封头结构的控制方法

技术领域

本发明涉及换热器技术领域，具体而言，涉及一种封头结构的控制方法。

背景技术

与传统壳管式换热器相比，板翅式换热器结构紧凑、换热效率高、成本低，它由隔板、封条、翅片、封头等主要部件组成，冷热流体流过隔板两侧的翅片进行热交换，在动力机械、冶金化工、航空航天等工程领域广泛利用。

相关技术在设计板翅式换热器的过程中，绝大多数均使流体在换热器内部均匀分布流动，因此换热效果优良。然而在实际工程应用中，流体在进入换热器内部换热之前，首先通过管路进入封头再分流进入各个流道，在此过程中封头进气口位置不同、流域突变、工况变化、制作工艺等都将导致各通道流体分布不均，使换热效果减小20％～30％。

使换热器中各流道流体分布均匀是提高换热器效率的直接有效途径，此途径也备受国内外学者专家的关注。大量实验与理论研究表明，错流板翅式换热器中造成各流道流体分布不均的主要原因是，管路进入封头后的突扩过程和换热器各流道之间的封条阻挡。当流体通过管路正对各分流道进入封头时，流量分布为管口正前方向多而四周少；当流体通过管路从侧方向进入封头后再进入各流道时，流量分布为管口入口处少；上述情况的换热效率会随着换热单元数的增加而继续减小。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种封头结构的控制方法，能够解决板翅式换热器在使用的过程中存在各流道中流量分布不均匀，导致温度场不均匀，换热效率低下的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一方面，提供了一种封头结构，包括：

封头入口管，封头入口管内设置有扰流结构；

封头壳体，封头入口管设置在封头壳体的入口处；

导流片，设置于封头壳体内，一端延伸至封头壳体的入口处，导流片的导流角度可调。

进一步地，扰流结构包括扰流扇叶，扰流扇叶能够转动地设置在封头入口管处。

进一步地，导流片通过旋转轴转动设置在封头壳体内，旋转轴位于导流片的中部。

进一步地，封头结构还包括驱动机构，驱动机构与旋转轴驱动连接，调节导流片的导流角度。

进一步地，驱动机构通过磁力传动机构与旋转轴驱动连接，磁力传动机构包括位于封头壳体内部的壳内部分，以及位于封头壳体外部的壳外部分，壳内部分和壳外部分通过封头壳体间隔，驱动机构与壳外部分驱动连接，壳内部分与旋转轴连接。

进一步地，驱动机构包括电动马达、第一齿轮和第二齿轮，第一齿轮设置在电动马达的输出端，第二齿轮与壳外部分固定连接，第一齿轮和第二齿轮啮合传动。

进一步地，第一齿轮为端面齿轮，第二齿轮为直齿轮，第一齿轮的中心轴线与第二齿轮的中心轴线垂直。

进一步地，旋转轴上设置有制动装置，制动装置在驱动机构停止时对旋转轴进行制动。

进一步地，导流片为矩形板。

根据本发明的另一方面，提供了一种板翅式换热器，包括封头结构，该封头结构为上述的封头结构。

根据本发明的另一方面，提供了一种上述的封头结构的控制方法，包括：

获取换热流道处质量流量的偏差；

将偏差与标准差值进行比较；

当偏差大于标准差值时，判断分流不均匀，根据偏差调节导流片的角度。

进一步地，获取换热流道处质量流量的偏差的步骤包括：

获取各换热流道的质量流量x

根据算术平均值计算换热流道处质量流量的偏差

进一步地，根据偏差调节导流片的角度的步骤包括：

根据偏差确定需要调节的导流片的端头的间隔面积；

根据确定的各个导流片的端头的间隔面积确定每个间隔面的宽度；

对各个导流片进行调节，使得各个导流片的端头的宽度与相应的间隔面的宽度匹配。

进一步地，每个间隔面的宽度通过如下公式获得：

L

其中L

进一步地，当偏差大于标准差值时，判断分流不均匀，根据偏差调节导流片的角度的步骤包括：

确定需要调整的导流片；

根据偏差确定需要调整的导流片的调整角度和调整方向；

根据确定的调整角度和调整方向对相应的导流片进行调整。

进一步地，确定需要调整的导流片的步骤包括：

根据质量守恒确定各个换热流道在出口端的质量流量；

确定各个换热流道在出口端的质量流量偏差；

当质量流量偏差大于标准偏差时，对该换热流道两侧的至少一个导流片的角度进行调节。

进一步地，当质量流量偏差大于标准偏差时，对该换热流道两侧的至少一个导流片的角度进行调节的步骤包括：

当质量流量偏差与标准偏差之间的差值小于或等于预设值时，对该换热流道两侧的其中一个导流片的角度进行调节。

进一步地，当质量流量偏差大于标准偏差时，对该换热流道两侧的至少一个导流片的角度进行调节的步骤包括：

当质量流量偏差与标准偏差之间的差值大于预设值时，对该换热流道两侧的两个导流片的角度同时进行调节。

进一步地，当质量流量偏差与标准偏差之间的差值小于或等于预设值时，对该换热流道两侧的其中一个导流片的角度进行调节的步骤包括：

获取与该换热流道的相邻两个换热流道内的物流的质量流量偏差与标准偏差之间的差值；

确定相邻两个换热流道内的物流的质量流量偏差与标准偏差之间的差值较大者；

调节相邻两个换热流道中差值较大的换热流道与该换热流道之间的导流片的角度。

进一步地，调节相邻两个换热流道中差值较大的换热流道与该换热流道之间的导流片的角度的步骤包括：

判断导流片调节过程中，相邻两个换热流道中差值较大的换热流道的偏差是否朝向减小的趋势；

如果朝向减小的趋势变化，则对导流片进行调节；

如果朝向增大的趋势变化，则调节相邻两个换热流道中差值较小的换热流道与该换热流道之间的导流片的角度。

应用本发明的技术方案，封头结构的控制方法包括：获取换热流道处质量流量的偏差；将偏差与标准差值进行比较；当偏差大于标准差值时，判断分流不均匀，根据偏差调节导流片的角度。该封头结构在封头入口管处设置扰流结构，并且使得导流片的导流角度可调，可以利用扰流结构对从封头入口管进入到封头壳体内的流体进行扰流，使得物流在流经封头入口管时会发生旋流，从而使得流体混合更加均匀，解决因管路横截面上流体分布不均带来的影响，导流片的导流角度可调，能够适应于不同大小物流下导流片的夹角变化，使得物流可以更加均匀的分布至各换热通道，两者相配合，既保证了物流的均匀分配，又能够使得气流均匀分配，从而形成更加均匀的散热效果。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明的实施例的封头结构的内部结构示意图；

图2示出了本发明的实施例的封头结构的局部剖视结构示意图；

图3示出了本发明的实施例的封头结构的磁力传动机构的立体结构示意图；

图4示出了本发明的实施例的封头结构的齿轮传动机构的立体结构示意图；

图5示出了本发明的实施例的封头结构的制动装置的立体结构示意图；以及

图6示出了本发明的实施例的封头结构的控制方法流程图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、封头入口管；2、扰流结构；3、导流片；4、旋转轴；5、磁力传动机构；6、第一齿轮；7、第二齿轮；8、电动马达；9、制动装置；10、封头壳体。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

结合参见图1至图5所示，根据本发明的实施例，封头结构包括：

封头入口管1，封头入口管1内设置有扰流结构2；

封头壳体10，封头入口管1设置在封头壳体10的入口处；

导流片3，设置于封头壳体10内，一端延伸至封头壳体10的入口处，导流片3的导流角度可调。

该封头结构在封头入口管1处设置扰流结构2，并且使得导流片3的导流角度可调，可以利用扰流结构2对从封头入口管1进入到封头壳体10内的流体进行扰流，使得物流在流经封头入口管1时会发生旋流，从而使得流体混合更加均匀，解决因管路横截面上流体分布不均带来的影响，导流片3的导流角度可调，能够适应于不同大小物流下导流片3的夹角变化，使得物流可以更加均匀的分布至各换热通道，两者相配合，既保证了物流的均匀分配，又能够使得气流均匀分配，从而形成更加均匀的散热效果。

封头入口管1是物流进入封头结构内部的物流通道，封头入口管1内物流的均匀分布程度决定着进入封头结构内部各导流片3之间分配的物流状态是否是混合均匀的。因此，在封头入口管1内部安装了扰流扇叶，扰流扇叶在这里起混合物流的作用，封头入口管1内部内的物流被扰动均匀后进入封头结构内部，导流片3在逻辑控制下调整到最佳偏转角度，上述扰动均匀的物流此时在封头结构内部的导流片3作用下被均匀分流到各个换热通道。

在一个实施例中，扰流结构2包括扰流扇叶，扰流扇叶能够转动地设置在封头入口管1处。

在本实施例中，在封头入口管1处设置有支架，支架可以为十字形结构，且固定连接在封头入口管1的内壁上，支架的横截面可以为圆形、菱形、椭圆形或者矩形等，横截面面积在能够保证对扰流扇叶的支撑强度的情况下越小越好，尽量减小经封头入口管1进入到封头结构内的流体的流动阻力。

扰流扇叶可以直接转动设置在支架上，也可以通过轴承转动设置在支架上。

在一个实施例中，扰流扇叶也可以固定设置在封头入口管1处，扰流扇叶具有导流曲面，当流体流经扰流扇叶时，在导流曲面的导向作用下，能够被扰动均匀后进入到封头结构内部。

在一个实施例中，导流片3通过旋转轴4转动设置在封头壳体10内，旋转轴4位于导流片3的中部。将旋转轴4设置在导流片3的中部，可以使得导流片3在旋转轴4两侧的质量基本保持平衡，降低导流片3在转动过程中受到的重力影响和转动惯性影响，降低导流片3调节过程中的额外做功，使得导流片3的调节更加简单方便。

导流片3通过旋转轴4与封头壳体10的对立壁面连接，且该旋转轴4可以带动导流片3任意转动，以适应于不同大小物流下导流片3的夹角变化，使物流可以均匀的分布至各换热流通道。

在一个实施例中，封头结构还包括驱动机构，驱动机构与旋转轴4驱动连接，调节导流片3的导流角度。驱动机构能够通过旋转轴4驱动导流片3转动，进而调节导流片3的端头在封头入口管1的出口处的位置，实现对流体流量分配的调节，使得进入到各个换热通道的流体分配更加均匀。

在一个实施例中，驱动机构通过磁力传动机构5与旋转轴4驱动连接，磁力传动机构5包括位于封头壳体10内部的壳内部分，以及位于封头壳体10外部的壳外部分，壳内部分和壳外部分通过封头壳体10间隔，驱动机构与壳外部分驱动连接，壳内部分与旋转轴4连接。

在本实施例中，磁力传动机构为磁性联轴器，它由内外两个磁体组成，其中内磁体为位于封头壳体10内部的壳内部分，外磁体为位于封头壳体10外部的壳外部分，内磁体和外磁体之间由隔离罩将两个磁体分开，内磁体与被传动件也即旋转轴4相连，外磁体与动力件也即驱动机构相连，实现主动轴与从动轴两者之间不通过直接接触便能进行力与力矩的传递，实现零泄漏。因此，本实施例在有磁性联轴器的位置，封头壳体10充当了隔离罩。

本实施例中磁力传动机构起着间接传输动力的作用，在保证传输动力与封头气密性的情况下，可以使用通过密封轴承等其它具有相同功能的装置或机械结构传输动力实现代替。

在一个实施例中，驱动机构包括电动马达8、第一齿轮6和第二齿轮7，第一齿轮6设置在电动马达8的输出端，第二齿轮7与壳外部分固定连接，第一齿轮6和第二齿轮7啮合传动。在本实施例中，第一齿轮6和第二齿轮7的转轴中心轴线相互垂直，可以实现力的传递方向的调整，使得竖直方向的传动被转换为水平方向的传动，既方便进行电动马达8的安装固定，又方便进行旋转轴4以及导流片3的动力传输。

电动马达8的转动角度靠齿轮啮合机构传至磁力传动机构5，最后到达导流片3，第一齿轮6与第二齿轮7的齿数根据需要可自由选择。

本实施例中带动导流片3转动的动力源为电动马达8，在保证导流片3能顺、逆时针绕旋转轴4转动的情况下，可以使用液压加连杆组合的机构等其它相关动力源来代替。

在一个实施例中，第一齿轮6为端面齿轮，第二齿轮7为直齿轮，两者直接啮合，进行力的传递。

在一个实施例中，第一齿轮6和第二齿轮7为锥齿轮，两者直接啮合进行传动。

本实施例中齿轮啮合机构起着变速、转变动力传动方向的作用，在保证动力传动、变速或不变速的基础上可以使用齿轮变速箱、钢带变速箱、钢链变速箱、皮带轮、齿轮条等一些装置或机械结构代替。

在一个实施例中，旋转轴4上设置有制动装置9，制动装置9在驱动机构停止时对旋转轴4进行制动。

制动装置9受控于逻辑控制器，当导流片3不转动时，逻辑控制器发出制动命令，此时，该制动装置9起着稳定导流片3的作用，保证导流片3不因抖动、自身惯性、外部环境变化(比如板翅式换热器空间位置方向发生不规则的变化)、或因重力方向改变发生角度变化导致物流分布不均匀。

本实施例中制动装置9起着固定导流片3不因外因而发生角度错误偏转的情况，在保证固定导流片3的作用下，该制动装置9可以用卡槽，限位点等一些同等作用的装置或机械结构代替。

在一个实施中，导流片3为矩形板，起着导流的作用，在保证能正常导流的情况下，可以根据封头的截面形状来选择导流片3的形状，如用圆形、椭圆形、凸形、凹形等形状的导流片代替。

封头结构的具体运行情况如下：当物流通过封头入口管1进入封头结构内部之前，会通过扰流扇叶，扰流扇叶会因物流的流动带动旋转，此过程旋转扰流扇叶会扰动物流，使进入封头结构的物流在入口段的横截面分布均匀，物流进入封头壳体10时会被导流片3均匀分配至各换热通道。此时，各换热流道形成均匀的物流分布，当物流通过封头入口管1内的物流度发生变化时，逻辑控制器发出导流片3的偏转指令，直至使各流道物流分布均匀。

根据本发明的实施例，板翅式换热器包括封头结构，该封头结构为上述的封头结构。

根据本发明的实施例，上述的封头结构的控制方法包括：

获取换热流道处质量流量的偏差；

将偏差与标准差值进行比较；

当偏差大于标准差值时，判断分流不均匀，根据偏差调节导流片3的角度。

导流片3中各个导流片所需的转动角度θ

在一个实施例中，获取换热流道处质量流量的偏差的步骤包括：

获取各换热流道的质量流量x

根据算术平均值计算换热流道处质量流量的偏差

封头分流后，各流道的质量流量x

在一个实施例中，根据偏差调节导流片3的角度的步骤包括：

根据偏差确定需要调节的导流片3的端头的间隔面积；

根据确定的各个导流片3的端头的间隔面积确定每个间隔面的宽度；

对各个导流片3进行调节，使得各个导流片3的端头的宽度与相应的间隔面的宽度匹配。

每个间隔面的宽度通过如下公式获得：

L

其中导流片3端头之间的间隔面积A

各导流片3与竖直面之间存在原始夹角α，对物流有分流作用，如果物流不参与换热，物流通道前后压降变化小，其物性参数不变，因此只要物流在封头入口管1内未分流之前均匀分布，再经过原始夹角为α的导流片3就能实现均匀分流至各换热流道。但对于有换热的换热流道则不一样，换热过后物流物性参数如，粘度、密度变化明显。另外，在分流过程中，对于物流通道结构参数相等的换热器，中间物流通道流速快，两侧通道内物流的速度缓慢，因此各流道的换热情况不也一样，一般为流速大的中间流道换热能力强，两侧流道换热能力弱。为了使物流满足换热后的设计温度要求，物流分配不只是简单的均匀分配至各换热通道，还要保证各换热流道内的物流在换热以后均能达到设计工况的标准，因此需要对换热能力强的通道多分配物流，换热能力较弱的通道少分配物流，这就能避免出现各换热流道出口的物流其物性参数不一致的问题，即低于或高于设计工况；同时提高换热器的换热能力。

在一个实施例中，当偏差大于标准差值时，判断分流不均匀，根据偏差调节导流片3的角度的步骤包括：

确定需要调整的导流片3；

根据偏差确定需要调整的导流片3的调整角度和调整方向；

根据确定的调整角度和调整方向对相应的导流片3进行调整。

在本实施例中，当判断某一个换热流道内的物流的质量偏差在偏差范围内之外时，需要确定是哪一个换热流道的质量流量偏差过大，并且随后需要判断该换热流道两侧的导流片3中的哪一个需要被调节，以及调节的方向和方式，一方面可以保证导流片3的选取更加精准，另一方面也可以保证调节的效率更高，对封头结构的其他换热流道的影响更小。

根据质量守恒，从导流片3的流道入口至各换热流道出口有

当控制器接收到传感器传导过来的物性信号，会根据设计工况利用公式

在一个实施例中，确定需要调整的导流片3的步骤包括：

根据质量守恒确定各个换热流道在出口端的质量流量；

确定各个换热流道在出口端的质量流量偏差；

当质量流量偏差大于标准偏差时，对该换热流道两侧的至少一个导流片3的角度进行调节。

当质量流量偏差大于标准偏差时，能够影响该换热流道内的物流质量流量的为该换热流道两侧的导流片3的偏转角度，因此此时可以通过对该换热流道两侧的至少一个导流片3的角度进行调节的方式实现对换热流道内的物流质量流量进行调节，从而使得物流参数满足设计工况。

在一个实施例中，当质量流量偏差大于标准偏差时，对该换热流道两侧的至少一个导流片3的角度进行调节的步骤包括：

当质量流量偏差与标准偏差之间的差值小于或等于预设值时，对该换热流道两侧的其中一个导流片3的角度进行调节。

在一个实施例中，当质量流量偏差大于标准偏差时，对该换热流道两侧的至少一个导流片3的角度进行调节的步骤包括：

当质量流量偏差与标准偏差之间的差值大于预设值时，对该换热流道两侧的两个导流片3的角度同时进行调节。

当物流分配要求精度高时，则需要给σ设置为小值，如0.002。当s小于或等于0.002时，各导流片3不需要调节角度。

当计算的某一个流道其s值大于0.002时，表明该流道的物流量比平衡值或大或小，则流道所对应的导流片3需要调节其偏转角度，在导流片3调节的过程中，该换热流道内物流量会将增大或者减小。由于物流首先进入封头，再流经换热器流道参与换热。为了时刻保持各流道中物流的均匀性，需要时刻通过传感器反馈封头进口管处、换热器流道出口处的物流物性参数，因此各个位置上的传感器需要每t1时间反馈一次物流信息给控制器进行分析，评估各流道物流分布均匀性与换热均匀性。该处的t1的选择范围为2s～5s。

在一个实施例中，当质量流量偏差与标准偏差之间的差值小于或等于预设值时，对该换热流道两侧的其中一个导流片3的角度进行调节的步骤包括：

获取与该换热流道的相邻两个换热流道内的物流的质量流量偏差与标准偏差之间的差值；

确定相邻两个换热流道内的物流的质量流量偏差与标准偏差之间的差值较大者；

调节相邻两个换热流道中差值较大的换热流道与该换热流道之间的导流片3的角度。

在一个实施例中，调节相邻两个换热流道中差值较大的换热流道与该换热流道之间的导流片3的角度的步骤包括：

判断导流片3调节过程中，相邻两个换热流道中差值较大的换热流道的偏差是否朝向减小的趋势；

如果朝向减小的趋势变化，则对导流片3进行调节；

如果朝向增大的趋势变化，则调节相邻两个换热流道中差值较小的换热流道与该换热流道之间的导流片3的角度。

在对需要调节的换热流道的一个导流片3进行调节时，需要尽量选择对其他换热流道影响较小的调节方式，因此需要首先确定对于需要调节的换热流道而言，调节两侧的哪个导流片3对相邻的换热流道所产生的影响最小，由于需要调节的换热流道确定，该换热流道需要调节的目标确定，因此，对于换热流道两侧的导流片3的转动方向和转动角度也是可以确定的，在这种情况下，具体需要调节哪个导流片3，则需要根据相邻的两个换热流道在导流片3调节过程中所受到的影响来确定，当其中一个导流片3按照预设的调节方式进行调节的过程中，如果受到该导流片3影响的相邻换热流道的偏差朝着减小的趋势，那么可以确定该导流片3适于进行调节，如果两个导流片3均使得受到相应导流片3影响的相邻换热流道的偏差朝着减小的趋势，那么此时需要进一步判断在未调节之前的两个相邻换热流道中，哪个的质量流量偏差更大，此时可以选择质量流量偏差更大的相邻换热流道对应的导流片3，使得该导流片3的调节可以同时调节两侧的换热流道，并使得该导流片3两侧的换热流道均朝向偏差减小的方向，从而使得调整后的封头结构的各流道物流分布均匀性与换热均匀性更佳。

对于同时需要调节多个导流片3的结构而言，也可以通过上述的方式进行导流片3的选择和调节。

当某一换热流道的s值与σ偏差值较大，或者某几个换热流道的s值与σ偏差值较大时，如偏差超过5％，则认为整个换热器的流量分布不均匀，而在运行的过程中又需要在短时间3秒钟以内调节平衡，即使各换热流道的s值均小于σ，此时需要对至少两个导流片3的偏转角度进行调节，也可以同时对所有的导流片3按照设计之初计算的最优设定角度进行调节。因为每块导流片的动力源是独立的，因此各导流片3的偏转角度可以不同，偏转角速度也可以不同，完全可以通过逻辑控制器给各电动马达8不同的电压控制其转速，从而达到控制偏转角速度，实现各导流片在偏转各自所需角度不同的情况下能同时完成偏转。调节角度的精度与齿轮啮合机构有关，第一齿轮6和第二齿轮7的目数越大，能实现的偏转角度越精确，可以由公式β＝360°/M来理解，M为齿轮目数，β为导流板3能实现的偏转角度。

导流片3转动角度θ

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。