石油機械34卷第5期專題研究卜封頭對板翅式換熱器流動及阻力特性的影響周愛民厲彥忠文鍵馬巖松（西安交通大學能源與動力工程學院）小流量和溫度的測量，將試件的流動截面劃分為30個小的區域，如中所示，每個小的區域作為一個通道，可以進行小通道的流量和壓差測量。

　　工業上普遍應用的基本封頭，其結構尺寸與中定義的封頭A―致。

　　改進的孔板型封頭，采用在封頭內部高度一半的地方加入一不均勻打孔擋板。

　　板上打孔率沿著擋板的中軸線向兩側逐漸增加且成對稱分布，孔板上沿中軸線由內向外分別均勻地打小、中、大3種直徑的孔。根據所加擋板類型，定義順排擋板為B型封頭，錯排擋板為C型封頭。孔板型封頭結構和孔板結構圖如ab、c所示。

　　另外引入無量綱參數0表示換熱器各通道被測參數的最大值與最小值之比，也從一定程度上反映了不均勻分配的情況。即0和分別表示最大流速比和最大阻力比。

　　1.不同封頭結構換熱器出口的通道流速分布（1）同一Re下不同封頭結構物流分配的比較實驗結果分析與討論bookmark2為了表示換熱器截面通道流量分配和阻力分布的絕對不均參數，引入數理統計上的標準方差S.它體現了計算數據的離散程度，可以很好地綜合反映不同工況、不同封頭結構參數對板束單元體內部的被測量分配不均勻情況。所得絕對值越大表示截面被測量分配越不均勻，反之其分配就越均勻。這里定義：Sv和S分別表示速度和阻力分布的不均勻參數。其中下標ch（i）表示第i個通道的測量值，下標ave表示截面平均測量值。N表示總通道數，為便于比較分析，將與入口管來流相同的方向定義為縱向，垂直來流方向定義為橫向。a和3b分別表示的是在Re=15⑴時3種封頭結構換熱器橫向和縱向出口截面平均流速分配情況。從圖中可以看到，目前工業中普遍應用的基本型封頭A下出口截面流速分布極其不均：對應入口管附近的第12和17個通道的速度值極高，最高速度為2.270m/s而遠離入口管處于截面四角的第1 52630個通道速度值極低，最低速度為0.228m /s最大流速比0為9.951不均勻參數又為0.652m/s橫向平均速度最大和最小值分別為2.056m /s和0.601m/s縱向平均速度最大和最小值分別為1.776m /s和/s而在改進型封頭內加入打孔擋板的封頭下，無論是順排還是錯排孔板，其中央位置高流速區的速度大大降低，而四周低流速區的速度均明顯升高，流速分布比較均勻，最大流速比0和不均勻參數Sv較基本型都有很大改善。

　　對著入口管的地方孔徑較小，可以使來流受到較大的阻力，從而使得四周的孔中流過的流體增多，而四周較大的孔徑保證了分流來的流體順利通過。由于錯排孔板在當量直徑的變化上更具有連續性，因而可以使得經過孔板四周的流體速度不至于降得過低，從而提高了整個板束出口截面流速分布的均勻性。

　　（2）不同Re下封頭結構對換熱器出口物流分配的影響表1反映了不同封頭結構下的不均勻參數Sv與Re的變化關系。從表中可以看出，隨著Re的增大，3種封頭結構的流速不均勻參數Sv越來越大，這說明換熱器出口的物流分配將會變得越來越不均勻。因此Re是影響板翅式換熱器物流分配的重要因素，而2種改進的孔板型封頭較之基本型封頭均有很大改善，錯排型封頭的物流分配效果始終優于其它2種結構。

　　表1不同封頭下Sv與Re的變化關系似的部分特性，主要表現在流量相近的通道其流動阻力也比較相近，在流速較高的區域，也是流動阻力較大的區域，這主要是因為通道物流分配多，則流動速度就快，從而增加了流動阻力，引起通道整體阻力增加。但流動阻力的分布特性又表現出其本身的部分特性，也就是流動阻力的截面分布更加不均勻，在物流分配的高流速區，也是流動阻力較大的區域，兩者比較而言，流動阻力分布由于通道流量分配的不同，變得更不均勻。

　　500時不同封頭結構下換熱器阻力分布的參數比較。從表中可以看出：基本型封頭A的3 0路出口的阻力范圍非常大，最大值為2910.58Pa最小值僅為221. 17Pa阻力不均勻73Pa最大阻力比0~為13.16而C型封頭比其它2種封頭，其出口通道壓差分布沒有出現大的“階躍”說明其結構更合理。

　　表2不同封頭結構下阻力分布的參數比較封頭結構A型B型C型2.不同封頭結構換熱器流動阻力特性的研究以下通過實驗測量板翅式換熱器出口截面通道與總管入口的壓降，以及換熱器進出口總管的壓降，可以了解物流分配的不均勻性對板翅式換熱器內部流動阻力分布的影響，同時研究了進出口總管間的流動阻力隨著Re的變化規律，為板翅式換熱器的優化設計提供重要的價值。

　　（1）板翅式換熱器出口截面通道與入口總管的阻力分布是Re=1500時基本封頭板翅式換熱器出口截面通道流動阻力分布圖，從圖中可以看出，流動阻力分布表現出與出口通道的物流分配相從表中可以看出，2種改進型封頭30路出口的最小阻力損失比原始封頭要大得多，究其原因：一般地阻力包括3個部分：入口封頭段、換熱器心體部分和出口封頭段，在工程計算中，主要是計算換熱器心體部分的壓差，忽略了進出口封頭段的壓差損失，但是對改進型的封頭而言，由于添加了打孔的擋板，造成了入口段的壓差數值很大，使得整個換熱器部分的壓差損失增加顯著。

　　結合物流分配實驗的結果表明，孔板型封頭結構在改善物流分配均勻和換熱性能的同時，其阻力分布也有所提高，因此在強化換熱的同時，必須對換熱器整體進行優化設計，使其換熱性能達到最佳。

　　（2）板翅式換熱器進出口總管的阻力分布表明了在不同封頭結構下，板翅式換熱器進出口總管的流動阻力隨Re變化的情況，總管出口即30路出口通道重新匯合成一個出口管。從圖中可以看出：Re較低時，流動阻力的變化較小，而隨著Re的增加，3種封頭下的流動阻力都大幅上升，但孔板型封頭的阻力增幅更快，這主要是由于在其內部加一不同結構的孔板，造成換熱器的流動阻力不同程度的增大。另外發現不同的封頭結構對進出口總管的流動阻力的影響有較大的差別，其中封頭A的總管間流動阻力最小，而且增長趨勢緩慢，但其分配效果最差；順排不均勻孔板封頭B的流動阻力最大，其分配效果優于封頭A而錯排不均勻孔板封頭C分配效果最好，并且壓降增幅不大。

　　進出口總管的流動阻力與Re的關系將圖中的Ap-e關系進行多項式擬合，得到各個封頭的進出口總管流動阻力與雷諾數的關系式。

　　當Re=0時，根據上式計算其流動阻力并不等于0主要是由于系統測量誤差、數據加權平均以及擬合等過程中產生的誤差造成的，以上擬合誤差不大于5%上述實驗結果表明：物流分配的不均勻性會導致流動阻力分布更不均勻，進而使各出口通道間總管流動阻力急劇增大，而封頭結構和Re對板翅式換熱器內部物流分配的不均勻性具有較大影響，因此封頭結構和Re也是影響換熱器流動阻力的決定因素。

　　結論通過結構模化實驗研究了3種封頭結構下板翅式換熱器出口物流分配的情況。發現工業用基本型封頭的物流分配極不均勻，而孔板型封頭結構對于改善物流分配有明顯效果，能夠有效地降低不均勻參數和最大流速比。

　　研究了不同情況下板翅式換熱器的阻力分布特性，發現物流分配的不均勻性會導致流動阻力分布更加不均勻，因此封頭結構和Re不但是影響換熱器物流分配的重要因素，也是影響阻力分布的決定因素。擬合出板翅式換熱器進出口總管的流動阻力與Re的關系式。

　　影響板翅式換熱器物流分配和阻力分布的實驗結果表明，錯排孔板型封頭結構的改善效果最佳。