板式換熱器的應(yīng)用及其研究進(jìn)展

1、    板式換熱器的應(yīng)用及其研究進(jìn)展    摘 要：針對(duì)板式換熱器的特點(diǎn)在以往研究的基礎(chǔ)上開發(fā)了一種高效微型的板式換熱器，并就其傳熱和流動(dòng)特性與其他板式換熱器進(jìn)行了比較，計(jì)算結(jié)果表明了該換熱器的傳熱效率和壓降阻力較其他板片換熱器的高，即提高傳熱效率是以增大阻力為代價(jià)的，不能單純的提高傳熱效率而不滿足允許壓降。關(guān)鍵詞：板式換熱器 波紋傾角 人字形1板式換熱器的應(yīng)用及其研究進(jìn)展板式換熱器自二十世紀(jì)九十年代發(fā)現(xiàn)以來到現(xiàn)在主要的性能指標(biāo)已達(dá)到：單板換熱面積在0.05-3.5m2，最高使用壓力為2.5×106pa，最高溫度260，單臺(tái)換熱面積最大為350

2、0 m2，下面主要介紹目前波紋形式、換熱和流動(dòng)特性的發(fā)展和最新的研究成果現(xiàn)狀。1.1傳熱板片形式的研究傳熱板片是換熱器的核心部件，學(xué)者對(duì)板片的研究居多，主要從三個(gè)方面著手：（1）使流體在低速下發(fā)生強(qiáng)烈的湍流，以強(qiáng)化傳熱；（2）提高板片剛度，能承受較高的壓力；（3）使流體在通道內(nèi)的壓降阻力減小。板片的波紋形式對(duì)傳熱及流動(dòng)阻力有很大的影響，隨著板式換熱器的應(yīng)用與研究，除了人字形和平直板形的波紋板片又出現(xiàn)了其他不同形式的板片，其中換熱效果和流動(dòng)阻力改善最明顯的是：酒窩狀板式換熱器和混合波紋板式。酒窩狀換熱板是由姬長發(fā)7等人研究設(shè)計(jì)的一種新型波紋形式。他們利用flunt軟件對(duì)酒窩板、平板及波紋板的換熱

3、及壓降特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)這三種板片在不同流速下的壁面平均換熱系數(shù)、換熱量、平均努塞爾數(shù)以及摩擦阻力的變化特性進(jìn)行了對(duì)比分析。酒窩板的特殊性強(qiáng)化了流體與板壁間的對(duì)流傳熱性能，在相同的基本條件下，通過調(diào)整流體入口流速的大小，計(jì)算出酒窩板和平板各種參數(shù)的變化，得到酒窩板在不同流速下，雖然壓降有所提高但傳熱性能有所加強(qiáng)，從表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)即可得到此結(jié)論。另一方面酒窩板在制造工藝上具有加工方便、不易變形、承壓能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。綜合評(píng)價(jià)，酒窩板的經(jīng)濟(jì)適用性高于波紋板。復(fù)合型波紋式板片由“兩個(gè)方向的波紋按照一定的波紋夾角疊加而成，構(gòu)成流動(dòng)主要通道。使流體產(chǎn)生橫向混合作用的波紋稱為橫波；流動(dòng)主流方向相同的另一波

4、紋稱為縱波。這種波紋形式的板片疊加后仍然有網(wǎng)格狀分布的觸點(diǎn)，由于基本通道的導(dǎo)流使兩流向的流體的交匯減弱，同時(shí)流體通道呈波浪流線型，能夠很大程度上減小流動(dòng)阻力。通過實(shí)驗(yàn)得出：復(fù)合波紋型板式換熱器內(nèi)流場呈周期性的收縮擴(kuò)張，這使流體速度在方向和數(shù)值上都呈現(xiàn)周期性的變化。這種周期性變化有利于流體的相互混合，也相應(yīng)地能夠減薄熱邊界層厚度，因而達(dá)到強(qiáng)化傳熱的作用。同時(shí)，流體的混合程度變差，拖拽作用減小，使得換熱器的換熱效率降低、摩擦系數(shù)變小6。1.2 傳熱性能的研究徐志明，郭進(jìn)生等學(xué)者通過搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)基于“傳熱-動(dòng)量”的相似理論擬合出了傳熱系數(shù)與雷諾數(shù)，壓降損失與雷諾數(shù)之間的關(guān)系式：并得出雷諾數(shù)對(duì)換熱器的換

5、熱性能影響較其他因素較大，雷諾數(shù)增大時(shí)，總傳熱系數(shù)增大，但壓降損失也相應(yīng)增大。此外實(shí)驗(yàn)還證明了單純的提高流速以增加傳熱量的做法是不經(jīng)濟(jì)的，而適當(dāng)?shù)奶岣邿崴倪M(jìn)口溫度可以達(dá)到較好的效果8。由于板式換熱器的流道曲折以及波紋擾動(dòng)的作用使得臨界雷諾數(shù)降低，徐百平，吳雪等將波紋板片間距拉開一定距離，并在板間布置了擾流件，形成了超低流阻的換熱器，這使得流體進(jìn)出于板片平行，并加強(qiáng)了傳熱同時(shí)也使得板片強(qiáng)度和剛度也增加9。1.3 數(shù)值模擬最新研究通過實(shí)驗(yàn)我們只能定性的得到換熱器的一些性質(zhì)，以及影響換熱器的因素，不能準(zhǔn)確的描述出傳熱和流動(dòng)過程和因素，同時(shí)對(duì)于難以用實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的情況，我們只能通過僅有的條件推斷和近似，

6、這對(duì)換熱器的研究和開發(fā)造成不便。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種計(jì)算機(jī)軟件的推出，數(shù)值模擬為我們解決了這一難題，同時(shí)還能得到速度場和溫度場的精確的分布情況，方便我們擬合出各因素之間的關(guān)系，為我們?cè)O(shè)計(jì)和優(yōu)化換熱器提供了可靠的依據(jù)。山東大學(xué)的李曉亮描了數(shù)值模擬典型的研究現(xiàn)狀：“ciofal.m.等人利用有限元法對(duì)波紋板式換熱器過渡區(qū)和弱紊流狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬；陰極翔等得出波紋通道間距對(duì)板內(nèi)流動(dòng)與換熱影響規(guī)律；張冠敏等對(duì)波紋板片的三個(gè)幾何參數(shù)波紋角度、波高和波距對(duì)波紋板片換熱與阻力特性的影響，得出質(zhì)量因子j/f隨三個(gè)波紋參數(shù)的變化規(guī)律；金志浩等擬合出了不同雷諾數(shù)下流動(dòng)阻力損失變化曲線與阻力關(guān)聯(lián)式12，等等

7、其他相關(guān)的研究和結(jié)論都為我們研究和設(shè)計(jì)板式換熱器提供了可靠的依據(jù)和方向。此外欒志堅(jiān)等人4通過數(shù)值模擬描述出了人字形換熱器的傾斜角未達(dá)到60°時(shí)流體的流動(dòng)狀態(tài)為兩組十字交叉流，即流體先在板片得一側(cè)上沿溝槽流動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)板的邊緣時(shí)就折轉(zhuǎn)到另一個(gè)板片的溝槽中流向另一邊緣，流場如圖1.5：當(dāng)傾角達(dá)到60°附近時(shí)，流體仍主要沿溝槽運(yùn)動(dòng)，折返點(diǎn)發(fā)生在波紋的觸點(diǎn)上，流動(dòng)呈連續(xù)的并行小波紋狀，兩股交叉流在相反方向的拖拽作用使傾角為60°附近流動(dòng)形態(tài)的根本改變，即形成了曲折流（如圖1.6）。1.4提高板式換熱器效能的優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化板式換熱器從兩個(gè)方面入手：提高換熱器效率；降低換熱阻力。

8、（1）提高換熱效率傳熱基本公式：從以上基本公式可以看出又可以分為兩大方面【13】：提高換熱器傳熱系數(shù)；提高對(duì)數(shù)平均溫差。提高換熱器傳熱系數(shù)：a.提高板片的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) b.減小污垢層熱阻c.選用熱導(dǎo)率高的板片 d.減小板片厚度提高對(duì)數(shù)平均溫差在相同工況下逆流時(shí)換熱器的對(duì)數(shù)平均溫差最大，順流時(shí)平均溫差最小，混合流時(shí)居中，為此流程安排時(shí)盡可能的采用逆流布置。（2）降低換熱器阻力a.采用熱混合板b.采用非對(duì)稱型板式換熱器c.采用多流程組合e.設(shè)計(jì)換熱器旁通道d.正確的選用換熱器形式f.合理選用板片材質(zhì)2存在的問題板式換熱器目前存在的問題主要有以下幾個(gè)方面：（l）通過改變波紋形式、結(jié)構(gòu)等其他方式強(qiáng)化傳

9、熱使得傳熱系數(shù)、傳熱效率增大的同時(shí)流動(dòng)阻力也增加，這就使得運(yùn)行費(fèi)用增加，并且流動(dòng)阻力增大的倍數(shù)甚至比傳熱效率更大，因此傳熱效率與阻力之間的優(yōu)選以及流量、傳熱系數(shù)、壓降三者之間的匹配問題任需要解決。（2）雖然隨著板式換熱器的研究和發(fā)展，其承溫、承壓能力有所提高，被更廣泛的應(yīng)用到不同的領(lǐng)域，但受其本身?xiàng)l件的限制，承溫承壓能力還是受到限制，因此，耐溫、耐壓并可長期使用的密封墊片尚需進(jìn)一步開發(fā)。（3）板片形式、結(jié)構(gòu)等的多種多樣，使得不同條件下板片換熱器的設(shè)計(jì)選型困難，如何選擇才能使得即能滿足換熱要求阻力要求又能高效經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。參考文獻(xiàn)1.馬學(xué)虎，林樂，蘭忠.低re下板式換熱器性能的實(shí)驗(yàn)研究及熱力學(xué)分析j.熱科學(xué)與技術(shù)，2007，6（1）：652.史美中，王中錚.熱交換器原理與設(shè)計(jì).南京.東南大學(xué)出版社.200