板式換熱器的調(diào)研報(bào)告.docx

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板式換熱器的調(diào)研報(bào)告 摘要： 板式換熱器是由一系列互相平衡、具有波紋表面的薄金屬板相疊而成的一種新型高效、緊湊的熱交換器。本文分析了板片形狀、傾角、波距對(duì)傳熱效果的影響。結(jié)果表明：人字形波紋板片的傳熱性能好，承受能力大；波紋傾角通過(guò)改變流動(dòng)狀態(tài)來(lái)影響板片通道的傳熱和阻力特性；雷諾數(shù)相同時(shí)，新型板式換熱器傳熱效果比傳統(tǒng)人字形板式換熱器好。 關(guān)鍵詞：板式換熱器，人字形波紋，凹坑型板片，波紋傾角, 波距P 1、 板式換熱器的研究發(fā)展及現(xiàn)狀 板式換熱器在上個(gè)世紀(jì)開(kāi)始提出。早期的板式換器大都用于食品工工業(yè)，如牛乳，蛋液，啤酒等的加工過(guò)程中。這是由于早期板片的單板面積小，不能組成單臺(tái)面積較大的換熱器。所以只能用于處理物料流量較小的場(chǎng)合。隨著單板面積的增大,能組成單臺(tái)板式換熱器的面積也相應(yīng)增大加上板式換熱器水平的提高現(xiàn)在板式換熱器的使用已遍及食品，輕工，化工，機(jī)械，冶金，船舶，電力，石油，交通，運(yùn)輸，城市供熱及采暖，制冷空調(diào)等各個(gè)行業(yè)。 板式換熱器是由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成的一種高效換熱器。換熱器的各板片之間形成許多小流通斷面的流道，通過(guò)板片進(jìn)行熱量交換,它與常規(guī)的殼管式換熱器相比,在相同的流動(dòng)阻力和泵功率消耗情況下，其傳熱系數(shù)要高出很多。 正是因?yàn)榘迨綋Q熱器的總傳熱系數(shù)高，占地面積小，多種介質(zhì)換熱，對(duì)數(shù)平均溫差大，末端溫差小，使用方便等這些優(yōu)點(diǎn)，使得其在日常生產(chǎn)生活中發(fā)展的越來(lái)越迅速，被應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)。 2、 提高板式換熱器傳熱效果的措施 板式換熱器作為一種高效、緊湊的換熱設(shè)備，正被越來(lái)越多的領(lǐng)域應(yīng)用。我們先研究不同板片對(duì)板式換熱器傳熱性能的影響。 1、對(duì)比人字型和凹坑型板片的流動(dòng)和換熱性能 材料參數(shù)： 人字型波紋板的參數(shù)為:波紋角度為600,波高4mm,波距10mm,流道最窄高度1mm。 凹坑板的參數(shù)為:通道高度H為4mm,凹坑直徑D為25mm,凹坑在板片上均勻分布,產(chǎn)生的壓痕直徑d為13.56mm,深度e為2mm,相鄰兩個(gè)凹坑之間的距離p1和p2分別為7.33mm和4.83mm。 以水為流動(dòng)介質(zhì),其熱物性參數(shù)為黏性系數(shù),密度,導(dǎo)熱系數(shù),比熱容 邊界條件 在數(shù)值模擬過(guò)程中,作如下假設(shè)：流體在通道中處于穩(wěn)定流動(dòng)和換熱狀并且是不可壓縮的牛頓流體；重力加速度方向與流體流動(dòng)方向相同；忽略流體流動(dòng)時(shí)的勃性耗散作用所產(chǎn)生的熱效應(yīng)；流體進(jìn)口速度給定,來(lái)流溫度,出口壓力恒定為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；板片的壁溫293K,通道周邊與外界無(wú)質(zhì)量和熱量的交換。 采用FLUENT6.3對(duì)板片間的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，圖1是人字型波紋和凹坑型板片通道內(nèi)的平均努塞爾數(shù)和阻力系數(shù)f隨雷諾數(shù)的變化情況。隨著雷諾數(shù)的增加(即質(zhì)量流量的增加),努塞爾數(shù)和阻力系數(shù)f分別增加和減小。因此,增加流速的同時(shí),不僅可以提高板式換熱器的換熱能力,同時(shí)可以使得流動(dòng)的阻力系數(shù)不斷減小。為了綜合地比較兩種不同板片換熱和流動(dòng)的綜合性能,圖2給出了它們的綜合傳熱性能因子隨雷諾數(shù)的變化情況.可以看到,在相同的雷諾數(shù)下,雖然人字型板片的換熱效果更好(努塞爾數(shù)更大),但由于流體在其內(nèi)部流動(dòng)時(shí)的阻力更大(f更大),所以凹坑板片的綜合性能更優(yōu)。 圖1 人字和凹坑型板片平均努賽爾數(shù)，阻力系數(shù)f隨雷諾數(shù)的變化 圖2 人字和凹坑型板片綜合傳熱性能因子隨雷諾數(shù)的變化 由于人字形波紋板片具有傳熱性能好、承壓能力大等優(yōu)點(diǎn)，所以現(xiàn)有板式換熱器板片波紋形狀以人字形最多。下面我們研究人字形波紋幾何參數(shù)對(duì)板式換熱器換熱的影響。 2、人字形波紋幾何參數(shù)對(duì)板式換熱器換熱的影響 現(xiàn)有文獻(xiàn)均認(rèn)為人字形波紋與板片軸線的夾角β(也叫波紋傾角)是影響人字形板式換熱器性能的重要幾何參數(shù)，它通過(guò)改變流動(dòng)狀態(tài)來(lái)影響板片通道的傳熱和阻力特性。 利用FLUENT軟件對(duì)人字形板式換熱器內(nèi)板片間的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,研究了人字形波紋板式換熱器內(nèi)流動(dòng)形態(tài)的影響規(guī)律并對(duì)波紋幾何參數(shù)對(duì)流動(dòng)形態(tài)的影響機(jī)理進(jìn)行了分析。 a、波紋傾角β不同時(shí)對(duì)人字形板式換熱器的換熱影響 人字形波紋板片組成的流動(dòng)通道如圖3所示。波紋傾角β的兩塊板片相互倒置后疊放在一起形成周期性變化的流動(dòng)通道，波紋間距P、波高H及波紋傾角β是板片的主要幾何參數(shù)，也是影響板式換熱器流動(dòng)和換熱特性的主要因素。通過(guò)數(shù)值模擬人字形波紋板片間的流場(chǎng)，得到了W.W. Focke和趙鎮(zhèn)南等人的實(shí)驗(yàn)一致的結(jié)果：β=30和β=40時(shí)波紋通道內(nèi)介質(zhì)的流場(chǎng)，流體流動(dòng)明顯呈“兩組十字交叉流”的形式，即流體先在一側(cè)板上沿溝槽流動(dòng)，到板片邊緣時(shí)反射折轉(zhuǎn)到通道另一側(cè)板片的溝槽中向另一邊緣流動(dòng)。 圖3 波紋通道幾何形狀 而β=60和β=70時(shí)波紋通道內(nèi)介質(zhì)的流場(chǎng)，流體的流動(dòng)狀態(tài)已由“兩組十字交叉流”轉(zhuǎn)變成文獻(xiàn)上所謂的“曲折流”,即流動(dòng)折返點(diǎn)已不是板片的邊緣，而是在波紋的每個(gè)接觸點(diǎn)上，流動(dòng)呈連續(xù)的并行小波紋狀。 傾角β對(duì)流動(dòng)形態(tài)的影響可以作如下分析(圖4)：流體在板片間沿主流(即板片軸線方向)流動(dòng)時(shí),其動(dòng)量p作用到傾角β的波紋上,會(huì)被分成沿波紋方向(β= 30時(shí)為A；β= 60為a)和垂直波紋方向(β= 30時(shí)為B；β= 60為b) 的兩個(gè)分量。 圖4 作用在不同傾角波紋上動(dòng)量的分解 波紋方向的動(dòng)量分量用于克服沿著波紋溝槽流動(dòng)的阻力。每股流體在溝槽中 流動(dòng)時(shí)均受到相對(duì)板片上流體作用的切向力。應(yīng)注意,β大于45時(shí), 切向力的一個(gè)分量與主流是反向的?？梢哉J(rèn)為,這是傳熱和阻力均隨傾角增長(zhǎng)的內(nèi)在原因之一。 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以f 及j 與Re 之間關(guān)系: 圖5 波紋流道摩擦因數(shù)測(cè)試結(jié)果 圖6 板片通道的科爾本因子 表1 不同傾角及雷諾數(shù)下阻力系數(shù)和科爾數(shù)計(jì)算結(jié)果 傾角β /() Re=500 Re=1000 Re=5000 f j f j f j 30 0.83 0.044 0.60 0.032 0.38 0.021 45 1.94 0.063 1.58 0.051 1.29 0.028 60 7.30 0.088 6.33 0.071 4.52 0.037 72 20.97 0.107 17.08 0.080 10.61 0.041 從而得出：人字波紋的傾斜角是影響板式換熱器性能最重要的1 個(gè)幾何參數(shù)。它通過(guò)改變流動(dòng)狀態(tài)來(lái)影響板片通道的傳熱與阻力特性。 在雷諾數(shù)跟波紋參數(shù)相同時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖所示： 圖7 恒定雷諾數(shù)下傾角對(duì)阻力系數(shù)和科爾數(shù)影響 分析這組圖可得出結(jié)論：在相同雷諾數(shù)和波紋參數(shù)下, 大傾角板片的傳熱和阻力降均高于小傾角板片，即板片的傾角越大，其傳熱效果越強(qiáng)。但在相同的通道阻力降下, 則無(wú)論大、小傾角, 傳熱速率( 表現(xiàn)為對(duì)流傳熱膜系數(shù)) 都基本相等。 b、波距P變化對(duì)人字形板式換熱器的影響 根據(jù)波紋尺寸比例關(guān)系（即波距P大?。┎煌?，構(gòu)建4 種不同形式波紋板片（由上至下分別對(duì)應(yīng)1#板片，2#板片，3#板片，4#板片），其板片和波紋參數(shù)見(jiàn)表1。 表2 板式換熱器板的幾何尺寸 入口直徑 D/mm 板片寬 L板/mm 橫向角孔中心距L1/mm 縱向角孔中心距L2/mm 板片中部長(zhǎng)度L3/mm 板片厚度b/mm 波紋傾斜角 波距 s/mm 波高 b1/mm 大小波紋比例系數(shù)k 55.4 190 140 640 410 0.6 60 7 3 1:1 55.4 190 140 640 410 0.6 60 21 3 2:1 55.4 190 140 640 410 0.6 60 16.36 3 3:1 55.4 190 140 640 410 0.6 60 14 3 4:1 圖8為努塞爾數(shù)、摩擦阻力系數(shù)及強(qiáng)化傳熱綜合性能指數(shù)隨雷諾數(shù)Re的變化曲線。人字形板片的結(jié)果來(lái)自Muley提出的經(jīng)驗(yàn)公式。從圖8( a) 可以看出，4 種板式換熱器的努塞爾數(shù)在Re =1000 -6000 內(nèi)，比Muley的人字形板式換熱器試驗(yàn)結(jié)果高出約10%-20%。4種板片相比，1#板片的努塞爾數(shù)最大，2#板片最小，3#和4#居中。1#板片由于其波紋法向節(jié)距僅為其他板片的一半或更小，構(gòu)成的流通通道變化頻繁，對(duì)流體的擾動(dòng)更加強(qiáng)烈，因此具有較好的傳熱特性; 2#板片則是因?yàn)槠洳y法向節(jié)距最大，其換熱則相對(duì)較差。但是，4種板片的觸點(diǎn)是普通人字形板式換熱器的4倍，觸點(diǎn)附近形成更多的漩渦增強(qiáng)了換熱，從而比普通人字形板片換熱效果更好。 圖8 努塞爾數(shù)、摩擦阻力系數(shù)及強(qiáng)化傳熱綜合性能指數(shù)隨雷諾數(shù)Re的變化曲線 從圖8(b)可以看出，在Re =1000-6000內(nèi)，2#、3#和4#板片摩擦因子比Muley 的β=60人字形板式換熱器試驗(yàn)結(jié)果低5%-20%；1#板片比Muley的人字形板式換熱器試驗(yàn)結(jié)果高出15%左右。1#板片波距大約是Muley試驗(yàn)板片波距的一半，更小的波距使之具有更好的傳熱效果，但其阻力也非常大；2#、3#和4#板片都是由大小波紋共同構(gòu)成，小波紋的存在有效抑制大漩渦的產(chǎn)生，從而降低了流動(dòng)阻力。 從圖3(c)可以看出，4 種板式換熱器的同功耗換熱強(qiáng)化指數(shù)比Muley的人字形板式換熱器試驗(yàn)結(jié)果高15%-25%。1#板片為小波距的傳統(tǒng)人字形板片，其與Muley試驗(yàn)的強(qiáng)化傳熱綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)相近。而由大小波紋共同組成的2#、3#和4#板片的強(qiáng)化傳熱綜合性能指數(shù)要高出20%以上。此外2#、3#和4#板片相比，3#板片的強(qiáng)化傳熱綜合性能指數(shù)最大，說(shuō)明大小波紋比例為3:1時(shí)，其綜合性能更好。當(dāng)大小波紋比例繼續(xù)增加，小波紋越來(lái)越小，比例系數(shù)無(wú)限大時(shí)，板片再次形成1#板片的形式。 三、結(jié)論 1、隨著雷諾數(shù)的增加,人字形和凹坑型板型的換熱性能均增強(qiáng),與此同時(shí)阻力系數(shù)減小,綜合傳熱性能因子增加。在相同的雷諾數(shù)下,人字型波紋板具有更好 的換熱性能,但由于其流動(dòng)阻力系數(shù)較大,因此從綜合性能來(lái)看,凹坑板更優(yōu)，但由于人字形波紋板片具有傳熱性能好、承壓能力大等優(yōu)點(diǎn)，所以現(xiàn)有板式換熱器板片波紋形狀以人字形最多。 2、波紋傾角變化使流體動(dòng)量沿波紋方向分量的變化是導(dǎo)致人字形波紋板式換熱器內(nèi)流動(dòng)形態(tài)變化的主要原因，從而影響板片通道的傳熱與阻力特性。在相同雷諾數(shù)和波紋參數(shù)下, 大傾角板片的傳熱和阻力降均高于小傾角板片。但在相同的通道阻力降下, 則無(wú)論大、小傾角, 傳熱速率(表現(xiàn)為對(duì)流傳熱膜系數(shù))都基本相等。 3、在相同雷諾數(shù)的條件下,新型板式換熱器傳熱效果要好于傳統(tǒng)的人字形板片結(jié)構(gòu)，阻力也小于傳統(tǒng)人字形板片結(jié)構(gòu)。隨著波紋比例系數(shù)增加4種板式換熱器的綜合性能呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，比例系數(shù)為3∶1的新型板式換熱器綜合性能指標(biāo)最優(yōu)，比其他波紋比例系數(shù)板式換熱器綜合性能高15%-25%. 參考文獻(xiàn) [1] 郭春生，程林，杜文靜.不同波紋比例新型板式換熱器的傳熱、阻力特性及分析.中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào).2012,36(2)：164-167； [2] 吳晶，夏夢(mèng)，葉莉，韓東.板式換熱器強(qiáng)化傳熱數(shù)值研究及熱阻分析.工程熱物理學(xué)報(bào).2012，33（11）：1964-1966； [3] 趙鎮(zhèn)南.板式換熱器人字波紋傾角對(duì)傳熱及阻力性能影響.石油化工設(shè)備，2001，30：1-3； [4] 欒志堅(jiān)，張冠敏，張俊龍，潘繼紅.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.山東大學(xué)學(xué)報(bào).2007,37(2)：35-37； [5] 錢(qián)頌文.換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè).2001；