盛月峰，喬玉珍（杭州中泰深冷技術(shù)股份有限公司，浙江杭州 311402）

基于EDR的板翅式換熱器的設(shè)計(jì)

盛月峰，喬玉珍
（杭州中泰深冷技術(shù)股份有限公司，浙江杭州 311402）

介紹EDR軟件應(yīng)用于多股流板翅式換熱器的傳熱計(jì)算，通過實(shí)例分析了不同類型翅片，通道排列和通道分配等因素對(duì)多股流板翅式換熱器計(jì)算結(jié)果的影響。結(jié)果顯示在壓力降允許的范圍內(nèi)，選擇合適的翅片，合理的通道排列和分配可以優(yōu)化換熱器的設(shè)計(jì)方案，節(jié)省成本。

板翅式換熱器；EDR軟件；通道排列；設(shè)計(jì)；傳熱

板翅式換熱器憑借其傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成功應(yīng)用于許多方面，主要用于低溫氣體的分離，天然氣溶化、石油化工產(chǎn)品的生產(chǎn)、制冷裝置以及一些尾氣的處理。

1　板翅式換熱器的介紹

板翅式換熱器的主要由板束（芯體）、封頭、接管及支座等附件組成。板翅式換熱器的每一個(gè)通道是由隔板、封條、翅片、導(dǎo)流片等零件組成，每層通道都設(shè)置有流體的進(jìn)出口和包含流體的封頭，各個(gè)零部件間通過焊接連在一起。

鋁制板翅式換熱器可以適用于設(shè)計(jì)溫度為-269～65℃的場(chǎng)合。由于受材料的限制，鋁制板翅式換熱器在穩(wěn)態(tài)下同一截面的最大允許溫差為50℃；對(duì)有相變的流體同一截面的溫差最好不超過30℃。板翅式換熱器適用于多股流的介質(zhì)之間的傳熱，最大可以達(dá)到15股流體。

板翅式換熱器的設(shè)計(jì)主要有兩方面：傳熱設(shè)計(jì)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)。本文是從傳熱的角度來介紹換熱器的設(shè)計(jì)。

2　EDR軟件的模擬計(jì)算

對(duì)于板翅式換熱器的傳熱計(jì)算選用的是EDR軟件下面的Plate Fin Exchanger模塊。EDR對(duì)板翅式換熱器的設(shè)計(jì)主要有Design，Stream by Stream simulation，Layer by layer simulation等模式，可以進(jìn)行虹吸，錯(cuò)流、順流、逆流等的計(jì)算。

下面應(yīng)用EDR軟件設(shè)計(jì)主換熱器，如下：

1）Design 設(shè)計(jì)，將需要的物性參數(shù)如溫度，壓力，流量等輸入，一般通過hysys模擬換熱器的熱平衡，直接將hysys模擬的結(jié)果導(dǎo)入EDR軟件，進(jìn)行初步的設(shè)計(jì)，得到一個(gè)初步的結(jié)果。從以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來看，在進(jìn)行Design設(shè)計(jì)時(shí)要考慮熱負(fù)荷，翅片形式，導(dǎo)流片形式，封頭布置，允許壓降等因素。一般在Design設(shè)計(jì)時(shí)考慮換熱器的寬度，翅片的選取，管口方位，以及通道的分配問題。這樣為后面的模擬提供了良好的基礎(chǔ)?？紤]翅片、管口、通道的分配得到結(jié)果，見圖1。

圖1　計(jì)算結(jié)果

2）Stream by Stream simulation模擬，在Design計(jì)算的基礎(chǔ)上，通運(yùn)用Stream by Stream simulation模式自動(dòng)將Design計(jì)算得到的傳熱長(zhǎng)度，導(dǎo)流片長(zhǎng)度等數(shù)據(jù)補(bǔ)全，將換熱器的長(zhǎng)度圓整。換熱器的尺寸基本確定為L(zhǎng)5 300×W1300×H～1 671mm調(diào)節(jié)傳熱段和導(dǎo)流片的長(zhǎng)度，使得熱負(fù)荷和出口溫度基本達(dá)到要求。

3）Layer by layer simulation模擬，是在（2）的基礎(chǔ)上對(duì)換熱器進(jìn)行通道排列計(jì)算從而對(duì)換熱器進(jìn)行校核，這個(gè)結(jié)果更接近實(shí)際運(yùn)行的狀況，在換熱器設(shè)計(jì)時(shí)，需要在此模式下對(duì)換熱器進(jìn)行校核。

3　翅片類型的選取

板翅式換熱器在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要考慮選用什么類型的翅片，一般來說，目前用得比較多的是多孔型和鋸齒型翅片，翅片的類型直接影響了換熱器的尺寸。圖1是選用鋸齒翅片的結(jié)果，如果選用多孔型的翅片，在保持通道分配不變的情況下，得到結(jié)果如圖2，此時(shí)阻力是允許阻力的40%～60%.在壓力降允許的情況下，鋸齒型翅片能明顯的減小換熱器的尺寸。

圖2　計(jì)算結(jié)果

4　通道分配與通道排列的影響

換熱器的通道分配余排列是換熱器設(shè)計(jì)的重要部分，通道排列布置在冷通道和熱通道之間除了做到總熱量平衡外，還應(yīng)基本做到局部熱量平衡，以便減少熱量?jī)?nèi)耗。[1]在Layer by layer simulation 模式下的通道排列為DAECAEDAEDAEDACB CAEDAEDAECADDAEBCAEDAEDAEDAEDACBCAEDAED AECADDAEBCAEDAEDAECADDAEBCAEDAEEAEEADEA CBEADDACEADEADEACBEADDACEADEACEADBCADEAD EADEADEACBEADDACEADEADEACBCADEADEADEACEA D，得到如圖3的熱負(fù)荷分布圖，結(jié)果顯示每股流體在換熱器每個(gè)截面上的熱負(fù)荷基本是平衡的，說明通道排列合理。另一種通道排列為DAECAEDAEDAEDACACAEDAEDAECADDA EACAEDAED AEDAEDACACAEDAEDAECADDAEACBEDB EDBECBDDBEBCBEDAEEAEEADEACBEBDDBCEADEADE ACAEADDACEADEACEADACADEADEADEADEACAEADD ACEADEADEACACADEADEADEACEAD。得到如圖4的熱負(fù)荷分布圖，可見熱負(fù)荷分布不平衡，這樣很容易造成換熱器的波動(dòng)，這樣的通道排列顯然是不合理的。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該避免這樣的排列方式。

圖3　熱負(fù)荷分布圖

圖4　熱負(fù)荷分布圖

5　結(jié)束語(yǔ)

近年來，鋁制板翅式換熱器用途也越來越多，主要用于空氣分離，天然氣溶化和分離，合成氨，石油化工裝置中。EDR作為板翅式換熱器的設(shè)計(jì)和模擬的工具，為設(shè)計(jì)人員提供很好的平臺(tái)。

EDR軟件，可以提供比較全面且直觀的信息，比如換熱器簡(jiǎn)圖，芯體的布置情況，溫度分布情況，整個(gè)換熱器中每部分的壓力降等。EDR軟件還可以反映出流體在換熱器各個(gè)部分的流速，某一截面上熱負(fù)荷，某一截面上的溫差等，而這些功能是MUSE軟件沒有的。

隨著工藝的發(fā)展，由于運(yùn)輸?shù)南拗?，?duì)板翅式換熱器的尺寸要求越來越小。然而一個(gè)換熱器的設(shè)計(jì)方案有很多，要在保證熱負(fù)荷的條件下得到經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)方案，這就需要設(shè)計(jì)人員在對(duì)板翅式換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合制造廠的實(shí)際情況，選擇合適的翅片，對(duì)流體進(jìn)行合理的通道分配余排列，盡可能的將換熱器的允許阻力用到，減少換熱器內(nèi)耗，從而得到最經(jīng)濟(jì)的換熱器。

[1] 王松漢.板翅式換熱器[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1984.

Based on EDA plate-fin heat exchanger design

Sheng Yue-feng，Qiao Yu-zhen

EDR software used in multi-stream plate-fin heat exchanger heat transfer calculations by case analysis of the different types of fin channel arrangement and other factors on the distribution channel multi-stream plate-fin heat exchanger calculation results influences.The results show that the pressure drop within the allowable range，choosing the right fin，reasonable arrangement and distribution channels to optimize the heat exchanger design and cost savings.

plate-fin heat exchanger；EDR software；channel arrangement；design；heat transfer

TK124

B

1003-6490（2016）03-0051-02

2016-03-18

盛月峰（1988—），男，助理工程師，畢業(yè)于浙江工業(yè)大學(xué)，主要從事壓力容器的設(shè)計(jì)工作。