板翅式换热器具有结构紧凑、换热效率高、多工质同时传热等优点,在航空航天、石油化工、天然气加工、空气分离等行业具有广泛的应用,是这些行业装备的重要部机之一。随着这些行业装备的大型化、低能耗化、高精细化的发展,对板翅式换热器的设计提出了更高的要求。本文提出了板翅式换热器封头与翅片结构优化及性能协调设计方法,从封头结构、翅片结构、封头与翅片结构协调设计等方面,提高了换热器内部流动均匀性和多工况适应性,进而提高板翅式换热器的整体换热性能。本文研究内容主要包括以下三个方面:(1)针对板翅式换热器入口段流量分布不均匀的问题,提出一种区域分流封头结构,通过在封头腔体入口处添加几块倾斜角度不同的挡板,使进入封头的流体在封头长度方向上得到分散,减小了封头各出口间质量流率的不均匀度。通过Fluent仿真分析,对挡板数量、最外侧挡板倾角、挡板高度、挡板间距以及封头高度等参数逐一进行优化,得到了区域分流封头的最佳尺寸参数,与传统封头相比,设计的区域分流封头内部分配均匀性提升了84%。(2)为减小翅片流道内流体热边界层对换热性能的影响,参照农具“犁”的工作特性,提出一种犁型微凸翅片结构,其结构特点为在平直翅片壁面上周期性增设犁凸结构。利用仿真计算得到不同犁凸尺寸下翅片的热功率和压降,构建了两者与犁凸结构参数的近似模型,利用NLPQL梯度优化算法得到了犁凸结构的最佳尺寸,并对犁凸结构的排列方式和排列间距进行了优化。通过对流道内温度场、压力场以及速度场的分析,解释了犁凸结构对翅片性能改善的机理。(3)现有板翅式换热器往往需要在80%~110%的变工况环境下运行,其自身需要有一定适应能力,避免生产效率的下降和安全事故的发生。通过对比不同入口速度下传统封头和区域分流封头的分配效果,验证了区域分流封头的变工况适应性;通过仿真获取了各工况下封头出口的速度,并选用6、8、11、14m/s作为翅片区域的入口多工况条件,以空气吸热热流量(37)作为评价多工况下翅片传热性能的评价指标,以(37)和ΔP的平均值作为输出变量、犁凸结构参数为输入变量,构建了Kriging近似模型,并用梯度优化算法进行优化,通过对比预测结果与仿真结果,验证了所用方法的精确度,并得到了多工况下犁型微凸翅片的最佳结构参数。通过对封头和翅片结构的改进与优化研究,使换热器整体换热性能有所提升,研究结果对实际生产制造具有一定指导意义。