在橫向與縱向上均勻地分配到換熱器中。本發(fā)明提出了三種孔板式封頭結(jié)構(gòu)(1)孔板上均勻地打上小孔(封頭結(jié)構(gòu)D，圖3)；(2)根據(jù)流體分配的特征在孔板上不均勻地打上小孔，其分布特征為打孔分為三個區(qū)域封頭截面中心區(qū)域打孔直徑最??；偏離中心區(qū)域的打孔直徑次之；封頭截面邊緣區(qū)域的打孔直徑最大(封頭結(jié)構(gòu)E，圖4)；(3)根據(jù)流體阻力適宜的要求，采用部分孔板，在孔板上均勻地打上小孔(封頭結(jié)構(gòu)F，圖5)。
2、確定最佳導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)型式，解決了板束單元體截面縱向物流分配不均勻性(1)導(dǎo)流片的導(dǎo)流角度以45°最佳導(dǎo)流片的導(dǎo)流角度對導(dǎo)流片的導(dǎo)流性能具有較大影響，研究發(fā)現(xiàn)目前工業(yè)設(shè)計中廣泛使用的導(dǎo)流片很隨意，導(dǎo)流性能較差，而導(dǎo)流角度為45°時的導(dǎo)流片(圖6)具有良好的導(dǎo)流性能，在相同工況下，同其它導(dǎo)流角度導(dǎo)流片的導(dǎo)流性能比較，該導(dǎo)流片的導(dǎo)流性能最佳。
(2)導(dǎo)流片的打孔直徑以2mm為最好在一般的工業(yè)設(shè)計中，導(dǎo)流片的打孔直徑往往由技術(shù)人員憑借經(jīng)驗選取，缺乏一定的理論與實驗依據(jù)。根據(jù)發(fā)明人的理論與實驗研究，發(fā)現(xiàn)在導(dǎo)流片開孔直徑約為2mm時其導(dǎo)流性能達(dá)到最佳(圖7)，可以使流體在導(dǎo)流片內(nèi)部均勻的分布，從而良好的改善換熱器出口截面縱向物流分配不均勻的問題。
(3)引入導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)參數(shù)h/H的概念傳統(tǒng)的導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)僅僅依靠其導(dǎo)流角度的作用對流體進(jìn)行導(dǎo)流作用，此手段比較單一，效果不明顯。根據(jù)研究結(jié)果專門設(shè)計了結(jié)構(gòu)h/H的導(dǎo)流片(圖8)，導(dǎo)流片h/H的結(jié)構(gòu)參數(shù)取0.2左右為好。該結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要目的是禰補(bǔ)縱向物流分配的不均勻，結(jié)構(gòu)h/H的導(dǎo)流片的主要特點就是在導(dǎo)流片的邊緣設(shè)一補(bǔ)液腔，其主要目的是依靠改變導(dǎo)流片的結(jié)構(gòu)，充分利用導(dǎo)流片的打孔產(chǎn)生的流體流動補(bǔ)液，來改善流動速度分布不均勻。
本發(fā)明的效果是(1)導(dǎo)流片的導(dǎo)流角度對板束單元體截面物流分配不均勻性和流動阻力特性也有很大影響，發(fā)現(xiàn)目前工業(yè)設(shè)計中廣泛使用的導(dǎo)流片導(dǎo)流性能較差，而在導(dǎo)流角度為45°以及導(dǎo)流片開孔直徑約為2mm時，導(dǎo)流片的導(dǎo)流性能最佳。首次提出了導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)參數(shù)h/H的概念，通過改變h/H的值，在導(dǎo)流片內(nèi)部形成不同大小的補(bǔ)液腔，從而改善了導(dǎo)流片內(nèi)部的速度場分布。研究發(fā)現(xiàn)采用以上導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)可以使板束單元體內(nèi)部通道縱向方向上的最大流速與最小流速之比由原來的3～7降到2～5倍。
(2)定義了判斷不均勻分配的無量綱參數(shù)，并將本發(fā)明提出的多種封頭結(jié)構(gòu)對流體分配均勻性的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬，計算結(jié)果繪于圖9。為了評估封頭出口截面物流分配的不均勻性，引入不均勻度Si的概念，Si的大小就代表著封頭出口截面上的物流分配不均勻程度，可用公式表達(dá)為Si＝(gi-ga)/ga式中g(shù)i為第i通道的質(zhì)量流率；ga為n個通道的平均質(zhì)量流率。
圖9揭示的是在相同入口平均雷諾數(shù)時，各種封頭結(jié)構(gòu)出口截面各個通道物流分配不均勻的情況，從不均勻度的定義可知曲線越趨于零值其分配效果越好。
圖10表示的是板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖，從圖中可以看到板翅式換熱器由兩部分組成，一部分為入口結(jié)構(gòu)其包括封頭與導(dǎo)流片，另一部分為換熱器主體。流體經(jīng)封頭進(jìn)入導(dǎo)流片，由導(dǎo)流片分配進(jìn)入換熱器主體。
圖11表示的是一個工業(yè)用小型板翅式換熱器入口結(jié)構(gòu)示意圖，由開封空分集團(tuán)公司生產(chǎn)，其入口管、封頭的尺寸以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)是按照3200Nm3.h-1空分系統(tǒng)中使用的主換熱器單元體尺寸進(jìn)行?；O(shè)計的。為實現(xiàn)對流量的精確測量和進(jìn)行相關(guān)的實驗研究，將試件的流體流動通路截面劃分為30個小區(qū)，每一個小區(qū)的截面積為41.7mm×40mm，將每一個小區(qū)(熱側(cè)含有40微型通道P)作為一個通道Ch進(jìn)行測量，熱側(cè)通道(Ch)的當(dāng)量直徑為17mm，通道布置見圖11。在實驗時，對每一個熱側(cè)通道(Ch)的質(zhì)量流率進(jìn)行測量，從而可獲得換熱器截面的流量分布或者通道流速分布特性圖。
圖12表示的是實驗系統(tǒng)圖，主要由氣體通路系統(tǒng)、水路系統(tǒng)和測量系統(tǒng)組成。該試驗臺可以進(jìn)行液相、氣相以及氣液兩相的不均勻分配性的研究。整個通路循環(huán)由如下環(huán)節(jié)組成空氣經(jīng)壓壓縮機(jī)縮后通過冷卻器、穩(wěn)壓器、流量調(diào)節(jié)閥、過濾器、渦輪流量變送器進(jìn)入氣液混合器與流經(jīng)液路的水泵、水穩(wěn)壓器、流量變送器的水進(jìn)行混合然后進(jìn)入試件，后流經(jīng)轉(zhuǎn)換開關(guān)箱，單股引出進(jìn)入氣液分離器分別進(jìn)行相應(yīng)的氣液測量。
權(quán)利要求
1.一種板翅式換熱器流體分配封頭，該封頭按傳統(tǒng)的基本型封頭 型結(jié)構(gòu)設(shè)計，它包括流體進(jìn)口段(1)和弧形封頭連接段(2)；其特征在于，在弧形封頭連接段(2)的內(nèi)部的空間區(qū)域還設(shè)置有一個隔離板(4)，并在隔離板(4)上分布有多個通孔；所述的隔離板(4)上通孔的分布特征為三個區(qū)域封頭截面中心區(qū)域孔的直徑最?。黄x中心區(qū)域的孔的直徑次之；封頭截面邊緣區(qū)域的孔的直徑最大。
2.如權(quán)利要求1所述的板翅式換熱器流體分配封頭，其特征在于，所述隔離板(4)上的多個通孔均勻地分布或不均勻分布。
3.如權(quán)利要求1所述的板翅式換熱器流體分配封頭，其特征在于，所述隔離板(4)的設(shè)置與弧形封頭連接段(2)等長，或小于弧形封頭連接段(2)的長度。
全文摘要
本發(fā)明公開了板翅式換熱器流體分配封頭，該封頭按傳統(tǒng)的基本型封頭“┤”型結(jié)構(gòu)設(shè)計，它包括流體進(jìn)口段和弧形封頭連接段；在弧形封頭連接段的內(nèi)部的空間區(qū)域還設(shè)置有一個隔離板，并在隔離板上分布有多個通孔；所述的隔離板上通孔的分布特征為三個區(qū)域封頭截面中心區(qū)域孔的直徑最?。黄x中心區(qū)域的孔的直徑次之；封頭截面邊緣區(qū)域的孔的直徑最大?；蚋鶕?jù)流體阻力適宜的要求，采用部分孔板，在孔板上均勻地打上小孔。本發(fā)明提出的板翅式換熱器入口流體分配封頭，制作簡單，可以改善換熱器內(nèi)部板束橫向與縱向物流分配不均勻性、提高換熱器傳熱性能，達(dá)到減少設(shè)備體積和投資的目的。
文檔編號F28F9/22GK1769830SQ20051010665
公開日2006年5月10日 申請日期2003年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月17日
發(fā)明者厲彥忠, 張哲 申請人:西安交通大學(xué)