泵控?zé)崂浠旌喜y板式換熱器性能測(cè)試及其主參數(shù)評(píng)價(jià)

王素英， 王 瑾， 李超峰

(1. 鄭州經(jīng)貿(mào)學(xué)院土木建筑學(xué)院，河南 鄭州 451191; 2. 上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093;3. 河南鼎力晟環(huán)?？萍加邢薰荆幽?鄭州 450047)

0 引 言

板式換熱器因具備結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效率高、制作過(guò)程簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，已成為化工領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的一類換熱設(shè)備[1-3]。目前，大多研究工作是針對(duì)板式換熱器流量分配過(guò)程進(jìn)行的，認(rèn)為板式換熱器流道保持同樣的流量[4-6]。隨著截面流速降低或提高時(shí)，靜壓也會(huì)隨之發(fā)生增大或降低的現(xiàn)象，從而在流道間形成不一致的壓力，從而導(dǎo)致板式換熱器流道間形成不均勻的流量狀態(tài)和均勻性更差的溫度場(chǎng)，導(dǎo)致?lián)Q熱面積無(wú)法充分發(fā)揮作用，同時(shí)引起流動(dòng)阻力的明顯增大，造成板式換熱器出現(xiàn)換熱效率下降[7-9]。

Jin等[10]綜合運(yùn)用實(shí)驗(yàn)測(cè)試與數(shù)值仿真分析了框架結(jié)構(gòu)板式換熱器與釬焊型板式換熱器在使用過(guò)程中發(fā)生末端板片翹曲的影響因素，并且隨著板片數(shù)量的越少，上述現(xiàn)象也變得更加明顯，此時(shí)并不能對(duì)其進(jìn)行絕熱處理。經(jīng)對(duì)比可知，逐漸提高流換熱系數(shù)時(shí)，端板翅片效率發(fā)生了降低。Grabenstein等[11]選擇可視化方法測(cè)試了兩相流的相位、流態(tài)、壓力與孔隙率變化情況，針對(duì)凝結(jié)期間處于不同流動(dòng)模式下的壓降構(gòu)建了計(jì)算方程。Kwon等[12]選擇R1233zd(E)作為制冷劑，對(duì)板式換熱器進(jìn)行了冷凝過(guò)程的傳熱壓降測(cè)試，結(jié)果顯示，逐漸提高熱通量以及蒸氣與制冷劑流量時(shí)，獲得了更高的傳熱系數(shù)，但增大飽和壓力時(shí)，傳熱系數(shù)發(fā)生了降低。Attalla等[13]設(shè)計(jì)了一種對(duì)板式換熱器進(jìn)行性能測(cè)試的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，提高換熱表面相對(duì)粗糙度后，換熱效率發(fā)生了顯著提高，同時(shí)達(dá)到了更大的泵功消耗，并且處于高雷諾數(shù)條件下的泵功消耗相對(duì)傳熱速率發(fā)生了更快增長(zhǎng)。Jamid等[14]采用板式換熱器實(shí)現(xiàn)熱脫鹽系統(tǒng)的預(yù)熱過(guò)程，結(jié)果顯示預(yù)熱器性能主要受到人字形波紋傾角的影響。

本文構(gòu)建了板式換熱器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以滿足不同類型的熱混合板式換熱器換熱性能表征，依次測(cè)定了換熱器運(yùn)行過(guò)程的壓力、溫度、壓降以及流量變化。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

按照以下方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試：分別將熱水與冷水通入待測(cè)板式換熱器不同入口，檢測(cè)換熱過(guò)程的介質(zhì)溫度變化，并記錄運(yùn)行階段的物理量變化，計(jì)算得到板式換熱器實(shí)際傳熱效果。需測(cè)試的各項(xiàng)物理性能指標(biāo)包括冷熱水側(cè)流量、進(jìn)出口壓力與溫度，根據(jù)這些物理量指標(biāo)判斷換熱效率[15]。

圖1顯示了板式換熱器的組成結(jié)構(gòu)及各設(shè)備的組裝方式，圖2顯示了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖，將水流方向以箭頭進(jìn)行表示。表1列出了本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備對(duì)應(yīng)的信息。可以看到，整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包含了參數(shù)收集、冷水與熱水循環(huán)及板式換熱器共四個(gè)模塊。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備情況表

圖1 板式換熱器結(jié)構(gòu)圖

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

圖2左邊給出了熱水循環(huán)系統(tǒng)工作過(guò)程的具體原理。換熱過(guò)程結(jié)束后，流體重新進(jìn)入電鍋爐內(nèi)繼續(xù)被加熱達(dá)到更高溫度，由此完成熱水循環(huán)過(guò)程。為電鍋爐與熱水箱間通過(guò)小循環(huán)管路進(jìn)行連接，同時(shí)為期配備了小循環(huán)熱水增壓泵，從而實(shí)現(xiàn)以電鍋爐來(lái)對(duì)水箱進(jìn)行加熱的效果，獲得實(shí)驗(yàn)所需的熱水溫度。利用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制熱水流量，滿足實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的流量要求。

圖2右邊給出了冷水循環(huán)系統(tǒng)的工作原理。蒸發(fā)器內(nèi)的液體冷卻劑跟板式換熱器中經(jīng)過(guò)升溫的冷水完成換熱，完成熱量交換后在此壓力狀態(tài)下轉(zhuǎn)變成氣態(tài)，冷卻劑把吸收的熱量轉(zhuǎn)變成自身的潛熱。氣體冷卻劑在冷凝器中流動(dòng)的時(shí)候跟管外空氣發(fā)生熱交換，引起冷卻劑熱量的持續(xù)降低，從而達(dá)到釋放潛熱的效果。

本實(shí)驗(yàn)采用不同波紋傾角而其他結(jié)構(gòu)參數(shù)一致的波紋板片。各項(xiàng)參數(shù)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)用人字形板片的結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前先對(duì)水箱與管道內(nèi)進(jìn)行換水，確保滿足實(shí)驗(yàn)水質(zhì)的要求，之后在未通電條件下對(duì)系統(tǒng)連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查，確認(rèn)管道沒(méi)有產(chǎn)生滲漏的現(xiàn)象，當(dāng)閥門(mén)開(kāi)關(guān)位置確定正確的情況下，啟動(dòng)電源檢查各設(shè)備與儀表顯示狀態(tài)。通過(guò)設(shè)置熱水與冷水循環(huán)系統(tǒng)的電動(dòng)控制閥使冷水與熱水側(cè)形成相應(yīng)工作流量，從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)測(cè)試工況的控制條件。測(cè)試過(guò)程中當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡狀態(tài)并且獲得穩(wěn)定測(cè)試數(shù)據(jù)再記錄測(cè)試結(jié)果。

2 測(cè)試結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

根據(jù)水-水板式換熱器的換熱效率測(cè)試結(jié)果獲得待測(cè)板式換熱器在實(shí)驗(yàn)流量區(qū)間中的壓力與溫度參數(shù)。對(duì)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)處理后，再分別以總壓降P0、換熱效能η、流量不均系數(shù)i2進(jìn)行單一指標(biāo)評(píng)價(jià),分析以上參數(shù)隨質(zhì)量流量qm的變化。同時(shí)利用單位泵功傳熱量作為綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)板式換熱器性能。

經(jīng)單次測(cè)試總共獲得10個(gè)原始數(shù)據(jù)，依次包括板式換熱器熱流體溫度、壓力、冷流體進(jìn)出口溫度與壓力、熱流體與冷流體體積流量。

2.2 性能評(píng)價(jià)參數(shù)

2.2.1 總壓降分析

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知換熱器總壓降。圖3顯示波紋板式換熱器在不同質(zhì)量流量下總壓降變化。測(cè)試期間，板式換熱器中產(chǎn)生的質(zhì)量流量介于1.6～3.0 kg/s范圍內(nèi)。對(duì)測(cè)試曲線進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，所有板式換熱器都發(fā)生了P0隨qm提高而增大現(xiàn)象。從縱向?qū)用娣治?，?dāng)qm保持恒定時(shí)，當(dāng)板式換熱器波紋傾角發(fā)生變化的過(guò)程中，隨著波紋傾角的增大，P0也隨之提高。與總傳熱系數(shù)變化趨勢(shì)相近，熱混合板式換熱器形成的P0在60°大波紋傾角與30°小波紋傾角之間。受觸點(diǎn)形態(tài)差異的作用，流體會(huì)在觸點(diǎn)影響下發(fā)生擾流現(xiàn)象，這使得靠近觸點(diǎn)的區(qū)域產(chǎn)生更明顯的湍流，顯著提升了觸點(diǎn)部位的換熱器板片換熱效率，這也是造成最大壓力損失的區(qū)域。采用二片同樣外形尺寸的人字形波紋板構(gòu)成的中間流道中，當(dāng)波紋傾角提高時(shí)，將會(huì)形成更多的觸點(diǎn)，采用熱混合組裝方式形成的流道觸點(diǎn)數(shù)介于兩者范圍內(nèi)。在本實(shí)驗(yàn)中，逐漸增大波紋傾角時(shí)，板式換熱器發(fā)生了P0與傳熱系數(shù)都升高的變化趨勢(shì)。

圖3 P0隨qm的變化

2.2.2 換熱效能分析

從圖4中可以看到在不同為不同質(zhì)量流量下對(duì)波紋板式換熱器進(jìn)行測(cè)試得到的換熱效能曲線。根據(jù)圖4可知，當(dāng)qm保持恒定時(shí)，大波紋傾角換熱器達(dá)到了最大效能狀態(tài)，小波紋傾角時(shí)η最低。η是根據(jù)換熱器測(cè)試得到的換熱量和最大理論換熱量相比所得結(jié)果，可以根據(jù)η大小來(lái)判斷換熱器對(duì)溫差的利用率。當(dāng)波紋傾角增大后，獲得了更高的η。當(dāng)冷熱水進(jìn)口溫度保持恒定的條件下，60°換熱器表現(xiàn)出了最高的溫差利用效率。

圖4 η隨qm的變化曲線

對(duì)不同速速下的η進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)，位于測(cè)試區(qū)間內(nèi)的η和流速之間并不是呈現(xiàn)單調(diào)增大或減小的變化趨勢(shì)，而是產(chǎn)生了一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)這些轉(zhuǎn)折點(diǎn)基本都位于靠近2.6 kg/s的位置處。對(duì)轉(zhuǎn)折點(diǎn)進(jìn)行分析可知，其位置通常出現(xiàn)于熱水通道中比冷水通道中的流量更大的條件下。冷熱水發(fā)生交換過(guò)程的熱量一致，當(dāng)熱水通道流量比冷水通道更大時(shí)，便會(huì)引起熱水進(jìn)出口溫差比冷水進(jìn)出口溫差更低結(jié)果。

2.2.3 傳熱量與消耗泵功比值分析

從圖5中可以看到在不同流量下對(duì)應(yīng)的傳熱量Q和消耗泵功N比值。通過(guò)分析曲線數(shù)據(jù)可知，提高qm的過(guò)程中，所有板式換熱器Q/N比值都發(fā)生了減小，由此可以發(fā)現(xiàn)，提高qm后將會(huì)引起同樣泵功下的換熱量減小。當(dāng)qm增大時(shí)，形成了更平緩的曲線，因此可以利用增大qm方式來(lái)獲得更平緩的Q/N值。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果還可以看到，混合型換熱器獲得比其他單一紋傾角更高的Q/N比值。

圖5 Q/N隨qm的變化

2.2.4 流量分布不均勻系數(shù)分析

圖6顯示了對(duì)各個(gè)波紋板式換熱器通入不同質(zhì)量流量的條件下在熱水側(cè)形成的不均勻系數(shù)i2分布，表3給出了i2增幅統(tǒng)計(jì)結(jié)果。根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，隨著波紋傾角的增大，i2速率也更快。增加波紋傾角時(shí)，發(fā)生了i2降低結(jié)果。對(duì)同一板式換熱器進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)qm增加時(shí)，i2也持續(xù)提高。產(chǎn)生原因是受到摩擦系數(shù)影響所導(dǎo)致的。受到較大摩擦阻力作用的情況下，角孔通道中將會(huì)形成更小的壓降，此時(shí)流量分布受到的影響也會(huì)減弱，從而在流道間形成均勻的流量。

表3 i2增幅統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖6 i2隨qm的變化

3 結(jié)束語(yǔ)

1）板式換熱器總壓降隨質(zhì)量流量提高而增大。當(dāng)質(zhì)量流量保持恒定時(shí)，隨著波紋傾角的增大，總壓降也隨之提高。

2）當(dāng)質(zhì)量流量保持恒定時(shí)，大波紋傾角換熱器達(dá)到最大效能狀態(tài)，小波紋傾角換熱效能最低。當(dāng)波紋傾角增大后，獲得了更高換熱效能。60°換熱器表現(xiàn)出了最高溫差利用效率。

3）提高了質(zhì)量流量，板式換熱器Q/N比值都發(fā)生了減小，形成了更平緩曲線?；旌闲蛽Q熱器獲得比其他單一紋傾角更高的Q/N比值。

4）隨著波紋傾角的增大，不均勻系數(shù)速率也更快。當(dāng)質(zhì)量流量增加時(shí)，不均勻系數(shù)也持續(xù)提高。