板式換熱器板片的發(fā)展現(xiàn)狀研究

張李鐵++李彥洲

摘 要：換熱器是一種熱能傳遞的裝置，應(yīng)用于不同溫度下發(fā)生熱接觸的兩種或多種流體之間，或固體表面與流體之間，或固體粒子與流體之間的傳熱過(guò)程。近些年，為提高板式換熱器的換熱效率，對(duì)板式換熱器的研究從精簡(jiǎn)換熱器體積變?yōu)楦倪M(jìn)板式換熱器的板片流到結(jié)構(gòu)。該文主要研究國(guó)內(nèi)外板式換熱器的板片研究現(xiàn)狀，為今后增大板式換熱器換熱效率，研究板式換熱器板片的流道結(jié)構(gòu)，提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：板式換熱器 板片 強(qiáng)化換熱 研究現(xiàn)狀

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ051 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）11（a）-0046-01

換熱器是一種熱能傳遞的裝置，應(yīng)用于不同溫度下發(fā)生熱接觸的兩種或多種流體之間，或固體表面與流體之間，或固體粒子與流體之間的傳熱過(guò)程。

根據(jù)結(jié)構(gòu)特征換熱器主要分為：管式、板式、擴(kuò)展表面式以及再生式換熱器四類(lèi)。其中，板式換熱器具有傳熱系數(shù)高、對(duì)數(shù)平均溫差大、占地面積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，在許多應(yīng)用領(lǐng)域中取代了其他形式的換熱器。板式換熱器從20世紀(jì)30年代起在國(guó)外得到廣泛應(yīng)用，我國(guó)從20世紀(jì)70年代開(kāi)始生產(chǎn)板式換熱器。板式換熱器的發(fā)展速度極快，從輕工業(yè)、食品等部門(mén)，普及到民用集中供熱，進(jìn)而發(fā)展到冰箱、空調(diào)等制冷技術(shù)產(chǎn)品中。在現(xiàn)代石油化工企業(yè)中，換熱氣的投資占到了30%～50%。

可見(jiàn)，板式換熱器的發(fā)展，對(duì)科研進(jìn)步和民用設(shè)施改善具有重要意義。

1 板式換熱器簡(jiǎn)介

板式換熱器是由一組金屬板片組成的，由導(dǎo)桿連接，板片兩邊有固定緊壓板和活動(dòng)緊壓板。固定緊壓板上有4個(gè)角孔，金屬板片上帶有波紋流道和四個(gè)角孔。近些年，國(guó)外板式換熱器發(fā)展的主要特點(diǎn)是高性能，多品種。我國(guó)由于實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)薄弱，生產(chǎn)設(shè)計(jì)水平不高，一直處于模仿階段。板式換熱器最重要的性能是換熱性，而決定換熱性最重要參數(shù)是換熱效率，如何提高板片換熱效率，對(duì)我國(guó)掌握板式換熱器的核心技術(shù)有重要意義。

2 板式換熱器板片國(guó)外研究現(xiàn)狀

從上世紀(jì)初，德國(guó)人發(fā)明了板式換熱器，到1923年第一批板式換熱器由APV公司生產(chǎn)出，他們?yōu)榘迨綋Q熱器起到了模板作用。早前，由于生產(chǎn)資料理論指導(dǎo)匱乏等等，板式換熱器的設(shè)計(jì)主要靠經(jīng)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)研究，即先做出成品再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，得到換熱效率數(shù)值，完成最終設(shè)計(jì)。近年，德國(guó)人Focke通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，用有限擴(kuò)散電流技術(shù)（DLCT），推出人字形流道的傳熱速率，指出板片的波紋傾角對(duì)傳熱和流動(dòng)特能的定性關(guān)系。Muley和Manglik通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了多種板式換熱器的數(shù)據(jù)，得到了能計(jì)算不同結(jié)構(gòu)板式換熱器換熱系數(shù)的關(guān)系式，并指出板式換熱器中流體的分布不均勻是影響板式換熱器性能的一個(gè)主要因素。B.Prabhakara Rao等人對(duì)板式換熱器中不均勻流動(dòng)做了分析研究，得出板式換熱器中流體的分布不均勻是影響板式換熱器性能的重要因素。

研究板式換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)有一種有效辦法就是速度場(chǎng)可視化技術(shù)。Saboya和Sparrow采用了荼升華技術(shù)對(duì)波紋槽道的流動(dòng)二維速度場(chǎng)進(jìn)行了可視化研究。后來(lái)，Vlasongiannis通過(guò)高速攝影機(jī)測(cè)量了氣、水混合物傳熱系數(shù)比同樣條件下的液體流動(dòng)的傳熱系數(shù)高很多，尤其當(dāng)冷卻介質(zhì)中水速較低時(shí)（<0.025 m/s），氣體流動(dòng)貫穿覆蓋了整個(gè)流道，而受氣體剪切的液體水則在層流下做溪狀流動(dòng)，這時(shí)傳熱效果最佳。

3 板式換熱器板片國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代，國(guó)內(nèi)制造出了第一批人字形波紋板片的板式換熱器。天津大學(xué)趙鎮(zhèn)南研究了波紋傾角是影響板式換熱器的重要因素和人字形波紋通道中的基本流道模式。許淑惠對(duì)板式換熱器的壓力分布和阻力特性進(jìn)行了研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)揭示了兩種板型進(jìn)口段的流型分布，并用透明板片顯示通道內(nèi)流動(dòng)情況的方法，對(duì)于應(yīng)用激光技術(shù)實(shí)施對(duì)板式換熱器內(nèi)部速度場(chǎng)及溫度場(chǎng)的測(cè)定具有一定的啟示作用近幾年，國(guó)內(nèi)學(xué)者采用局部組合通道內(nèi)的可視化及傳熱機(jī)理研究方法預(yù)測(cè)推斷板式換熱器的傳熱及流阻特性；也有國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)板式換熱器CFD方面的研究取得很大的進(jìn)展。楊勇采用曲線坐標(biāo)下的低雷諾數(shù)模型對(duì)波紋板式換熱器進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了速度場(chǎng)及溫度場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)并解釋了在換熱流量較大時(shí)特殊的對(duì)流交換曲線。張廣明采用CFD軟件對(duì)人字形板式換熱器進(jìn)行了數(shù)值模擬，從模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，波紋傾免對(duì)流型變化影響很大，隨著波紋傾角的增大分別出現(xiàn)了十字交叉流和曲折流。曲寧取游道的一半為計(jì)算區(qū)域，通過(guò)Fluent軟件對(duì)人字板片進(jìn)行數(shù)值模擬，得到其槽道內(nèi)的三維壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)，較為仔細(xì)地分析了波紋傾角和波距對(duì)流動(dòng)與換熱的影響。湖南大學(xué)的任承欽、張國(guó)強(qiáng)等人，設(shè)計(jì)了一種隔板為六邊彤的扳式換熱器，并對(duì)此進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明該新型換熱器具有準(zhǔn)逆流換熱的特點(diǎn)。上海交通大學(xué)的景步云等人蒸發(fā)器中沿流動(dòng)方向各點(diǎn)分布參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，采用穩(wěn)態(tài)分布參數(shù)法建立仿真模型，并分析了板式換熱器中介質(zhì)流動(dòng)時(shí)壓力和板壁溫度的變化情況。山東大學(xué)李曉亮采用場(chǎng)協(xié)同原理對(duì)人字形板式換熱器進(jìn)行了強(qiáng)化傳熱研究，結(jié)果表明利用場(chǎng)協(xié)同積分余弦值和場(chǎng)協(xié)同匹配性與換熱效果存在相關(guān)性。北京化工大學(xué)董莉通過(guò)對(duì)換熱器波紋參數(shù)的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)研究得出單位壓降位壓降受到波紋傾角和波紋法向節(jié)距的影響比較大，受到波紋高度的影響比較?。徊y高度對(duì)換熱系數(shù)的影響則較波紋傾角和波紋法向節(jié)距要大得多。北京化工大學(xué)的蔡毅通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析截面處的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)流體分布最大的不均勻性發(fā)生在分配區(qū)與換熱區(qū)的連接處，進(jìn)出口側(cè)體積流量和換熱量都大于另外一側(cè)。

4 板式換熱器國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀總結(jié)

通過(guò)對(duì)比國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究成果，在板片的眾多流道構(gòu)造中，人字形板片構(gòu)造的傳熱和流動(dòng)特性效果最佳，在今后對(duì)板式換熱器板片的研究方向中，可以對(duì)人字形板片結(jié)構(gòu)的板式換熱器進(jìn)行重點(diǎn)研究，這為今后板式換熱器的研究指出了一個(gè)明確的方向，有助于研究人員的研究和探討。

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