張良俊，吳靜怡

（1.上海交通大學 制冷與低溫工程研究所，上?！?00240；2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所 上海市空間飛行器機構(gòu)重點試驗室，上?！?01108）

板翅式換熱器研究進展

張良俊1，2，吳靜怡1

（1.上海交通大學 制冷與低溫工程研究所，上海200240；2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所 上海市空間飛行器機構(gòu)重點試驗室，上海201108）

板翅式換熱器是一種高效、緊湊的換熱設備。介紹了板翅式換熱器的近年來國內(nèi)外研究進展，數(shù)值模擬技術在板翅式換熱器設計中的應用、翅片傳熱及表面流動特性、新型翅片結(jié)構(gòu)、影響流體分配特性的封頭、分配器及流道結(jié)構(gòu)、優(yōu)化設計方法及在新領域應用等，并對板翅式換熱器發(fā)展前景進行了展望，提出在設計過程中將CFD技術與理論分析、試驗研究有機結(jié)合，多目標優(yōu)化設計與多算法交叉應用以及新材料與新工藝的發(fā)展是未來的研究和發(fā)展方向。

板翅式換熱器；數(shù)值模擬；翅片；分配特性；優(yōu)化設計

0　引言

板翅式換熱器自1930年由英國Marston Excelsior公司首次研制后，經(jīng)過80多年的發(fā)展，目前已得到廣泛應用。由于其傳熱效率高、適應性大、制造工藝復雜，因而世界各國關于對其的研究持續(xù)不斷，研究內(nèi)容包括理論分析、試驗研究、優(yōu)化設計、工藝改進及新材料應用等。

1　數(shù)值模擬

CFD（Computational Fluid Dynamics）技術早已被廣泛用于各種換熱器設計中［1］。大量的數(shù)值計算與實際試驗結(jié)果分析有良好一致性的事實也表明，CFD是研究各類換熱器流動及傳熱的有效途徑［2］。文鍵等［3］利用有限元軟件ANSYS，對不銹鋼鋸齒型板翅結(jié)構(gòu)進行了強度分析，認為翅距、翅厚、壓差是影響翅片強度的重要因素。Goyal等［4］提出了一種基于有限體積法的多股流板翅式換熱器數(shù)值模型，該模型成功用于低溫應用下的多股流板翅式換熱器評估計算，且計算結(jié)果與商用軟件Aspen MUSE能很好吻合。Liu等［5］數(shù)值模擬研究了板翅式換熱器傳熱系數(shù)和壓降受空氣入口角的影響。Villanueva等［6］利用CFD方法建立了一種高溫陶瓷板翅式換熱器換熱性能與壓降關系的數(shù)值模型。Nagarajan等［7］數(shù)值分析了陶瓷板翅式換熱器不同翅片結(jié)構(gòu)及排列形式下，壁面化學反應的SO3分解率。

2　翅片

2.1傳熱與流動特性研究

Aliabadi等［8］對板翅式換熱器平直、多孔、鋸齒、波浪及針形五種不同結(jié)構(gòu)的翅片，在空氣、水、油和乙二醇等不同工作流體的性能進行對比研究，研究結(jié)果對設計應用于不同類型冷卻液的板翅式換熱器時的翅片形式選擇有較大的參考價值。Fernández-Seara等［9］實驗分析了鈦釬焊鋸齒式翅片板翅式換熱器在液-液傳熱過程中的壓降及傳熱特性。唐成［10］對在混合熱邊界條件下，板翅式換熱器平直翅片通道的傳熱特性進行了數(shù)值模擬，認為板翅式換熱器二次傳熱主要是由其翅片完成，且隨著雷諾數(shù)Re的增大，其流體平均溫度降低，流體區(qū)內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)作用加大。Yang等［11］對鋸齒翅片板翅式換熱器傳熱性能進行了評估，提出了一個被稱為“熵產(chǎn)分布因子”的新參數(shù)，用于評價鋸齒翅片板翅式換熱器在熱力學上的優(yōu)勢。

2.2新型翅片結(jié)構(gòu)

杜文江等［12］分析研究了平直翅片和3種帶有渦流發(fā)生器的結(jié)構(gòu)改進型翅片的對流換熱性能，通過分析認為帶有渦流發(fā)生器的改進型翅片可大大增強換熱效果。王威［13］提出了一種改進型翅片結(jié)構(gòu)的雙尺度鋸齒翅片，采用小尺寸偏移量來部分代替大尺寸偏移量，使得在換熱強度削減不多的前提下，使得翅片壓降有明顯的降低。李曉寧等［14］發(fā)明了一種能夠同時兼具錯列翅片、波紋翅片和開縫翅片優(yōu)點的新型高效低壓降板翅式換熱器翅片。Guo等［15］研究了逆流板翅式換熱器翅片結(jié)構(gòu)形式的最優(yōu)化選擇方法，該方法對于大型多股流板翅式換熱器的設計更加有效。

3　流體分配特性及流道結(jié)構(gòu)

3.1封頭及分配器

沈素萍等［16］從封頭曲線對流體的引導作用出發(fā)，將常用的下拋物型一次封頭結(jié)構(gòu)改進為上拋物型和正切型，優(yōu)化了換熱器入口段流場均勻性，提出板翅式換熱器一次封頭的優(yōu)化設計思路。王斯民等［17］提出3種改進型的S彎封頭結(jié)構(gòu)，并比較了原始封頭和改進型封頭出口流體分布的均勻性。田津津等［18］研究了板翅式換熱器封頭高度與流體分配之間的關系，通過實驗分析認為說明板翅式換熱器的流體分配與封頭高度有很大關系，封頭高度越高流體分配就越均勻。Zhang等［19］對兩相流流體在板翅式換熱器內(nèi)的分配特性進行了實驗研究，為了研究翅式換熱器流體不均勻的原因，研究了多種分配器參數(shù)配置在不同運行條件下的流體分配特性及熱性能變化情況。李焱［20］提出了一種新型的氣液分配器，相對于傳統(tǒng)封頭結(jié)構(gòu)，其氣液分配特性得到有效改善，氣液分配不均勻度降低了一個數(shù)量級。

3.2流道結(jié)構(gòu)

郝建設等［21］對板翅式熱交換器周期性正弦流道中層流流體的傳熱性能進行研究，得出翅片流道截面結(jié)構(gòu)尺寸、振幅和波長對正弦流道傳熱綜合性能的影響。Tian［22］提出了一種可減少累積熱負荷、簡化流道安裝并提高傳熱性能的流道布置方法，同時應用分布參數(shù)模型得到了換熱器的溫度分布，并在此基礎上提出進一步的優(yōu)化方案。Aliabadi等［23-24］比較評價了7種常見的用于板翅式換熱器的流道結(jié)構(gòu)，并加工制造、試驗分析了所有流道結(jié)構(gòu)，并提出了一種帶有橫向渦流發(fā)生器矩形翅片的板翅式換熱器流道，分析了其流道內(nèi)的傳熱及液體流動特性。劉景成等［25］設計了一種新型板翅式換熱器流道結(jié)構(gòu)，該新型流道結(jié)構(gòu)可以增大流體的湍流性能，強化換熱器的換熱效果；還采用多目標優(yōu)化方法對板翅式換熱器導流結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化。

4　優(yōu)化設計方法

4.1遺傳算法

Ghosh［26］利用遺傳算法確立了一種多股流板翅式換熱器夾層最佳疊置形式的方法。胡云云等［27］在多股流板翅式換熱器柔性設計區(qū)間，確定虛擬工況點，建立了以累積熱負荷最小均方差為目標函數(shù)的優(yōu)化模型，并采用遺傳算法優(yōu)化多股流板翅式換熱器的通道排列。Zhao等［28］利用遺傳算法優(yōu)化設計了多股流板翅式換熱器的分層形式。Yin等［29］利用單目標優(yōu)化和多目標優(yōu)化的遺傳算法，得到了一種適用于空調(diào)系統(tǒng)的水-水板翅式換熱器的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。

4.2粒子群優(yōu)化算法

嚴巳杰等［30］以板翅式換熱器的質(zhì)量作為目標函數(shù)，以換熱器芯體外形尺寸和翅片參數(shù)作為優(yōu)化變量，采用粒子群優(yōu)化算法對其結(jié)構(gòu)尺寸進行優(yōu)化設計。Hajabdollahi［31］對兩個換熱邊采用相似、不同或不相似翅片的板翅式換熱器進行了熱經(jīng)濟學優(yōu)化。同時，采用多目標粒子群優(yōu)化算法對換熱效率和年總成本也進行了優(yōu)化。藏明君等［32］提出基于領地行為的多目標粒子群算法，并將所提算法應用于板翅式換熱器結(jié)構(gòu)多目標綜合優(yōu)化設計中，同時考慮了芯體重量、傳熱效率、壓降及強度校核等要求。Turgut［33］研究了混合混沌量子行為粒子群優(yōu)化算法，該方法成功將一種演變的量子行為粒子群優(yōu)化算法和高效的局部搜索機制結(jié)合，并將該方法應用于板翅式換熱器熱優(yōu)化設計中。

4.3混合算法

Yousefi等［34］利用一種混合進化算法-遺傳算法混合粒子群優(yōu)化設計算法優(yōu)化設計了板翅式換熱器，兩種算法的結(jié)合不但提高解的多樣性，而且可以降低作為粒子群優(yōu)化算法主要缺點的陷入局部最優(yōu)解的概率。Guo等［35］為了防止特殊應用下相鄰通道壁的流體泄漏問題，利用遺傳算法結(jié)合蒙特卡羅算法對板翅式換熱器翅片安全結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，經(jīng)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)可以提供一種新型的、可行的、安全的板翅式換熱器。楊輝著等［36］、文鍵等［37］采用結(jié)合Kriging響應面技術的遺傳算法，克服了傳統(tǒng)優(yōu)化方法對經(jīng)驗關聯(lián)式的依賴，對鋸齒型板翅式換熱器翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化設計。

4.4其他算法

Yousefi等［38］研究探討了一種改進的和聲搜索算法在板翅式換熱器設計優(yōu)化中的應用，通過實例分析可知，該算法的效率和精度均比傳統(tǒng)算法高。Pate等［39］將一種改進的基于多目標教學的優(yōu)化算法應用在板翅式換熱器多目標綜合優(yōu)化設計中，并運用兩個實例證實了算法的效率和精度。Zarea等［40］將蜜蜂算法應用在逆流板翅式換熱器的優(yōu)化設計中。Wang等［41］介紹了采用多目標布谷鳥算法對板翅式換熱器進行優(yōu)化設計，這是一種基于杜鵑繁殖行為的啟發(fā)式優(yōu)化算法。Hadidi［42］將一種全新的生物地理學優(yōu)化算法用于板翅式換熱器的優(yōu)化設計中。

5　新應用

王明富等［43］介紹了板翅式換熱器在航天發(fā)射低溫加注液氧過冷器中的應用，對換熱器的構(gòu)型選擇、結(jié)構(gòu)設計、性能試驗及使用情況作了闡述。胡忠軍等［44］為了同時滿足中國散裂中子源工程（CSNS）低溫系統(tǒng)中兩臺加速器冷量需求，研制了1臺集合漏率小于1.0×10-10Pa·m3/s的液氫溫區(qū)的鋁制板翅式氦氣換熱器。Mizokami等［45］為了滿足高溫氣冷反應堆（HTGR）950℃使用條件，提出了一種針對側(cè)桿形式的板翅釬焊高溫結(jié)構(gòu)設計準則。梁維好等［46］闡述了高溫高壓板翅式換熱器在國內(nèi)某乙烯項目的甲烷冷卻器中，替代管殼式換熱器的應用情況。朱偉平等［47］介紹了鋁制板翅式換熱器在中科院理化技術研究所l0 kW@20 K大型低溫氦制冷系統(tǒng)中的應用情況。Chang等［48］介紹了一款板翅式換熱器在10 kW布雷頓制冷機和高溫超導電力電纜（HTS）工程低溫冷卻系統(tǒng)中的應用情況。

6　結(jié)論

（1）隨著CFD技術的不斷發(fā)展及其在板翅式換熱器設計開發(fā)的廣泛應用，如何將數(shù)值模擬技術與理論分析、實驗研究有機結(jié)合，縮短研發(fā)周期、減少研發(fā)成本、提高研發(fā)效率將是發(fā)展趨勢之一；

（2）板翅式換熱器設計參數(shù)多、關聯(lián)性強，單目標、單算法優(yōu)化設計技術不能科學、客觀反映多關鍵因素的耦合效應。因此，多目標優(yōu)化設計、多算法交叉應用技術將是發(fā)展趨勢之一；

（3）航天、核能、船舶、超導等尖端技術的不斷推進，板翅式換熱器的應用領域?qū)⒉粩嗤卣埂Ｍ瑫r，新應用需求也必將帶動板翅式換熱器新材料及新工藝的發(fā)展。

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RESEARCH PROGRESSOFPLATE FIN HEAT EXCHANGER

ZHANG Liang-jun1，2，WU Jing-yi1
（1.Instituteof Refrigeration and Cryogenics，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China；2.Aerospace System Engineering Shanghai，ShanghaiKey Laboratory of SpacecraftM echanism，Shanghai 201108，China）

Plate-fin heat exchanger（PFHE）is an efficient，compact heat transfer equipment.The domestic and foreign research progress on the plate-fin heat exchanger in recent years is reviewed，emphatically introduces the design of PFHE based on numerical simulation technology，heat transfer and flow characteristics of different fin structures，new fin structures，head，distributor and channel structurewhich influence the distribution performance，optim ization designmethods，new fieldsof application athome and abroad.Some prospectsand suggestionsof the application and developmentof PFHEare discussed.The research and developmentdirections in the future，such as：combining CFD technologyw ith theory and experimental research in the design，multi-objective optim ization designing，Multi-algorithm crossly using，new materialand new technology are proposed.

plate-fin heatexchanger；numericalsimulation；fin；distribution performance；optim ization design

TB657.5

A

1006-7086（2016）03-0138-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.03.003

2016-01-20

上海市航天基金（HTJ10-13）和上海市科學技術委員會資助（06dz22105）

張良?。?980-），男，安徽省合肥市人，博士研究生，高級工程師，從事空間環(huán)境試驗模擬技術研究。E-mail:liangjunzh@126.com。