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。

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。

第 57 卷第 1 期2020 年 2 月化　工　设　备　与　管　道PROCESS EQUIPMENT & PIPINGV ol. 57　No. 1Feb. 2020板式换热器框架的有限元分析及应变试验研究薛子萱（天津百利机械装备集团有限公司中央研究院，天津 300350）摘 要：为了研究板式换热器固定压紧板、活动压紧板应力规律和夹紧螺柱载荷大小，在ANSYS 软件中建立板式换热器框架有限元模型，分别得到框架在单侧液压试验工况的分析结果。

实施了框架的应变实验，直接测出了固定压紧板和活动压紧板的应变数据，间接测出了夹紧螺柱的载荷数据，对比分析了有限元分析结果和应变试验结果，分析和试验研究表明：固定压紧板和活动压紧板的最大应力位于板的中心位置，应力幅值从板中心向四周逐渐减小，主应力方向与水平方向基本一致；夹紧螺柱的最大载荷位于中间螺柱。

研究结论对板式换热器框架的设计和优化提供一定参考价值。

关键词：板式换热器；有限元分析；应变实验；ANSYS中图分类号：TQ 050.2；TH 123 文献标识码：A 文章编号：1009-3281（2020）01-0041-006收稿日期：2019-07-19作者简介： 薛子萱（1987—），男，高级工程师。

从事机械设备的设计、仿真与验证工作。

板式换热器作为一种传热效率高、安装简单的换热设备，广泛应用于石油化工、冶金环保、轻工食品等行业，板片和垫片安装在固定压紧板和活动压紧板之间，通过夹紧螺柱夹紧，板片和垫片按照一定数量排列组合后，形成不同的换热面积。

某板式换热器框架的结构示意如图1所示，由固定压紧板、活动压紧板、上导杆、下导杆、支柱等零件组成。

NB/T 47004—2009《板式热交换器》规定了夹紧螺柱的载荷、面积及最小直径的计算公式，指出了“压紧板的刚度计算至今没有成熟可采纳的计算公式”现状 [1]。

标准中关于夹紧螺柱的理论计算，以所有螺柱均匀受力的假设为前提，但是数值模拟 [2]和试验验证 [3]等案例证明，板式换热器的夹紧螺柱受力存在明显的不均匀性，因此，经验公式计算结果存在一定误差。

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。