新型高效點(diǎn)波板式冷凝器性能研究

魏文建，張志鋒，馬文勇

（丹佛斯換熱器中國(guó)研發(fā)中心，浙江嘉興 314300）

新型高效點(diǎn)波板式冷凝器性能研究

魏文建*，張志鋒，馬文勇

（丹佛斯換熱器中國(guó)研發(fā)中心，浙江嘉興 314300）

本文對(duì)新型點(diǎn)波形和人字波形的板式換熱器單相水的流動(dòng)換熱特性以及制冷劑的冷凝換熱性能進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究。新型點(diǎn)波板特殊的流道和換熱單元設(shè)計(jì)使得在同樣的壓力損失下得到更高的傳熱系數(shù)。對(duì)于文中給定的點(diǎn)波板和人字波板結(jié)構(gòu)，單相水的流動(dòng)換熱特性表明，同樣的壓降下前者比后者換熱系數(shù)高10%以上。兩種板用作冷凝器時(shí)，在同樣能力下，前者冷凝溫度較后者低約0.3 ℃以上。同時(shí)，點(diǎn)波紋板相較人字波板有更大的設(shè)計(jì)靈活性可以更好地滿足用戶特性條件的定制化需求。

冷凝器；板式換熱器；點(diǎn)波；人字波；換熱；壓降

0 引言

板式換熱器憑借其高效的換熱性能，以及結(jié)構(gòu)緊湊、易安裝等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于熱泵及制冷空調(diào)領(lǐng)域。節(jié)能環(huán)保高效是對(duì)制冷空調(diào)和熱泵機(jī)組的持續(xù)要求。板式換熱器作為制冷空調(diào)和熱泵機(jī)組的關(guān)鍵部件之一，行業(yè)也對(duì)其換熱性能及阻力損失提出了越來越高的技術(shù)要求。對(duì)于提高釬焊式板式換熱器的性能的研究，最常用的思路是通過改變板片的結(jié)構(gòu)形態(tài)，以增大換熱系數(shù)、減小流動(dòng)阻力、增大有效傳熱面積，從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)換熱器性能的目標(biāo)[1-6]。本文介紹了一種丹佛斯近年來設(shè)計(jì)開發(fā)的一種新型點(diǎn)波板片結(jié)構(gòu)的換熱器：MPHETM[7]。基于該技術(shù)的多種型號(hào)的產(chǎn)品也已逐步投放全球市場(chǎng)，正越來越受到更多用戶的青睞。

點(diǎn)波板片特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效焊點(diǎn)遠(yuǎn)多于人字波板，從而使其可靠性和強(qiáng)度更好；在同樣的設(shè)計(jì)強(qiáng)度下點(diǎn)波板板片更薄，耗材更少。為了更好的了解點(diǎn)波板片特性及便于用戶應(yīng)用選型，本文著重對(duì)該型板片流動(dòng)換熱特性進(jìn)行分析研究。

本文針對(duì)新型的點(diǎn)波板式換熱器內(nèi)單相流體、制冷劑冷凝換熱與阻力特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并與傳統(tǒng)人字波板式換熱器的性能進(jìn)行了對(duì)比。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試樣件

板式換熱器性能測(cè)試臺(tái)如下圖1所示。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)由三個(gè)模塊組成，分別是制冷劑模塊、冷水模塊和熱水模塊。通過管路的開閉，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)可實(shí)現(xiàn)板式換熱器在三種情況下的性能測(cè)試：?jiǎn)蜗嗨?水換熱、兩相制冷劑蒸發(fā)換熱、兩相制冷劑冷凝換熱，詳細(xì)的測(cè)試系統(tǒng)介紹可參見文獻(xiàn)[8]。為了更好反映兩種板片類型的流動(dòng)換熱特性，除了波紋類型不同外，單板面積、角孔大小、板片大小和片數(shù)以及接管類型均保持相同，兩種板片的結(jié)構(gòu)形式分別示于圖2(a)和(b)，兩種波型樣機(jī)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)可見表1。每種板片類型各做了兩臺(tái)樣機(jī)，片數(shù)分別為8片和4片，共4臺(tái)樣機(jī)，其8片樣機(jī)用于單相水水換熱研究，4片樣機(jī)用于冷凝換熱測(cè)試。

圖1 板式換熱器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖

2 測(cè)試工況及誤差分析

為了更好地比對(duì)兩種波紋板片性能，筆者設(shè)計(jì)了同樣的測(cè)試工況，測(cè)試模式采用了定能力方式進(jìn)行。主要用于評(píng)估換熱性能及阻力損失。單相水-水換熱的板式換熱器共由24個(gè)板片組成，樣機(jī)編號(hào)分別為HB-24和DB-24，前者為人字波板片，后者為點(diǎn)波板片，其中熱水側(cè)流道12個(gè)，冷水側(cè)流道11個(gè)。冷凝測(cè)試為4板片的樣機(jī)，樣機(jī)編號(hào)分別為HB-4和DB-4，其中制冷劑流道一個(gè)，而水側(cè)流道為兩個(gè)，對(duì)上述兩種板型四種樣機(jī)分別進(jìn)行了同樣工況下的定能力測(cè)試。單相水-水換熱和冷凝測(cè)試的測(cè)試工況分別如表2和表3所示。

采用Moffat[9]誤差分析方法，分析了換熱系數(shù)的誤差，如表4所示。

表1 測(cè)試板式換熱器結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)

圖2 兩種波紋板片結(jié)構(gòu)

表3 冷凝換熱對(duì)比測(cè)試工況

表4 參數(shù)誤差表

3 結(jié)果分析和討論

對(duì)于單相水-水換熱實(shí)驗(yàn)，按定能力模式每臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行了70 kW工況點(diǎn)的測(cè)試，分別得到了該組樣機(jī)的出口溫度及壓降。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，并采用筆者開發(fā)的換熱和壓降關(guān)聯(lián)式預(yù)測(cè)其它工況點(diǎn)的數(shù)值[10]，結(jié)果對(duì)比以圖3的形式表示?？梢?，對(duì)于給定的測(cè)試工況，該人字波板的換熱系數(shù)為6,404 W/m2·K，壓降為41.6 kPa；而該點(diǎn)波紋板的換熱系數(shù)為6,710 W/m2·K，壓力損失為30.6 kPa。即點(diǎn)波板付出較小的代價(jià)而得到了較高的換熱能力。如果人字波板與點(diǎn)波紋板實(shí)現(xiàn)同樣的壓力損失，則換熱系數(shù)只有5,959 W/m2·K；另一方面，人字波板達(dá)到點(diǎn)波紋板同樣的換熱能力，需付出的壓力損失則高達(dá)51 kPa。

圖3 兩種波紋板單相流動(dòng)換熱特性對(duì)比

對(duì)于兩種波紋板用作冷凝器，分別進(jìn)行了定能力測(cè)試。熱流密度范圍從8 kW/m2到18 kW/m2，相應(yīng)的換熱量約為1,000 W到2,000 W。評(píng)價(jià)冷凝器的指標(biāo)可以用給定能力下的冷凝溫度以及水側(cè)壓降來反映，這兩個(gè)參數(shù)直接影響板式換熱器用作冷凝器機(jī)組的能力及功耗。由于測(cè)試工況相同，兩種波紋板的冷凝溫度和水側(cè)壓降隨換熱能力變化的曲線可以表示成圖4的形式，用戶可以方便地了解不同換熱能力下的冷凝溫度及水側(cè)的阻力損失，從而進(jìn)行針對(duì)性的應(yīng)用選型。從圖4可見，對(duì)于本文提到的人字波板和點(diǎn)波板，用作冷凝器時(shí)，在同樣的能力下，該點(diǎn)波板比人字波板的冷凝溫度約低0.3 ℃～0.4 ℃；即在同樣冷凝溫度下，該點(diǎn)波板的換熱量比人字波板約高10%以上。同時(shí)，值得注意的是在同樣的條件下，該點(diǎn)波板的壓降比人字波板的壓降低25%以上。

該人字波板和點(diǎn)波紋板都還有一定的優(yōu)化空間。但總體而言，點(diǎn)波紋板特殊的流道設(shè)計(jì)，中心對(duì)稱流道使得流體在流動(dòng)過程中最大流速和最小流速比遠(yuǎn)低于人字波板，在同樣的流量下平均流速較高。另外，筆者認(rèn)為對(duì)于每個(gè)換熱單元中心流體高速碰撞有利于流體的邊界層分離。另外相對(duì)于人字波，點(diǎn)波板片兩側(cè)流體速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)幾乎同步，根據(jù)場(chǎng)協(xié)同理論，這種結(jié)構(gòu)及流動(dòng)形式也有助于增強(qiáng)換熱性能。這部分工作將在后續(xù)研究過程中做重點(diǎn)分析。

圖4 兩種波紋板冷凝換熱性能對(duì)比

4 結(jié)論

本文對(duì)新型點(diǎn)波形和人字波形的板式換熱器單相水的流動(dòng)換熱特性以及冷凝換熱性能進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究。

新型點(diǎn)波板特殊的流道和換熱單元設(shè)計(jì)使得在同樣的壓力損失下得到更高的傳熱系數(shù)。對(duì)于文中給定的點(diǎn)波板和人字波板結(jié)構(gòu)，單相水的流動(dòng)換熱特性表明，同樣的壓降下前者比后者換熱系數(shù)高10%以上。兩種板用作冷凝器時(shí)，在同樣能力下，前者冷凝溫度較后者低約0.3 ℃以上。同時(shí)，點(diǎn)波紋板相較人字波板有更大的設(shè)計(jì)靈活性，故在給定應(yīng)用工況下的優(yōu)化空間更大，可以更好地滿足用戶特性條件的定制化需求。

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Research on Performance of Novel High Efficiency Dimple Plate Condenser

WEI Wen-jian*, ZHANG Zhi-feng, MA Wen-yong
(Danfoss Heat Exchanger China R&D Center, Jiaxing, Zhejiang 314300, China)

The heat transfer characteristics of single phase water flow and refrigerant flow condensation inside dimple and herringbone plate heat exchangers are investigated. The results show that the dimple plate has higher heat transfer efficiency under the same pressure loss due to the unique channel and heat transfer cell design. For the given design, the water heat transfer efficiency of the dimple plate is over 10% higher than that of the herringbone plate. For condenser applications, the condensing temperature of the dimple plate is over 0.3 ℃ lower than that of the herringbone plate with the same capacity. Moreover, the dimple plate can provide more flexible and specified designs to satisfy the customized requirements.

Condenser; Plate heat exchanger; Dimple; Herringbone; Heat transfer; Pressure loss

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.02.105

*魏文建（1972-），男，高級(jí)工程師，博士。研究方向：兩相流動(dòng)換熱強(qiáng)化技術(shù)及換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)。聯(lián)系地址：浙江省海鹽縣謝家路1383號(hào)，郵編：314300。聯(lián)系電話：18069676358。E-mail：wenjian.wei@hotmail.com。