一种板翅式换热器的双向波纹型导流封头及其构建方法与流程

本发明涉及热交换技术领域，具体地说，涉及一种板翅式换热器的双向波纹型导流封头及其构建方法。

背景技术：

板翅式换热器广泛应用于空气分离、石油化工、天然气液化等工业领域，是实现冷凝、液化、蒸发等热交换的关键装备，具有小温差不稳定传热、二次传热、允许阻力小、多股流物性变化激烈等显著特点，由翅片、隔板、封条、封头和导流片组成，其结构核心为板束，包括多个由翅片、导流片放入两个隔板间再配合封条组成的通道。翅片放置在隔板间，并用封条固定，芯体在真空炉中钎焊，两端焊接封头。随着换热器流量的增加，物流分配的不均匀性会加剧换热器内部温度场分布不均匀，从而导致换热器整体换热效率的下降，引起物流分配不均的重要因素之一是封头结构的设计不合理，尤其是未考虑物流在入口接管中央部分的流速大，越靠近管壁处流速越小的问题，导致物流会主要集中在入口接管的中央部分而引起物流的分配不均。

公布号为cn103017591a的专利文献中公开了一种板翅式换热器的封头，如其附图所示，其包括封头壳体2、与封头壳体2连通的入口接管1及固设于封头壳体2二分之一处的导流板3，在导流板3上设有若干导流孔，导流孔的孔径为入口接管1管径的五分之一，孔间距为导流孔孔径的二分之一。导流板3构成该封头对物流的导流结构，以对流经其的物流进行分配，并通过在导流板3与入口接管1中央部分对应位置处不设置导流孔，以使物流分配更均匀，虽然考虑物流集中在入口接管中央部分的情况，但是该部分导流板后方处物流被阻断了，导致该部分分配也不均匀。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种双向波纹型导流封头，使其对流入板翅式换热器通道层内的物流的分配更符合物流在入口接管内流速的分布情况，使物流分配更均匀；本发明的另一目的是提供了一种构建上述双向波纹型导流封头的方法。

为了实现上述目的，本发明提供的板翅式换热器封头包括封头壳体、与封头壳体连通的入口接管及固设在封头壳体内的导流结构。导流结构包括带孔波纹板及两片倾斜布置成八字型的带孔波纹导流翼板；带孔波纹导流翼板上端与入口接管下端口固接，下端与带孔波纹板相交并固接，两侧边与封头壳体的内壁相交并固接；带孔波纹板的侧边与封头壳体的内壁相交并固接；带孔波纹导流翼板为单对称面结构，位于其对称面两侧的导流孔的孔径、孔间距均逐渐增大；带孔波纹板为双对称面结构，位于与带孔波纹导流翼板的对称面共面的一对称面两侧的导流孔的孔径、孔间距均逐渐增大。

带孔波纹板与带孔波纹导流翼板在导流翼板对称面两侧导流孔的孔径、孔间距逐渐增大，从而使集中在入口接管中央部分的物流部分被分流至两侧物流较少处，从而使经导流板调整后的物流在中央部分与周围部分均有物流且分配更趋于均匀；此外，通过将导流结构设置成包括八字型结构分布的导流翼板与位于下方的导流板，使物流从入口接管进入封头壳体内后，先在入口接管内壁与封头壳体内壁相交处进行一次物流分配，在带孔波纹导流翼板及其上的导流孔处进行二次流体分配，在带孔波纹板及其上的导流孔处进行三次流体分配，经三次分配后流入换热器翅片通道层内的物流均匀性得到有效地提高；同时，由于带孔波纹导流翼板与带孔波纹板均为波纹型曲面结构，使得物流分配更加均匀。

一个具体的方案为带孔波纹导流翼板上位于其对称面的垂直面两侧的导流孔等孔径、等孔距；带孔波纹板上位于其另一对称面两侧的导流孔等孔径、等孔距。设置成等孔距、等间距，可在确保分配均匀性的前提，提高导流板可制造性能。

另一个具体的方案为带孔波纹导流翼板为正弦形波纹板，正弦形波纹板的波谷槽沿封头壳体的长度方向布置；沿入口接管径向指向其轴线的方向，带孔波纹板逐渐朝上凸起。

另一具体的方案为封头壳体包括垂向半椭圆柱面壳及位于垂向半椭圆柱面壳两端且与其对接的1/4椭球面壳。

优选的方案为带孔波纹导流翼板的对称面沿封头壳体长度方向布置且入口接管的轴线位于其上，带孔波纹板另一对称面沿封头壳体的宽度方向布置且入口接管的轴线位于其上。

优选的方案为带孔波纹导流翼板位于其对称面两侧的导流孔的孔径、孔间距均为等差增大，带孔波纹板位于其一对称面两侧的导流孔的孔径、孔间距均为等差增大。

为了实现上述另一目的，本发明提供构上述任一技术方案所描述的双向波纹型导流封头的方法包括：获得双向波纹型板与封头壳体内壁相交处的初始点，双向波纹型板为带孔波纹板或带孔波纹导流翼板；使用移动最小二乘算法，构建系数向量、基函数及紧支节点，在离散点附近子域内定义权函数向量，拟合得到双向波纹型曲面；将拟合得到的双向波纹型曲面有理化，表达为裁剪的基曲面、裁剪曲面外环和裁剪曲面内环；对基曲面的控制顶点做线性回归得到基准线，改变控制顶点到基准线的距离，控制双向波纹型曲面的形状与波纹度，获取双向波纹型板的导流面。

通过上述各步骤的配合，从而在构建双向波纹型板的过程中对其形状与波纹度进行控制，以优化出更好物流分配效果。

具体的方案为：

步骤1，根据设计中双向波纹型板与封头壳体的相对位置关系，在封头边界上均匀选取若干初始点，在封头壳体的底部中心偏上位置选取一关键点，以控制曲面上凸；

步骤2，对选取的初始点划分网格，根据网格点位置形成uv方向的数据点列{vi,j,＝0,1,…,m,j＝0,1,…,n}；

步骤3，根据步骤2形成的数据点列构造出逼近待插值数据点的双向波纹型曲面；

步骤4，根据步骤3所获得的双向波纹型曲面，选取其关键点并与步骤(1)中的点集共同组成点云{(xi,yi),i＝1,2,…,n}；

步骤5，对选取的点云{(xi,yi),i＝1,2,…,n}划分网格；

步骤6，使用移动最小二乘法对每个网格点(xi,yi)进行校正调整，连接经校正调整后的网格点以拟合成双向波纹型曲面；

步骤7，将拟合得到的双向波纹型曲面有理化，表达为裁剪的基曲面、裁剪曲面外环和裁剪曲面内环；

步骤8，利用梯度下降法作多项式拟合得到控制网格的基准线方程c(x,y)＝0，将控制点到基准线的距离扩大或缩小，控制双向波纹型曲面的波纹度和波峰，获取双向波纹型板的导流面。

附图说明

图1是本发明双向波纹型导流封头实施例的立体示意图；

图2是本发明双向波纹型导流封头实施例的结构示意图；

图3是本发明双向波纹型导流封头实施例中带孔波纹导流翼板的主视示意图；

图4是图3所示带孔波纹导流翼板的右侧端面结构示意图；

图5是本发明双向波纹型导流封头实施例中带孔波纹板的主视示意图；

图6是本发明双向波纹型导流封头实施例中带孔波纹板的俯视示意图；

图7是构建本发明双向波纹导流封头实施例中带孔波纹导流翼板的双向波纹型曲面经有理化处理后得到的基曲面及其控制顶点示意图；

图8是构建本发明双向波纹型导流封头实施例中带孔波纹导流翼板的双向波纹型曲面经有理化处理后得到裁剪曲面外环图；

图9是本发明双向波纹型导流封头实施例对比例的流场分布仿真结果图；

图10是本发明双向波纹型导流封头实施例的流场分布仿真结果图。

具体实施方式

以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

实施例

参见图1至图6，双向波纹型导流封头包括封头壳体、与封头壳体连通的入口接管1及固设于封头壳体内的导流结构，入口接管1为圆柱壳结构。

封头壳体由垂向半椭圆柱面壳2及位于垂向半椭圆柱面壳2两端且与其对接的1/4椭球面壳3构成，垂向半椭圆柱面壳2的总体尺寸大小取决于流经板翅换热器内翅片的层数；导流结构由封头壳体、两片带孔波纹导流翼板4及带孔波纹板5经钎焊而成。

两个带孔波纹导流翼板4呈倾斜对称地布置于垂向半椭圆柱面壳2内，两个带孔波纹导流翼板4顶部与入口接管1底部焊接，带孔波纹导流翼4的侧面与垂向半椭圆柱面壳2内壁相贯，即相交；带孔波纹导流翼板4底部与带孔波纹板5相贯，即相交；带孔波纹导流翼板4为单对称面结构，该对称面为本实施例中的第二对称面，第二对称面沿封头壳体长度方向布置且入口接管1的轴线位于其上，带孔波纹导流翼板4上导流孔孔径、孔间距由该单对称面向两侧逐渐增大，即如图3所示，d1、d2、d3、d4及d5逐渐增加，c1、c2、c3、c4也是逐渐增加；沿封头壳体的长度方向，孔间距d、孔径相等。

带孔波纹板5为双对称面结构，即其关于第二对称面对称布置，又关于第一对称面对称布置，第一对称面为沿封头壳体的宽度方向布置且入口接管1的轴线位于其上，且位第二称面的两侧孔径、孔间距向两侧逐渐增大，如图6所示，即c1、c2、c3、c4逐渐增大，带孔波纹板5位于第二称面两侧的导流孔等孔径、等孔距d布置。

参见图1，封头壳体的构建过程为：以封头壳体底面中心为原点o，入口接管1的轴线为z轴建立直角坐标系，x轴沿封头壳体的长度方向布置，y轴沿封头壳体的宽度方向布置，即xoz面位于第二对称面上，yoz面位于第一对称面上。在该xyz坐标系中建立入口接管1、垂向半椭圆柱面壳2和1/4椭球面3的几何方程：

步骤1，根据板翅式换热器的翅片高度、隔板厚度及封头流经的翅片层数，确定所需包围的最小矩形尺寸xmin×ymin；在本实施例中，xmin＝416毫米，xmin＝114.4毫米。

步骤2，确定封头壳体厚度为t，圆柱形入口接管外侧面圆半径为r，满足2r＜min{xmin，ymin+2t}，在本实施例中r＝47毫米，t＝2.8毫米，构建圆柱壳形入口接管1外侧面方程：

x²+y²＝r²(0≤z≤h)。

步骤3，记垂向半椭圆柱面壳2的长轴b轴与短轴c轴，令l＝xmin，构建半椭圆柱面方程：

步骤4，根据半椭圆柱面壳2在中部与圆柱形入口接管1相贯，即相交，在左右两端部分别与两个1/4椭球面壳3相邻接，构建左端椭球面的方程为：

步骤5，构建右端椭球面的方程为：

步骤6，内接矩形在xoy平面第一象限的顶点坐标为(xmin/2，ymin/2)，构建拉格朗日函数l(x，y，λ)＝xy/4+λ((x-l/2)∧2/a∧2+y∧2/b∧2-1)；

步骤7，令拉格朗日函数的偏导l′x＝0且l′y＝0，获得l＝416毫米，a＝80毫米，b＝60毫米，c＝75毫米；

参见图3及图4，带孔波纹导流翼板4的构建步骤为：

步骤1，两带孔波纹导流翼板4顶部与入口接管1底部焊接，确定u向边界条件；

步骤2，两带孔波纹导流翼板4底部与带孔波纹板5相贯，确定v向边界条件；

步骤3，根据波纹度，构建顶点，拓扑矩形阵列形成一个控制网格；

步骤4，确定k和l均取3(即双向三次)及u向和v向的节点矢量u＝[u0，u1，…，um+k+1]与v＝[v0，v1，…，vn+l+1]，其中，u0≤u1≤≤um+k+1，v0≤v1≤≤vm+k+1；

步骤5，令四角顶点处用正权因子即ω0，0、ωm，0、ω0，n、ωm，n＞0，其余ωi，j≥0且顺序(m+1)×(n+1)个权因子不同时为零；

步骤6，构建u向k次和v向l次的规范b样条基ni，k(u)(i＝0，1，...，m)和nj，l(u）(j＝0，1，...，n)；

步骤7，构建双变量有理基函数(c²连续)

步骤8，令第t次迭代后生成的曲面为

步骤9，为进行第t+1次迭代，首先计算差向量

步骤10，将差向量加到曲面p^t(u，v)的相应控制顶点上，即

步骤11，生成第t+1次逼近曲面

步骤12，迭代得到满足条件的点集由这些点集为控制顶点生成逼近曲面序列{p^k(u，v)}，k＝0，1，2，....；

步骤13，每个带孔波纹导流翼板4为单对称面结构，该对称面的两侧孔径逐渐增大，该对称面的垂直面两侧等孔径、等孔距布置；

r1，r2，r3，r4，r5表示导流孔沿横向依次递增的孔径，相邻孔间的孔径差相等；c1，c2，c3，c4表示导流孔沿横向依次递增的孔间距，相邻孔间的孔间距差相等，即导流孔的孔径和孔间距沿横向分别构成一组等差数列，公差分别为dr和dl。导流孔横向间距相等，孔距为d；

对于每一个导流孔：

(1)计算其圆心是否在带孔波纹板5边界曲线封闭区域内，若是则进入下一步，否则判断下一个导流孔；

(2)计算其圆心与带孔波纹板5边界曲线的最小距离；

(3)判断步骤(2)计算得到的最小距离是否小于导流孔半径：若是则进入下一步，否则判断下一个导流孔；

(4)将导流孔径按照前述公差dr减小一个等级，回到步骤(3)；

步骤14，确定导流翼厚度t＝2.8毫米，获得带孔波纹导流翼板；

步骤15，将带孔波纹导流翼板的导流面转化为裁剪的nurbs曲面，在本实施例中，nubrs基曲面为2×4次，控制网格包含2×237个点，裁剪曲面的外环(即曲面边界)由56段nurbs曲线首尾相接构成，裁剪曲面内环(即曲面内部)由53个圆孔组成。利用梯度下降法作多项式拟合得到控制网格的基准线方程c(x,y)＝0，即对基曲面的控制顶点作多项式拟合得到基准线，将控制点到基准线的距离扩大或缩小以改变控制顶点到基准线的距离，控制波纹曲面的形状，获得不同波纹度的带孔波纹导流翼板的导流面。

图7为本发明带孔波纹导流翼板在局部坐标系xyz中的波纹型基曲面及其控制顶点图，基曲面为2×4次，即uv两个方向均为4次，y方向的最大值点为(72.5617,-72.5618,-18.7598)，最小值点为(-18.7598,406.6765,406.6765)，z方向最高点为(72.5617,-72.5618,-189.8806)，最低点为(-189.8806,365.5223,365.5223)。y方向的最大值点为(72.5617,-72.5618,-21.1726)，最小值点为(-21.1726,407.0719,407.0719)，z方向的最高点为(72.5617,-72.5618,-187.8744)，最低点为(-187.8744,365.1841,365.1841)。波纹板基曲面的控制网格由2×237个点组成，分别位于x＝72.5617和x＝-72.5618平面上，共有控制顶点474个，所有控制点的总长度为68643.9586，共473段，最小间距为145.1235，为第1段，最大间距为145.1299，为第114段，平均间距为145.1246，相邻间距无偏方差为0.0014；利用梯度下降法作多项式拟合得到控制网格的轴线方程为z＝0.2416y+411.3738。以该轴线为基准，将控制点到轴线的距离扩大或缩小，就可以在不改变波纹数量的情况下，改变波纹曲面的波纹形状。即，基曲面在参数域uv两个方向都具有波纹度。

图8是本发明带孔波纹导流翼板在局部坐标系xyz中的裁剪曲面外环图，裁剪曲面的外环由56段样条曲线首尾相接组成。映射到基曲面前，第1段样条曲线点为：(0.7618,0.7705,0.0000)，(0.7637,0.7583,0.0000)，(0.7693,0.7487,0.0000)，(0.7783,0.7420,0.0000)，(0.7894,0.7383,0.0000)，(0.8027,0.7375,0.0000)，(0.8151,0.7395,0.0000)，(0.8253,0.7445,0.0000)，(0.8330,0.7525,0.0000)，(0.8370,0.7632,0.0000)，(0.8373,0.7757,0.0000)，(0.8339,0.7859,0.0000)，(0.8269,0.7937,0.0000)，(0.8170,0.7989,0.0000)，(0.8048,0.8014,0.0000)，(0.7915,0.8011,0.0000)，(0.7800,0.7980,0.0000)，(0.7706,0.7921,0.0000)，(0.7645,0.7838,0.0000)，(0.7619,0.7732,0.0000)。第56段样条曲线点为：(0.7048,0.7495,0.0000)，(0.7104,0.7506,0.0000)，(0.7156,0.7517,0.0000)，(0.7206,0.7528,0.0000)，(0.7253,0.7539,0.0000)，(0.7297,0.7549,0.0000)，(0.7338,0.7560,0.0000)，(0.7376,0.7571,0.0000)，(0.7412,0.7582,0.0000)，(0.7445,0.7593,0.0000)，(0.7475,0.7604,0.0000)，(0.7502,0.7616,0.0000)，(0.7526,0.7627,0.0000)，(0.7548,0.7638,0.0000)，(0.7567,0.7649,0.0000)，(0.7583,0.7660,0.0000)，(0.7596,0.7672,0.0000)，(0.7606,0.7683,0.0000)，(0.7614,0.7694,0.0000)，(0.7618,0.7705,0.0000)。即，首尾段样条曲线的点形成了封闭的裁剪外环。

步骤15，根据流场计算结果进行结构迭代优化。

参见图5及图6，带孔波纹板3的构建步骤如下：

步骤1，联立流体入口圆柱形接管、垂向半椭圆柱面和两侧1/4椭球面方程，令z＝0得到带孔波纹板结构的边界条件；

其他具体构建步骤与上述带孔波纹导流翼板的相似，在此不再赘述。

在确定双向波纹型导流封头的基本结构后，进行流场分布模拟及优化，获得导流孔的数据为：(1)如图3及图4所示，导流孔的孔径d1＝5毫米，d2＝7毫米，d3＝9毫米，d4＝11毫米，d5＝13毫米，导流孔孔间距c1＝12毫米，c2＝14.5毫米，c3＝17毫米，c4＝19.5毫米，d＝18毫米，带孔波纹导流翼板4的横向波波纹距为10.286毫米；(2)如图5及图6所示，导流孔的孔径、孔间距与带孔波纹导流翼板的相同。

图9所示为本发明的改进前的封头导流结构流场矢量图，即，未采用带孔波纹导流翼板4与带孔波纹板5，流速入口为圆柱形入口接管1，出口为带孔板，入口流速为3m/s，使用压力出口边界，重力加速度为9.8m/s^2，封头内部流域最大流速为37.54m/s，流速方差为8.92m/s，流场矢量图表明，中心射流区对封头的冲蚀严重，流量分布极为不均。

图10所示为本发明的提出的双向波纹型导流封头的流场矢量图，对双向波纹型导流翼的流速性能仿真，xoz全剖主视图，流速入口为圆柱形入口接管，出口为带孔波纹板，入口流速为3m/s，使用压力出口边界，重力加速度为9.8m/s^2。封头内部流域最大流速为29.30m/s，与改进前相比降低了21.95％，流速方差为5.79m/s，与改进前相比降低了35.09％。不同截面位置靠近侧边的速度分布与中心速度相差变小，说明导流翼上流通面积从中间向两侧逐渐增大与底部均匀圆孔出口的布置，既可以解决长通道物流分配不均的问题，还可以减小单一出口局部扰流引起的压力损失，能够使封头流域内各出口的物流分配更加均匀。

可以看出，经改进后的可以使得导流孔紧凑的布置于导流翼和出口孔板表面，使导流翼和出口孔板表面利用率实现最大化，提升换热器的总传热系数。