李 俊，蔣彥龍，王 瑜，李 娟，孟二林

（1.蘇州科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；2.南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院，江蘇 南京210016；3.南京工業(yè)大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，江蘇 南京 210009）

機(jī)載三股流板翅式換熱器性能分析

李 俊1，蔣彥龍2，王 瑜3，李 娟1，孟二林1

（1.蘇州科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；2.南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院，江蘇 南京210016；3.南京工業(yè)大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，江蘇 南京 210009）

基于翅片、隔板和流體的傳熱特性，采用有限容積法建立了包含相變流和交叉式在內(nèi)的多股流板翅式換熱器數(shù)學(xué)模型，分別從流體流動(dòng)方向平均溫度分布、各通道流體出口溫度分布、不同流體通道的翅片溫度分布三方面對(duì)兩種特定結(jié)構(gòu)型式下的機(jī)載三股流板翅式換熱器的傳熱性能進(jìn)行了對(duì)比，通過分析認(rèn)為翅片旁通效應(yīng)和溫度交叉現(xiàn)象的存在導(dǎo)致不同流體單疊排列方式劣于冷熱流體單疊排列方式。

機(jī)載環(huán)境；三股流；板翅式換熱器；通道排列；傳熱分析

多股流板翅式換熱器通過冷熱流體資源整合，具有系統(tǒng)集成度高、便于管理、節(jié)約投資成本、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，在航空領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。相比于兩股流板翅式換熱器，多股流板翅式換熱器由于通道分配和排列不當(dāng)，可能會(huì)出現(xiàn)溫度交叉和熱量內(nèi)耗現(xiàn)象。

對(duì)于多股流板翅式換熱器通道分配與排列問題，最早采用的策略是隔離性通道排列原則，Suessmann[1]針對(duì)隔離性通道排列的不足提出局部熱負(fù)荷平衡型通道排列的設(shè)想，Prasad[2-3]研究了多股流換熱中翅片可能存在的三種溫度分布形式，提出了通道排列優(yōu)化的等壁溫原則。李淑英[4]參考Prasad得到的通道的周期性排布對(duì)應(yīng)隔板壁溫的周期性波動(dòng)結(jié)論，提出準(zhǔn)等壁溫原則。Yuan[5]數(shù)值分析了交叉式三股流換熱器三種不同通道排列方式下縱向?qū)釋?duì)換熱性能的影響。Zhao[6-7]基于局部熱負(fù)荷平衡原則和等壁溫原則，采用GA算法對(duì)多股流板翅式換熱器通道排列做了優(yōu)化設(shè)計(jì)，Peng[8]采用混合粒子群算法在變工況條件下以累積熱負(fù)荷均方差最小為目標(biāo)函數(shù)對(duì)多股流板翅式換熱器的通道排列方式進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

上述研究工作主要針對(duì)空分領(lǐng)域，但是機(jī)載環(huán)境，R134a、防凍液、燃油、沖壓空氣是環(huán)控系統(tǒng)常用工質(zhì)，為了匹配各股流體阻力，換熱器設(shè)計(jì)布局時(shí)，常將沖壓空氣與其余工質(zhì)交叉布置。相比于常規(guī)多股流板翅式換熱器，機(jī)載多股流板翅式換熱器流體間交叉流動(dòng)以及R134a在換熱器通道內(nèi)相變流動(dòng)導(dǎo)致其數(shù)值計(jì)算更加復(fù)雜。筆者針對(duì)機(jī)載多股流板翅式換熱器的特點(diǎn)，建立交叉式多股流板翅式換熱器模型，并從不同角度對(duì)兩種特定結(jié)構(gòu)型式下的機(jī)載三股流換熱器換熱性能進(jìn)行對(duì)比分析。

1 數(shù)值計(jì)算方法

對(duì)于多股流板翅式換熱器（物理模型見圖1），多股流板翅式換熱器任一通道流體溫度變化受多種因素制約，翅片定性尺寸不為定值。為便于數(shù)值計(jì)算，作如下假設(shè)：（1）通道內(nèi)流體沿通道高度方向溫度相等；（2）忽略同一層流體橫向熱質(zhì)交換以及流動(dòng)方向熱傳導(dǎo)；（3）翅片和隔板厚度方向溫度相同，且翅片根部溫度等于隔板溫度；（4）各股流體在通道內(nèi)流量均勻分配；（5）忽略各股流體壓降對(duì)物性參數(shù)的影響；（6）換熱器與外界環(huán)境之間無熱量交換。

基于上述假設(shè)，分別對(duì)流體、隔板以及翅片建立能量守恒方程：

圖1 板翅式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖

上式，λ表示換熱器金屬材質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；F表示流體間的相對(duì)流動(dòng)方向 （F等于1或-1）；G表示質(zhì)量流速，kg/（m2·s）；cp表示流體定壓比熱容，J/（kg·K）；H 表示翅片高度，m；f表示翅片密度，m-1；δ表示翅片厚度，m；δ表示流體溫度，K；T*表示流體相變溫度，K；t表示翅片溫度，K；α 表示對(duì)流表面換熱系數(shù)，W/（m2·K）；h表示相變流體比焓，J/kg；x、l分別表示流體沿流動(dòng)方向、翅片高度方向笛卡爾坐標(biāo)，m；i表示通道編號(hào)。

根據(jù)上述微分方程，將換熱器劃分為如圖1所示的W×L個(gè)子單元換熱器，對(duì)于式（1）中Ti（l）的一階導(dǎo)數(shù)項(xiàng)，通過一階中心差分離散如下：

當(dāng)流體處于相變階段時(shí)，假定相變流體為比熱容無窮大的單相流體，則求解格式可統(tǒng)一為式（2），每當(dāng)子單元換熱器計(jì)算完畢時(shí)，通過程序設(shè)定，將下一行或列的子單元換熱器的相變流體溫度重置為相變溫度，同時(shí)累加相變流體的熱流量直至相變結(jié)束。

對(duì)于流體與隔板、翅片的對(duì)流換熱定性溫度，取子單元換熱器流體進(jìn)出口溫度的算術(shù)平均值，如下：

綜上，將各股流體的入口溫度作為邊界條件，可求得子單元換熱器各股流體的出口溫度，依次循環(huán)，采用逐行或逐列依次掃描的方式進(jìn)行求解，可獲得多股流板翅式換熱器各層流體的溫度場。當(dāng)流體間逆流流動(dòng)時(shí)，可假定溫度初場，用交替方向塊迭代法的思想迭代計(jì)算直至逆流流體溫度場收斂，計(jì)算方法見文獻(xiàn)[9]。

2 機(jī)載案例分析

基于上述數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)于以空氣（A）、65#防凍液（B）、R134a（C）為工質(zhì)的機(jī)載三股流換熱器提出兩種通道排列方式（型式Ⅰ和Ⅱ），換熱器芯體長度為400mm，寬度為130mm，材質(zhì)為LF-21，A流動(dòng)沿寬度方向流動(dòng)，B和C沿長度方向順流流動(dòng)，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。兩種結(jié)構(gòu)型式相比，外形尺寸基本相同，型式ⅠB和C質(zhì)量流速較大，流阻較高，A質(zhì)量流速較小，流阻較低，型式Ⅱ通道數(shù)較多，換熱器重量較大。

2.1 流體溫度分布

兩種結(jié)構(gòu)型式換熱器流體沿流動(dòng)方向平均溫度變化如圖2所示。從圖中冷流體空氣出口溫度可以看出，兩種結(jié)構(gòu)型式下冷熱流體換熱量相同，但是熱流體對(duì)于冷量的分配方式不同。65#防凍液和R134a均為熱流體，通道數(shù)分配相同，但是65#防凍液與R134a在“競爭”冷量的過程中處于劣勢，結(jié)構(gòu)型式Ⅱ中熱流體通道相鄰布置，這種劣勢尤為明顯。

兩種結(jié)構(gòu)型式下每層通道流體出口平均溫度如圖3所示。從圖3可看出，由于換熱器上下封頭絕熱邊界的假設(shè)，因此靠近換熱器上下封頭的各層流體熱負(fù)荷與換熱器中部的熱負(fù)荷存在差異，結(jié)構(gòu)型式Ⅱ的溫度不均勻性較Ⅰ更加嚴(yán)重。

表1 三股流板翅式換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 沿流動(dòng)方向各股流體溫度變化

圖3 各通道流體出口平均溫度

2.2 翅片溫度分布

換熱器各股流體通道之間周期性排列，分別觀察兩種結(jié)構(gòu)型式，三種流體相連中間通道9個(gè)位置（如圖1所示）翅片溫度分布。從圖4可以看出，對(duì)于結(jié)構(gòu)型式Ⅰ，由于冷熱流體通道相鄰布置且A是唯一冷流體，B和C所在通道翅片溫度分布呈對(duì)稱性；由于流體A相鄰?fù)ǖ啦煌?，A所在通道翅片溫度分布不對(duì)稱，且在不同位置翅片絕熱面并不相同；另外，在換熱器中部流體C發(fā)生相變階段，由于B和C溫差較大且B為中間熱流體，因此翅片絕熱面靠近流體B側(cè)且將接近A和B中間隔板位置，若B和C溫差進(jìn)一步擴(kuò)大，將會(huì)出現(xiàn)翅片旁通效應(yīng)。對(duì)于結(jié)構(gòu)型式Ⅱ，A所在通道翅片溫度對(duì)稱分布，B從A獲得了較多冷量，但是B通道與C相鄰且溫度低于C，導(dǎo)致B和C出現(xiàn)熱量內(nèi)耗，另外A通過B所在通道的翅片也會(huì)旁通一部分冷量到C。

圖4 不同位置一個(gè)周期通道內(nèi)翅片溫度分布

綜上所述，從翅片溫度分布也可以看出，由于翅片旁通效應(yīng)和熱量內(nèi)耗現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)型式Ⅱ換熱器通道排列劣于結(jié)構(gòu)型式Ⅰ換熱器。也就是說，在對(duì)多股流換熱器通道排列設(shè)計(jì)時(shí)，多股流冷熱流體間隔布置可有效防止翅片旁通和熱量內(nèi)耗，冷（或熱）流體間的相鄰布局會(huì)降低換熱器的傳熱性能。

3 結(jié)論

（1）建立的交叉式多股流板翅式換熱器模型能夠反映不同通道排列方式下可能出現(xiàn)的翅片旁通效應(yīng)和溫度交叉現(xiàn)象；（2）從流體平均溫度分布、各通道溫度分布以及翅片溫度分布三方面均可看出，冷熱流體單疊周期性排列（型式Ⅰ）較不同流體單疊周期性排列（型式Ⅱ）換熱性能更優(yōu)。由此可知，多股流換熱器通道排列時(shí)應(yīng)遵循冷熱流體間隔布置的原則，同類型的流體相鄰布置的通道排列方式會(huì)導(dǎo)致翅片旁通和熱量內(nèi)耗現(xiàn)象，降低換熱器傳熱性能。

[1]SUESSMANNW,MANSOUR A.Passage arrangement in plate-fin heat exchangers[J].International Congress of Refrigeration,1979（9）：421-429.

[2]PRASAD B.Fin efficiency and themechanisms of heat exchange in multi-stream plate-fin heat exchangers:formulation[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,1996,39（2）：419-428.

[3]PRASAD B.The performance prediction ofmulti-stream plate-fin heat exchangers based on stacking pattern[J].Heat Transfer Engineering,1991,12（4）：58-70.

[4]李淑英，王忠建，張揚(yáng).多股流換熱器的通道分配設(shè)計(jì)方法[J].流體機(jī)械，2011，39（11）：45-49.

[5]YUAN P,KOU H S.The comparison of longitudinalwall conduction effect on the crossflow heat exchangers including three fluid streamswith different arrangements[J].Applied Thermal Engineering,2001（21）：1891-1907.

[6]ZHAOM,LIY Z.New integral-mean temperature differencemodel for thermal design and simulation of parallel three-fluid heat exchanger[J].International Journal of Thermal Sciences,2012,59（9）：203-213.

[7]ZHAOM,LIY Z.An effective layer pattern optimization model formulti-stream plate-fin heat exchanger using genetic algorithm[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2013，60（5）：480-489.

[8]PENG X,LIU Z Y,QIU C,et al.Passage arrangement design formulti-stream plate-fin heat exchanger[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2014,77:1055-1062.

[9]李俊，蔣彥龍，周年勇，等.交叉式多股流板翅式換熱器數(shù)值研究[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2016，31（5）：1087-1096.

Performance investigation of airborne three-stream plate-fin heat exchanger

LIJun1,JIANG Yanlong2,WANG Yu3,LIJuan1,MENG Erlin1
（1.School of Environmental Science and Engineering,SUST,Suzhou 215009,China;2.College of Aerospace Engineering,NUAA,Nanjing 210016,China;3.College of Urban Construction,NTU,Nanjing 210009,China）

Based on the heat transfer characteristics of fin,plate and fluid,the mathematical model of multistream plate-fin heat exchanger including fluid phase change and cross flow between different fluids was established using the finite volumemethod,and the heat transfer performance of airborne three-stream plate-fin heat exchangers in two different structureswere compared bymeans of the temperature distribution of each fluid along the flow direction,the outletmean temperature of the fluid in each channel and the fin temperatures in different positions.From the analysis above,it can be obtained that the passage arrangementmethod using hot and cold fluids in turn is preferred than themethod using different fluids in turn due to the fin bypass effect and the temperature cross phenomenon.

airborne;three-stream;plate-fin heat exchanger;passage arrangement;heat transfer analysis

V241.0

：A

：2096-3270（2017）03-0026-04

（責(zé)任編輯：經(jīng)朝明）

2017-04-02

江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（BK20160354；BK20170382）

李 俊 （1986-），男，山西晉中人，講師，博士，主要從事高效換熱技術(shù)、安全救生的研究，Email：lijun830@126.com。