板式換熱器換熱性能實(shí)驗(yàn)研究

張 兵，林道光

(湖南人文科技學(xué)院 能源與機(jī)電工程學(xué)院，湖南 婁底 417000)

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板式換熱器換熱性能實(shí)驗(yàn)研究

張 兵，林道光

(湖南人文科技學(xué)院 能源與機(jī)電工程學(xué)院，湖南 婁底 417000)

板式換熱器是一種應(yīng)用廣泛的高效換熱器，影響板式換熱器換熱性能的因素很多。采用實(shí)驗(yàn)的方法，探討冷熱流體的流動方式、溫度以及流量的變化對板式換熱器換熱性能的影響。結(jié)果表明：采取逆流方式換熱器的效率優(yōu)于順流方式；增加冷熱流體進(jìn)口溫差或流量，板式換熱器的換熱量逐漸增大，換熱效率隨之提高。

板式換熱器；換熱性能；流動方式；溫度；流量

板式換熱器是由一系列互相平行、具有波紋表面的薄金屬板相疊而成，冷、熱流體在板片兩側(cè)各自的狹小通道內(nèi)流動，通過板片進(jìn)行熱交換。具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效率高等特點(diǎn)，應(yīng)用非常廣泛。歐陽新萍等人用雷諾數(shù)法在傳熱性能實(shí)驗(yàn)中對流換熱系數(shù)進(jìn)行了測定[1]。宋繼偉等人應(yīng)用數(shù)值計(jì)算的方法分析了換熱介質(zhì)流道排列方式對板式換熱器性能的影響，得到在相同的工況下，隨著流道數(shù)量的增加，換熱器總的壓力損失呈階梯降低的趨勢；相同流道數(shù)情況下，冷熱介質(zhì)流道的排列形式對換熱器耗散數(shù)影響較大；而相同的流道數(shù)量所對應(yīng)的最小耗散數(shù)隨流道數(shù)量的增加而降低[2]。馬學(xué)虎等人采用實(shí)驗(yàn)的方法分別從板片波紋的傾斜角、間距、高度等三方面對低Re下板式換熱器的傳熱、阻力影響進(jìn)行理論分析[3]。張仲彬等人通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法對比研究了水與空氣組成的兩相流動在板式換熱器中的傳熱和阻力特性，以及不同氣泡尺寸兩相流的傳熱效果[4]。本研究采用實(shí)驗(yàn)的方法探討冷熱流體的流動方式、溫度以及流量的變化對板式換熱器換熱性能的影響。

一 實(shí)驗(yàn)方案與原理

(一)實(shí)驗(yàn)器材和設(shè)備

采用冷水可用閥門換向進(jìn)行順逆流實(shí)驗(yàn)。換熱形式為熱水—冷水換熱式,型號THPYHR-1，實(shí)驗(yàn)中所需的儀器設(shè)備如表1所示：

表1 實(shí)驗(yàn)所用儀器設(shè)備

(二)實(shí)驗(yàn)原理

本次實(shí)驗(yàn)所用到的板式換熱器型號為THPYHR-1，測試中采集數(shù)據(jù)的主要依據(jù)是熱平衡原理——即在熱流體所放出的熱量與冷流體所獲得的熱量基本相等時采集數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)時主要記錄測試的流量、溫度等數(shù)據(jù)。當(dāng)熱平衡相對誤差值小于5%時，認(rèn)為實(shí)驗(yàn)工況達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示。

1.熱水泵 2.熱水泵 3.熱水流量計(jì) 4.冷水箱 5.冷水泵 6.冷水流量計(jì) 7.冷水順逆流換向閥門組 8.列管式換熱器 9.套管式換熱器 10.板式換熱器 11.螺旋板式換熱器

換熱計(jì)算式：

(1)換熱器的傳熱方程為Q=KF△tm

(1)

式中：Q—換熱器整個傳熱面上的熱流量W

K—總傳熱系數(shù)W/(m2℃)

F—總傳熱面積m2

△tm―換熱器的平均溫差℃

(2)熱水和冷水熱交換平衡方程式為

Qheat=Qcold

(2)

即：GhCp,h(th1-th2)=GeCp,e(te1-te1)

(3)

式中：Qheat―熱水放熱量W

Qcold―冷水放熱量W

Gheat―熱水的質(zhì)量流量kg/s

Gcold―冷水的質(zhì)量流量kg/s

Cp,h—熱水的定壓比熱kJ/(kg·℃)

Cp,c―冷水的定壓比熱kJ/(kg·℃)

tk1―熱水的進(jìn)口溫度℃

tk2―熱水的出口溫度 ℃

tc1―冷水的進(jìn)口溫度 ℃

tc2―冷水的出口溫度 ℃

(3)換熱器的平均溫差，不論順流、逆流都可以采用對數(shù)平均溫差的形式

(4)

式中：△tm―換熱器的平均溫差℃

△tmax―冷、熱水在換熱器某一端最大的溫差 ℃

△tmin―冷、熱水在換熱器某一端最小的溫差 ℃

(4)以熱水放熱量為基準(zhǔn)，設(shè)熱水放熱量和冷水吸熱量之和的平均值，則有：

(5)

(5)熱平衡誤差δ(要求5%以下)

(6)

(7)

(7)總傳熱系數(shù)K

(8)

(8)熱、冷流體的質(zhì)量流量Gheat、Gcold是根據(jù)浮子流量計(jì)讀數(shù)轉(zhuǎn)換而來的，可以按照以下公式換算:L/h=0.001m3/h, L/h=2.78×10-4kg/s

二 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

(一)流動方式對換熱性能的影響

將冷熱流體的流量控制在4m3/h，溫控儀溫度在30-60℃區(qū)間，在不同流動方式下，冷熱流體進(jìn)出口溫度變化如圖2、3所示：

圖2 順流時冷熱流體溫度變化

圖3 逆流時冷熱流體溫度變化

由圖2、3可知：順流與逆流時，隨著溫控儀溫度的升高，熱流體的進(jìn)出口溫度與冷流體進(jìn)出口溫度都逐漸升高，即流體的進(jìn)出口溫度與溫控儀溫度成正比；逆流情況下冷流體出口溫度高于熱流體的出口溫度。

在不同流動方式情況下，板式換熱器的對數(shù)平均溫差、傳熱系數(shù)及換熱效率變化情況，如圖4-6所示：

圖4 兩流體的對數(shù)平均溫差

圖5 不同流動方式傳熱系數(shù)變化

圖6 不同流動方式下?lián)Q熱效率變化

由圖4可以得到：隨著溫控儀溫度的增大，流體的對數(shù)平均溫差逐漸增大，并且逆流方式的對數(shù)平均溫差大于順流方式。

由圖5可以得到：隨著溫控儀溫度的增加，傳熱系數(shù)隨溫度的增大而增大，最后趨于平緩，逆流方式傳熱系數(shù)比順流方式高。

由圖6可以得到：兩流體的換熱量逐漸增大，換熱效率逐漸隨溫度升高而增大，并且逆流方式的效率大于順流方式。

(二)冷熱流體溫度變化對傳熱系數(shù)的影響

流量控制在3m3/h，溫控儀溫度在30-60℃區(qū)間，根據(jù)溫度的變化，冷、熱流體換熱量變化以及熱平衡誤差如表2和表3所示：

表2 順流換熱量及熱平衡誤差

續(xù)表：

熱流體換熱量W冷流體換熱量W平均換熱量W熱平衡誤差δ11476.710781.111128.63.1%12172.211824.511998.42.9%13215.61252012867.82.7%13911.113563.313737.22.5%

表3 逆流換熱量及熱平衡誤差

由表2和表3 可知：無論是順流還是逆流方式，隨著溫度的升高，冷熱流體換熱量是逐漸增大的。同時通過比較發(fā)現(xiàn)，逆流時的換熱量比順流時的要大。根據(jù)公式(6)計(jì)算出的熱平衡誤差都是在5%以下，符合實(shí)驗(yàn)要求。

在流量比為1:1情況下，板式換熱器的換熱性能隨溫度變化的關(guān)系如圖7所示：

圖7 不同流溫度下?lián)Q熱效率變化

由圖7可以得到：換熱效率隨溫度的升高而逐漸增大，并且同一溫度下，逆流方式的換熱效率大于逆流方式。

(三)流量變化對換熱性能的影響

將熱流體的溫度控制在45℃，流量控制在4m3/h，冷流體的流量在0.8-8.0m3/h時變化，順逆流兩種流動方式下，熱流體出口溫度變化如圖8所示：

圖8 冷流體流量變化對熱流體出口溫度影響

由圖8可知：在冷流體流量不斷增大的情況下，熱流體出口溫度逐漸降低，熱流體的換熱量增大，因此，增大流體流量，可以提高換熱器的換熱效率。

隨著流體流量增加，換熱器傳熱系數(shù)變化關(guān)系及換熱效率變化，如圖9和圖10所示：

圖9 流量傳熱系數(shù)變化

圖10 不同流量下?lián)Q熱效率變化

由圖9可以得到：隨著流體流量的增加，傳熱系數(shù)隨流量的增大而增大。但是增加趨勢逐漸變小，最后傳熱系數(shù)趨于平緩，逆流的傳熱系數(shù)高于順流方式，但相差不大。

由圖10可知：隨著流體流量的增加，換熱器效率逐漸增大，并且流量相同時，逆流方式的換熱效率高于順流方式。

三 結(jié)論

本文對板式換熱器的換熱性能實(shí)驗(yàn)測試研究，得出的實(shí)驗(yàn)誤差在允許范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)冷熱流體流動方式對板式換熱器的換熱性能影響很大，逆流方式下?lián)Q熱器對數(shù)平均溫差、換熱量以及換熱效率均高于順流方式。

(2)流動方式的改變以及流量的變化對換熱的傳熱系數(shù)有一定影響，但傳熱系數(shù)變化不大。

(3)熱量體流量一定時，隨冷流體流量的增加，熱流體出口溫度逐漸降低，換熱器換熱量不斷增加，換熱效率逐漸提高。

[1]歐陽新萍,陶樂仁.等雷諾數(shù)法在板式換熱器傳熱試驗(yàn)中的應(yīng)用[J].熱能動力工程,1998, 13(2):118-120.

[2]宋繼偉,韓戈,杜婷婷,等.流道排列對多介質(zhì)板式換熱器性能的影響分析[J].化工學(xué)報(bào),2014,65(增刊):258-263.

[3]馬學(xué)虎,林樂,蘭忠.等.低R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):38-44.

[4]張仲彬,劉文生,鄭孔橋,等.兩相流動中氣泡尺寸影響板式換熱器性能的研究[J].化工機(jī)械,2015,42(5):606-610.

(責(zé)任編校：李傳熹)

An Experimental Study on the Thermal Performance of Plate Heat Exchanger

ZHANGBing,LINDao-guang

(School of Energy and Mechanical Engineering, Hunan University of Humanities, Science and Technology, Loudi 417000, China)

The Plate heat exchanger is highly efficient and widely used, and its thermal performance can be influenced by many factors.The authors of this paper have analyzed the influences of the flowing patterns of the cold and hot fluid, the change of the temperature, and the flow rate.The results show that 1)the counter-flow heat exchanger has higher efficiency than the parallel-flow one, 2)with the increasing temperature difference between the cold and hot fluid streams or the increasing flow rate, the plate heat exchanger will increase the amount of heat transfer, thus improving its thermal efficiency.

plate heat exchanger; thermal performance; flowing pattern; flow rate; temperature

2016-03-19.

張兵(1994—)，男，湖南衡陽人，湖南人文科技學(xué)院能源與機(jī)電工程學(xué)院2016屆本科畢業(yè)生；

林道光(1986—)，男，湖南邵陽人，湖南人文科技學(xué)院能源與機(jī)電工程學(xué)院助教，碩士，本文指導(dǎo)老師，研究方向：能源與動力工程。

I207.2

A

1673-0712(2016)05-0122-07