板式换热器的调研报告

1、

板式换热器的研究发展及现状

板式换热器在上个世纪开始提出。早期的板式换器大都用于食品工工业，如牛乳，蛋液，啤酒等的加工过程中。这是由于早期板片的单板面积小，不能组成单台面积较大的换热器。所以只能用于处理物料流量较小的场合。随着单板面积的增大,能组成单台板式换热器的面积也相应增大加上板式换热器水平的提高现在板式换热器的使用已遍及食品，轻工，化工，机械，冶金，船舶，电力，石油，交通，运输，城市供热及采暖，制冷空调等各个行业。

板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种高效换热器。换热器的各板片之间形成许多小流通断面的流道，通过板片进行热量交换,它与常规的壳管式换热器相比,在相同的流动阻力和泵功率消耗情况下，其传热系数要高出很多。

正是因为板式换热器的总传热系数高，占地面积小，多种介质换热，对数平均温差大，末端温差小，使用方便等这些优点，使得其在日常生产生活中发展的越来越迅速，被应用到各个行业。

2、

提高板式换热器传热效果的措施

板式换热器作为一种高效、紧凑的换热设备，正被越来越多的领域应用。我们先研究不同板片对板式换热器传热性能的影响。

1、对比人字型和凹坑型板片的流动和换热性能

材料参数：

人字型波纹板的参数为:波纹角度为600,波高4mm,波距10mm,流道最窄高度1mm。

凹坑板的参数为:通道高度H为4mm,凹坑直径D为25mm,凹坑在板片上均匀分布,产生的压痕直径d为13.56mm,深度e为2mm,相邻两个凹坑之间的距离p1和p2分别为7.33mm和4.83mm。

以水为流动介质,其热物性参数为黏性系数,密度,导热系数,比热容

边界条件

在数值模拟过程中,作如下假设：流体在通道中处于稳定流动和换热状并且是不可压缩的牛顿流体；重力加速度方向与流体流动方向相同；忽略流体流动时的勃性耗散作用所产生的热效应；流体进口速度给定,来流温度,出口压力恒定为一个标准大气压；板片的壁温293K,通道周边与外界无质量和热量的交换。

采用FLUENT6.3对板片间的流场进行了数值模拟，图1是人字型波纹和凹坑型板片通道内的平均努塞尔数和阻力系数f随雷诺数的变化情况。随着雷诺数的增加(即质量流量的增加),努塞尔数和阻力系数f分别增加和减小。因此,增加流速的同时,不仅可以提高板式换热器的换热能力,同时可以使得流动的阻力系数不断减小。为了综合地比较两种不同板片换热和流动的综合性能,图2给出了它们的综合传热性能因子随雷诺数的变化情况.可以看到,在相同的雷诺数下,虽然人字型板片的换热效果更好(努塞尔数更大),但由于流体在其内部流动时的阻力更大(f更大),所以凹坑板片的综合性能更优。

图1

人字和凹坑型板片平均努赛尔数，阻力系数f随雷诺数的变化

图2

人字和凹坑型板片综合传热性能因子随雷诺数的变化

由于人字形波纹板片具有传热性能好、承压能力大等优点，所以现有板式换热器板片波纹形状以人字形最多。下面我们研究人字形波纹几何参数对板式换热器换热的影响。

2、人字形波纹几何参数对板式换热器换热的影响

现有文献均认为人字形波纹与板片轴线的夹角β(也叫波纹倾角)是影响人字形板式换热器性能的重要几何参数，它通过改变流动状态来影响板片通道的传热和阻力特性。

利用FLUENT软件对人字形板式换热器内板片间的流场进行了数值模拟,研究了人字形波纹板式换热器内流动形态的影响规律并对波纹几何参数对流动形态的影响机理进行了分析。

a、波纹倾角β不同时对人字形板式换热器的换热影响

人字形波纹板片组成的流动通道如图3所示。波纹倾角β的两块板片相互倒置后叠放在一起形成周期性变化的流动通道，波纹间距P、波高H及波纹倾角β是板片的主要几何参数，也是影响板式换热器流动和换热特性的主要因素。通过数值模拟人字形波纹板片间的流场，得到了W.W.

Focke和赵镇南等人的实验一致的结果：β=30°和β=40°时波纹通道内介质的流场，流体流动明显呈“两组十字交叉流”的形式，即流体先在一侧板上沿沟槽流动，到板片边缘时反射折转到通道另一侧板片的沟槽中向另一边缘流动。

图3

波纹通道几何形状

而β=60°和β=70°时波纹通道内介质的流场，流体的流动状态已由“两组十字交叉流”转变成文献上所谓的“曲折流”,即流动折返点已不是板片的边缘，而是在波纹的每个接触点上，流动呈连续的并行小波纹状。

倾角β对流动形态的影响可以作如下分析(图4)：流体在板片间沿主流(即板片轴线方向)流动时,其动量p作用到倾角β的波纹上,会被分成沿波纹方向(β=

30°时为A；β=

60°为a)和垂直波纹方向(β=

30°时为B；β=

60°为b)

的两个分量。

图4

作用在不同倾角波纹上动量的分解

波纹方向的动量分量用于克服沿着波纹沟槽流动的阻力。每股流体在沟槽中

流动时均受到相对板片上流体作用的切向力。应注意,β大于45°时,切向力的一个分量与主流是反向的。可以认为,这是传热和阻力均随倾角增长的内在原因之一。

实验数据以f

及j

与Re

之间关系:

图5

波纹流道摩擦因数测试结果

图6

板片通道的科尔本因子

表1

不同倾角及雷诺数下阻力系数和科尔数计算结果

倾角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

从而得出：人字波纹的倾斜角是影响板式换热器性能最重要的1

个几何参数。它通过改变流动状态来影响板片通道的传热与阻力特性。

在雷诺数跟波纹参数相同时，实验数据如图所示：

图7

恒定雷诺数下倾角对阻力系数和科尔数影响

分析这组图可得出结论：在相同雷诺数和波纹参数下,大倾角板片的传热和阻力降均高于小倾角板片，即板片的倾角越大，其传热效果越强。但在相同的通道阻力降下,则无论大、小倾角,传热速率(

表现为对流传热膜系数)

都基本相等。

b、波距P变化对人字形板式换热器的影响

根据波纹尺寸比例关系（即波距P大小）不同，构建4

种不同形式波纹板片（由上至下分别对应1#板片，2#板片，3#板片，4#板片），其板片和波纹参数见表1。

表2

板式换热器板的几何尺寸

入口直径

D/mm

板片宽

L板/mm

横向角孔中心距L1/mm

纵向角孔中心距L2/mm

板片中部长度L3/mm

板片厚度b/mm

波纹倾斜角

波距

s/mm

波高

b1/mm

大小波纹比例系数k

55.4

190

140

***0

410

0.6

60

7

3

1:1

55.4

190

140

***0

410

0.6

60

21

3

2:1

55.4

190

140

***0

410

0.6

60

16.36

3

3:1

55.4

190

140

***0

410

0.6

60

14

3

4:1

图8为努塞尔数、摩擦阻力系数及强化传热综合性能指数随雷诺数Re的变化曲线。人字形板片的结果来自Muley提出的经验公式。从图8(

a)

可以看出，4

种板式换热器的努塞尔数在Re

=1000

-6000

内，比Muley的人字形板式换热器试验结果高出约10%-20%。4种板片相比，1#板片的努塞尔数最大，2#板片最小，3#和4#居中。1#板片由于其波纹法向节距仅为其他板片的一半或更小，构成的流通通道变化频繁，对流体的扰动更加强烈，因此具有较好的传热特性;

2#板片则是因为其波纹法向节距最大，其换热则相对较差。但是，4种板片的触点是普通人字形板式换热器的4倍，触点附近形成更多的漩涡增强了换热，从而比普通人字形板片换热效果更好。

图8

努塞尔数、摩擦阻力系数及强化传热综合性能指数随雷诺数Re的变化曲线

从图8(b)可以看出，在Re

=1000-6000内，2#、3#和4#板片摩擦因子比Muley

的β=60°人字形板式换热器试验结果低5%-20%；1#板片比Muley的人字形板式换热器试验结果高出15%左右。1#板片波距大约是Muley试验板片波距的一半，更小的波距使之具有更好的传热效果，但其阻力也非常大；2#、3#和4#板片都是由大小波纹共同构成，小波纹的存在有效抑制大漩涡的产生，从而降低了流动阻力。

从图3(c)可以看出，4

种板式换热器的同功耗换热强化指数比Muley的人字形板式换热器试验结果高15%-25%。1#板片为小波距的传统人字形板片，其与Muley试验的强化传热综合性能评价指标相近。而由大小波纹共同组成的2#、3#和4#板片的强化传热综合性能指数要高出20%以上。此外2#、3#和4#板片相比，3#板片的强化传热综合性能指数最大，说明大小波纹比例为3:1时，其综合性能更好。当大小波纹比例继续增加，小波纹越来越小，比例系数无限大时，板片再次形成1#板片的形式。

三、结论

1、随着雷诺数的增加,人字形和凹坑型板型的换热性能均增强,与此同时阻力系数减小,综合传热性能因子增加。在相同的雷诺数下,人字型波纹板具有更好

的换热性能,但由于其流动阻力系数较大,因此从综合性能来看,凹坑板更优，但由于人字形波纹板片具有传热性能好、承压能力大等优点，所以现有板式换热器板片波纹形状以人字形最多。

2、波纹倾角变化使流体动量沿波纹方向分量的变化是导致人字形波纹板式换热器内流动形态变化的主要原因，从而影响板片通道的传热与阻力特性。在相同雷诺数和波纹参数下,大倾角板片的传热和阻力降均高于小倾角板片。但在相同的通道阻力降下,则无论大、小倾角,传热速率(表现为对流传热膜系数)都基本相等。

3、在相同雷诺数的条件下,新型板式换热器传热效果要好于传统的人字形板片结构，阻力也小于传统人字形板片结构。随着波纹比例系数增加4种板式换热器的综合性能呈现先增加后减小的趋势，比例系数为3∶1的新型板式换热器综合性能指标最优，比其他波纹比例系数板式换热器综合性能高15%-25%.

参考文献

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