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(lái)到現(xiàn)在主要的性能指標(biāo)已達(dá)到：?jiǎn)伟鍝Q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3500 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(zhǎng)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(guò)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(guò)實(shí)驗(yàn)得出：復(fù)合波紋型板式換熱器內(nèi)流場(chǎng)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)僅有的條件推斷和近似，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(chǎng)和溫度場(chǎng)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(guò)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(guò)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(chǎng)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。

（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(wèn)題

板式換熱器目前存在的問(wèn)題主要有以下幾個(gè)方面：

（l）通過(guò)改變波紋形式、結(jié)構(gòu)等其他方式強(qiáng)化傳熱使得傳熱系數(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(wèn)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(zhǎng)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(lè)，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）：65

[2].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.2009年5月第四版.

[3] .張冠敏，田茂誠(chéng).復(fù)合波紋板式換熱器強(qiáng)化傳熱機(jī)理及傳熱特性研究.山東大學(xué)博士學(xué)位論文. 2006.

[4].欒志堅(jiān)， 張冠敏， 張俊龍. 波紋幾何參數(shù)對(duì)人字形板式換熱器內(nèi)流動(dòng)形態(tài)的影響機(jī)理[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2007，37（2）：34-37.

作者簡(jiǎn)介：

徐大偉（1987-04），男，籍貫：山東省萊陽(yáng)市，學(xué)歷：本科學(xué)歷，助理工程師，研究方向：電力工程。