油气装备中板式换热器的结构优化与传热性能分析

马 英，郭秋雨，刘 明

（山东豪迈机械制造有限公司，山东 滩坊 261500）

摘  要：对油气装备中板式换热器的结构优化与传热性能进行了数值研究，建立三维仿真模型并开展响应面法多目标优化。通过分析波纹角度、波高及板片间距等关键参数对换热性能与流动阻力的影响，构建综合性能评价函数，确定最优参数组合为波纹角度45°、波高3.2mm、间距3.0mm。仿真结果表明，优化结构在提升努塞尔数的同时，有效控制了摩擦因子，传热效率提高11%、能耗降低10%。在不同工况及多种换热介质下，板式换热器均表现出良好的流热稳定性与适应能力，验证了优化设计在工程应用中的可行性与通用性。

关键词：板式换热器；结构优化；数值模拟；响应面法

板式换热器以其高效传热与结构紧凑特性，广泛应用于油气装备的流体热交换系统中。但其运行性能常受波纹结构与流体物性变化影响，面临传热能力不足与压降增大的双重挑战。提升其结构参数适配性与工况响应能力，是提升系统效率与稳定性的关键。本文基于数值模拟方法与响应面设计，深人分析波纹角度、波高与板片间距对换热-阻力特性的影响，构建多目标优化模型，开展多介质、多流量适应性评估，旨在探索具备广泛适配性的板式换热器结构设计方法。

1 数值模拟方法与模型验证

1.1 物理模型与计算设置

构建板式换热器典型通道单元的三维模型，设定对数温差20K、进出口压差50kPa，通道宽300mm，有效换热长度1.2m，高度2.5~5.0mm。板片为斜波纹结构,波纹角α取30°、45°、60°,波高h为2.8~4.2mm。工质为水（壳程）与10cSt润滑油（管程），初始温度分别为343K与293K。采用Fluent2022R1软件，选用SSTk-∞湍流模型与SIMPLE算法，方程离散格式为二阶上风。边界条件设速度人口、压力出口，水侧流速0.6m/s，油侧0.3m/s，壁面无滑移且绝热。模型在IntelXeonSilver4310平台计算，残差收敛精度优于1x10^-3。

……