釬焊板式換熱器蒸發(fā)換熱和壓降特性分析

黃永帥，姜未汀，韓維哲，史文斯

（1-上海電力學(xué)院能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海 200000；2-江蘇唯益換熱器股份有限公司，江蘇丹陽 212311）

釬焊板式換熱器蒸發(fā)換熱和壓降特性分析

黃永帥*1，姜未汀1，韓維哲2，史文斯2

（1-上海電力學(xué)院能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海 200000；2-江蘇唯益換熱器股份有限公司，江蘇丹陽 212311）

本文實(shí)驗(yàn)研究了釬焊板式換熱器在蒸發(fā)工況下的換熱和壓降特性，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到影響板式換熱器蒸發(fā)換熱和壓降的影響因素。建立了板式換熱器單流道CFD仿真計(jì)算模型，并通過和已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證了該模型的精確性?；趯?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過關(guān)聯(lián)式修正，開發(fā)了換熱系數(shù)和摩擦系數(shù)關(guān)聯(lián)式；換熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值之間的平均誤差為3.5%；摩擦系數(shù)關(guān)聯(lián)式計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值之間的平均誤差5.9%。

釬焊板式換熱器；蒸發(fā)；換熱；摩擦系數(shù)

0 引言

釬焊板式換熱器作為蒸發(fā)器和冷凝器已被廣泛應(yīng)用到制冷和空調(diào)系統(tǒng)中，與單相流相比，兩相流換熱和壓降受影響的因素較多，對(duì)換熱和壓降特性的分析研究更為復(fù)雜。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)板式換熱器的研究主要集中在單相流換熱，而對(duì)復(fù)雜兩相流換熱的研究存在不足。由于板片型號(hào)和實(shí)驗(yàn)條件的不同，每個(gè)換熱系數(shù)和壓降關(guān)聯(lián)式都存在很大的局限性，不能作為通用的關(guān)聯(lián)式，但對(duì)板式換熱器的實(shí)驗(yàn)研究具有指導(dǎo)意義。AYBU[1]總結(jié)了板式換熱器單相換熱和壓降計(jì)算關(guān)聯(lián)式，并提出了板式換熱器蒸發(fā)換熱計(jì)算關(guān)聯(lián)式。LONGO等[2]實(shí)驗(yàn)測(cè)試了制冷劑134a、410A和236fa在釬焊板式換熱器內(nèi)汽化時(shí)的換熱系數(shù)和壓降，研究了熱流量、制冷劑質(zhì)量流量、飽和溫度對(duì)換熱和壓降特性的影響。FELDMAN[3]研究了熱流量、干度及質(zhì)量流量對(duì)蒸發(fā)換熱的影響，核沸騰換熱系數(shù)與熱流量有關(guān)，而對(duì)流沸騰換熱系數(shù)與干度和質(zhì)量流量有關(guān)，這一結(jié)論與KHAN等[4-5]研究得出的觀點(diǎn)一致。魏文建等[6]分別通過單相水-水換熱測(cè)試和制冷劑（R410A）-水蒸發(fā)換熱測(cè)試，研究了點(diǎn)波板式換熱器與傳統(tǒng)人字波板式換熱器的傳熱及流動(dòng)性能。之后，魏文建等[7]又對(duì)新型高效點(diǎn)波板式冷凝器性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，指出點(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。

利用已構(gòu)建的板式換熱器CFD模型模擬得到板式換熱器水側(cè)換熱系數(shù)和摩擦壓降計(jì)算關(guān)聯(lián)式，通過蒸發(fā)器實(shí)驗(yàn)，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了板式換熱器蒸發(fā)換熱和壓降計(jì)算關(guān)聯(lián)式。

1 實(shí)驗(yàn)原理與數(shù)據(jù)處理方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由制冷系統(tǒng)、水系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和待測(cè)板式換熱器4部分組成，實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用的是壓縮機(jī)和節(jié)流閥來進(jìn)行系統(tǒng)的壓力和流量控制。系統(tǒng)流程圖如圖1所示，制冷系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流元件構(gòu)成，除此四大部件外，制冷系統(tǒng)還包括汽液分離器、油分離器、干燥過濾器、輔助冷凝器、視液鏡、止回閥、緩沖罐、后置蒸發(fā)器等；水系統(tǒng)包括冷卻水塔、冷水箱、電加熱器、水泵等；測(cè)量控制系統(tǒng)包括傳感器、控制、數(shù)據(jù)采集與顯示。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)的優(yōu)勢(shì)在于增加了輔助冷凝器、過冷器、后置蒸發(fā)器和輔助蒸發(fā)器來保證進(jìn)入測(cè)試換熱器的制冷劑過冷，以及進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑過熱，這提高了本實(shí)驗(yàn)臺(tái)的測(cè)量精度以及對(duì)壓縮機(jī)使用壽命的維護(hù)。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

測(cè)試換熱器為江蘇唯益換熱器股份有限公司生產(chǎn)的B3-050S型板式換熱器，其板片的具體參數(shù)見表1所示。實(shí)驗(yàn)回路由主回路和旁通回路組成，主回路為制冷劑的主要流動(dòng)通道，旁通回路用于控制流入主回路制冷劑的流量，起到分擔(dān)主回路制冷劑流量的作用。實(shí)驗(yàn)時(shí)水由冷水箱流入測(cè)試換熱器，換熱后再流入冷水箱，依次循環(huán)；制冷系統(tǒng)的主回路較為復(fù)雜，R22經(jīng)壓縮機(jī)進(jìn)入油分離器，流經(jīng)輔助冷凝器、緩沖罐、干燥過濾器、視液鏡、質(zhì)量流量計(jì)、過冷器等，進(jìn)入測(cè)試換熱器蒸發(fā)換熱后，流入后置蒸發(fā)器、汽液分離器，再次流入壓縮機(jī)，依次循環(huán)。

表1 板式換熱器尺寸參數(shù)

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

板式換熱器水側(cè)換熱系數(shù)采用準(zhǔn)則關(guān)系式描述：

板式換熱器進(jìn)行蒸發(fā)換熱時(shí)，總的換熱量可以通過水側(cè)得到：

則總的傳熱系數(shù)為：

蒸發(fā)換熱系數(shù)可表示為：

Nu——努賽爾數(shù)；

Re——雷諾數(shù)；

Pr——普朗特?cái)?shù)；

hw——水側(cè)換熱系數(shù)，W/m2·K；

de——當(dāng)量直徑，m；

Qw——水側(cè)換熱量，W；

Ww——水質(zhì)量流量，kg/s；

cp,w——水比熱容，J/kg·k；

Tw,c,i、Tw,c,o——水進(jìn)出口溫度，℃；

U——總傳熱系數(shù)，W/m2·K；

A——板式換熱器換熱面積，m2；

LMTD——對(duì)數(shù)平均溫差，℃；

ΔT1——制冷劑出口飽和溫度與進(jìn)水溫度差，℃；

ΔT2——制冷劑進(jìn)口飽和溫度與出水溫度差，℃；

Tr,o、Tr,i——制冷劑對(duì)應(yīng)進(jìn)出口壓力下飽和溫度，℃；

hr——制冷劑側(cè)傳熱系數(shù)，W/m2·K；

Rwall——壁面熱阻，m2·K/W。

1.3 誤差分析

水流量通過電磁流量計(jì)測(cè)量，精度為被測(cè)流量最大量程的1%，流量調(diào)節(jié)通過電磁比例閥實(shí)現(xiàn)。溫度測(cè)量采用Pt100熱電阻進(jìn)行測(cè)量，其精度為0.1 ℃。冷側(cè)和熱側(cè)進(jìn)出口壓差通過壓差變送器獲得，其精度為壓力最大量程的1%。A/D轉(zhuǎn)換器的精度為0.01%。

總傳熱系數(shù)誤差包括儀表精度誤差和數(shù)據(jù)回歸帶來的誤差，通過對(duì)誤差的分析計(jì)算得出總傳熱系數(shù)的最大誤差為6.13%，同時(shí)本測(cè)試系統(tǒng)的溫度、壓力與流量測(cè)量的相對(duì)誤差均在10%以內(nèi)。

2 水側(cè)仿真計(jì)算和關(guān)聯(lián)式擬合

本文采用數(shù)值模擬的方法模擬研究了B3-050S板式換熱器水-水換熱時(shí)的換熱和壓降特性，基于模擬結(jié)果擬合得到水側(cè)換熱系數(shù)和摩擦系數(shù)計(jì)算關(guān)聯(lián)式。

2.1 水側(cè)CFD仿真模型的驗(yàn)證

根據(jù)KHAN等[8]進(jìn)行的單相對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)所使用的板式換熱器板片結(jié)構(gòu)尺寸，通過Gambit 2.4.6軟件建立了相應(yīng)的CFD仿真模型，水側(cè)的單個(gè)流道仿真模型如圖2所示。

圖2 水側(cè)單流道仿真模型

利用Fluent 14.0軟件仿真模擬了板式換熱器水側(cè)換熱和壓降特性，CFD模型計(jì)算值與文獻(xiàn)[8]中實(shí)驗(yàn)點(diǎn)之間的精度對(duì)比如圖3所示，可以看出，CFD模型仿真結(jié)果與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)具有較高的吻合性，誤差在±5%以內(nèi)，這說明建立的單流道CFD仿真模型對(duì)于模擬計(jì)算板式換熱器水側(cè)換熱和壓降特性是可行的。

圖3 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

2.2 水側(cè)換熱和壓降關(guān)聯(lián)式擬合

由表1建立B3-050S板式熱器單流道仿真模型，通過Fluent 14.0軟件模擬計(jì)算了B3-050S換熱和壓降性能，從而擬合得到測(cè)試換熱器水側(cè)努塞爾數(shù)和摩擦系數(shù)關(guān)聯(lián)式。

數(shù)值模擬相比于實(shí)驗(yàn)所得的關(guān)聯(lián)式而言，雖然精度上不如關(guān)聯(lián)式高，但其應(yīng)用的范圍更加廣泛，只要湍流或?qū)恿髂Ｐ瓦x擇正確、網(wǎng)格劃分足夠細(xì)致，數(shù)值模擬的方法可以適用于任何點(diǎn)波板片結(jié)構(gòu)、很大范圍的雷諾數(shù)下流道內(nèi)的流動(dòng)和換熱的預(yù)測(cè)[9]。

仿真計(jì)算值與關(guān)聯(lián)式計(jì)算值之間的精度對(duì)比如圖4和圖5所示，誤差主要在±5%線之內(nèi)，僅個(gè)別點(diǎn)的誤差稍大，但也小于15%，努賽爾數(shù)之間的平均誤差為3.7%，摩擦系數(shù)之間的平均誤差為4.5%，說明計(jì)算關(guān)聯(lián)式的擬合精度較好，式(8)和式(9)可用于測(cè)試換熱器蒸發(fā)換熱和壓降特性的計(jì)算分析。

圖4 努賽爾數(shù)模型計(jì)算值與關(guān)聯(lián)式計(jì)算值對(duì)比

圖5 摩擦系數(shù)的模型計(jì)算值與關(guān)聯(lián)式計(jì)算值對(duì)比

3 蒸發(fā)換熱和壓降關(guān)聯(lián)式擬合

3.1 換熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式擬合

蒸發(fā)換熱包括對(duì)流換熱和核沸騰換熱。板式蒸發(fā)器蒸發(fā)換熱過程較為復(fù)雜，影響蒸發(fā)換熱性能的因素較多。板式換熱器應(yīng)用于兩相蒸發(fā)換熱研究較少，并且已有的模型應(yīng)用有很大的局限性，大多是針對(duì)管內(nèi)流動(dòng)或豎直壁流動(dòng)的換熱模型[10]。本文通過比較已有的幾種蒸發(fā)換熱模型，參考已有的模型，找到影響蒸發(fā)換熱的因素，然后結(jié)合板式換熱器的結(jié)構(gòu)以及實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，提出適用于板式換熱器兩相蒸發(fā)的換熱模型，部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證和分析，文獻(xiàn)[11-13]中提出的模型（如表3）應(yīng)用都有其局限性，但可考慮其作為半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如?所示。并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到各模型參數(shù)，如表5所示。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 蒸發(fā)換熱模型

表4 半經(jīng)驗(yàn)蒸發(fā)換熱模型

表5 各模型擬合參數(shù)值

由圖6可見，YAN和LIN模型[11]離散度較大，大多數(shù)點(diǎn)的計(jì)算誤差超出了±5%的范圍，平均誤差達(dá)到了16.2%。事實(shí)上，該模型所得的數(shù)據(jù)范圍為熱流密度小于11 kW/m2，而本文的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并不是全部在這個(gè)范圍之內(nèi)。HSIEH和LIN模型[12]的離散度比較大，因?yàn)樵撃Ｐ蜎]有充分考慮到蒸發(fā)壓力的影響。KHAN和AYUB模型[13]的計(jì)算誤差有所減小，該模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的擬合精度較好，但有些點(diǎn)的誤差仍然較大。

通過對(duì)上面計(jì)算模型的分析比較可知KHAN和AYUB模型[13]更能較好地描述蒸發(fā)換熱特性，在以上各模型的基礎(chǔ)上，在此提出了適用于板式蒸發(fā)器的換熱模型，該模型具有很好的擬合精度，并能夠較好的應(yīng)用于該系列其他型號(hào)的板式換熱器中：

式中：

Reeq——等效雷諾數(shù)；

Boeq——等效沸騰數(shù)；

P*——折算壓力；

Xin、Xout——冷媒進(jìn)出口干度，%；

Geq——等效質(zhì)量流率，kg/m2·s；

Dh——當(dāng)量直徑，m；

μ——?jiǎng)恿φ扯龋琍a·s；

q——熱流密度，w/m2；

ifg——?dú)?、液相焓差，J/kg；

G——質(zhì)量流率，kg/m2·s；

ρ1——液相密度，kg/m3；

ρg——?dú)庀嗝芏?，kg/m3；

po——蒸發(fā)壓力，kPa；

pcr——R22臨界壓力，kPa。

通過最小二乘法，回歸得到a1=392.6，a2=0.386，a3=1.095，a4=-4.6。實(shí)驗(yàn)值與關(guān)聯(lián)式計(jì)算值精度對(duì)比如圖7所示，實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值誤差大部分在±5%線之內(nèi)，僅有個(gè)別點(diǎn)誤差稍大，但也小于10%，平均誤差為3.5%。

式(10)考慮了多種因素的綜合作用，在很難劃分換熱區(qū)間和換熱狀態(tài)時(shí)，這樣考慮是很有必要的。由于不同的進(jìn)出口干度制冷劑的熱物性有很大差別，式(10)考慮了進(jìn)出口干度差對(duì)換熱的影響；同時(shí)，式(10)考慮了蒸發(fā)壓力對(duì)換熱性能的影響，為了保證引入的壓力修正無量綱，采用Po/Pcr，其中Pcr為R22的臨界壓力；最后，考慮了熱流密度的干擾，引入了等效沸騰數(shù)的修正。

圖7 蒸發(fā)換熱實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比

3.2 摩擦壓降關(guān)聯(lián)式擬合

兩相流與單相流相比，由于氣相混入引起液相增速，氣相流滑動(dòng)速度對(duì)液膜造成湍流效應(yīng)等因素的影響，使得兩相流的摩擦阻力大于單相流，同時(shí)影響因素也大大增加，導(dǎo)致兩相流內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)更為復(fù)雜。

在兩相流的壓降計(jì)算過程中，由于氣液密度及氣液含量的不同，以及氣液間的相互滑動(dòng)，使得流動(dòng)阻力除了摩擦壓降和局部壓降外，還包括了加速壓降和重力壓降。一般地，摩擦壓降占總壓降的大部分，加速壓降和重力壓降相對(duì)于摩擦壓降和局部壓降很小，可以考慮忽略。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出摩擦系數(shù)計(jì)算模型：

基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得蒸發(fā)摩擦系數(shù)關(guān)聯(lián)式為：

摩擦系數(shù)誤差分析如圖8所示，該模型離散度較小，誤差主要在±10%線以內(nèi)，最大誤差 14.3%，平均誤差5.9%。

圖8 蒸發(fā)摩擦系數(shù)實(shí)驗(yàn)值與關(guān)聯(lián)式計(jì)算值對(duì)比

4 結(jié)論

建立了板式換熱器水側(cè)換熱和壓降 CFD計(jì)算模型，并驗(yàn)證了該模型的正確性，在仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上確定了板式換熱器水側(cè)換熱和壓降關(guān)聯(lián)式，并可用于板式換熱器蒸發(fā)換熱和壓降特性的實(shí)驗(yàn)分析。

影響板式換熱器蒸發(fā)換熱的因素較多，主要有制冷劑質(zhì)量流量、蒸發(fā)溫度、熱流量、進(jìn)出口平均干度、蒸發(fā)壓力，板式換熱器兩相換熱很難形成比較通用的計(jì)算關(guān)聯(lián)式，由于實(shí)驗(yàn)條件和板片結(jié)構(gòu)的差異，直接采用文獻(xiàn)中的計(jì)算模型有很大的局限性。

本文采取關(guān)聯(lián)式修正的方法提出了蒸發(fā)換熱計(jì)算模型，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到計(jì)算關(guān)聯(lián)式，換熱系數(shù)計(jì)算模型平均誤差3.5%，摩擦系數(shù)計(jì)算模型最大誤差14.3%，平均誤差5.9%。

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Analysis on Evaporation Heat Transfer and Pressure Drop Characteristics in Brazed Plate Heat Exchanger

HUANG Yong-shuai*1, JIANG Wei-ting1, HAN Wei-zhe2, SHI Wen-si2
(1-School of Energy and Mech. Eng , Shanghai University of Electric Power , Shanghai 200000, China; 2-WeYee Heat exchanger CO. LTD, Danyang, Jiangsu 212311, China)

The evaporation heat transfer and pressure drop characteristics of refrigerant in the brazed plate heat exchanger was investigated. The influence factors of plate heat exchanger's heat transfer and pressure drop characteristics were analyzed based on the experimental data. A single channel CFD simulation model for the plate heat exchanger was developed, and the accuracy of the model was verified through the comparison with the existing experimental data. The heat transfer coefficient and frictional coefficient correlations were obtained based on the experimental data by modifying the empirical correlations. The average deviation of heat transfer coefficient between the calculated and experimental data was 3.5% and the average deviation of the frictional coefficient between the calculated and experimental data was 5.9%.

Brazed plate heat exchanger; Evaporation; Heat transfer; Frictional coefficient

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.06.107

*黃永帥（1989-），男，碩士研究生。研究方向：板式換熱器性能測(cè)試與優(yōu)化。聯(lián)系地址：上海市楊浦區(qū)長(zhǎng)陽路2588號(hào)上海電力學(xué)院，郵編：200000。聯(lián)系電話：18702152539。E-mail：hys1126795869@126.com。