板式换热器换热与阻力流动性的研究

板式换热器换热与阻力、流动特性的
研究
板式换热器是一种高效、紧凑的换热设备。

与其他换热器相比具有传热系数高、结构紧凑、易拆洗等优点,但也存在流动阻力大、承压能力低等缺点。

寻求换热性能与流动阻力的更加匹配一直是板式换热器优化与改进的主要方向。

但是板式换热器的流道形状复杂,叠放方式多种多样,长期以来,对其研究只停留在实验和经验基础上,缺乏预见性。

近年来对于板式换热器的研究、结构的改进使得板式换热器的应用范围也越来越广泛。

本文基于钎焊式板式换热器,研究板式换热器的换热和压降关联式形式,给出适合制冷系统仿真计算的方法和模型。

首先提出制冷工质物性的快速计算模型。

在板式换热器的换热和压降研究中,主要涉及到的是换热工质饱和线上的物性,本文给出了水、CO2和R22饱和线上物性的具体拟合方法、关联式和拟合结果。

在研究板式换热器的换热和压降过程中,先从单相流在板式换热器流动出发,建立了单相的换热和压降模型。

对于两相流的蒸发和冷凝,分别给出精度较高、满足制冷系统仿真计算的拟合关联式。

也给出制冷剂为R410A的具体拟合结果及误差分析。

对于板式换热器的研究,以及制冷系统仿真计算有一定的指导和参考价值。

采用数值模拟的方法对人字形板式换热器进行了数值模拟研究,并在此基础上提出了一种全新的网流型换热板片-波浪板,使板式换热器的换热特性与流动阻力获得了更好的匹配。

针对传统板式换热器的内部结构特点,采用数值模拟的方法研究板式换热器通道内的换热与流动特性。

通过对三种湍流模型:标准k—ε模型、带旋流修正（Rea）的k-ε模型、RNG k—ε模型,进行数值计算对比,发现RNG k—ε模型对于板式换热器内的复杂流动和换热特点,具有相对较高的准确度。

以上模拟结果与前人所做的实验数据进行了分析对比,验证了模型的可靠性。

在此基础上建立了板式换热器通道内流动和换热的数值计算模型,采用非结构化网格,对β为30°～80°,波高为3mm～6mm及波距为10mm～25mm的人字形板片在不同速度下的换热和阻力特性进行了数值计算,模拟得到了板式换热器槽道内三维的速度场、压力场和温度场,综合分析了波纹角度、波高及波距对换热与流动特性的影响,并对换热板片的参数进行了对比优化。

在进行大量数值计算的基础上,综合所有影响板片换热与流动特性的因素,拟合得到人字形板式换热器的综合准则关系式:Nu=0.21Re0.66Pr1/3（1/de）-0.19（πβ/180）0.05（μf/μw）0.14,Re 在3000～30000范围内,该式与文献中的实验结果相近。

以上工作将对人字形板式换热器的进一步优化和改进提供指导性意义。

基于传统板式换热器存在的阻力损失大的问题,并提出了一种全新的网流型换热板片一波浪板。

通过对β为30°～80°的波浪板进行模拟对比,得到β为30°时候的波浪板片换热效率最好。

并在对计算数据对比和分析的基础上,拟合得到了β=30°、β=40°、β=60°三种波浪形板式换热器的换热准则关系式
目前板式换热器被广泛地应用在采暖、生活热水、空调、化工、石油等领域,随着应用范围的不断扩大,迫切需要对使用油类介质的低雷诺数流动和换热其进行更深入的研究。

我们选取波高3.8mm、波距13.4mm,人字形波纹角度分别为30°、60°(工程上常称为“软”“硬”板片)的混合板式换热器作为实验研究
对象,搭建了板式换热器流动换热性能实验台,进行了水
—水、水—油换热实验。

得出了人字形板式换热器在雷诺数1000＜Re＜10000和30＜Re＜300范围内的换热准则方程式和摩擦系数关系式,换热器的换热因子和摩擦因子以及面积质量因子随雷诺数的变化趋势,并与管壳式换热器进行对比。

为了进一步探索人字形板式换热器在低雷诺数下的换热和阻力特性,本文对波纹角度β=20°～70°,波高H=3mm～6mm,波距L=10mm～25mm范围内的多组几何参数的人字形板式换热器进行了数值模拟,得出了人字形板式换热器的三个波纹参数对换热与阻力特性的影响规律:
(1)相同雷诺数下,换热因子随着波纹角度的增大先增大后减少,在波纹角度60°时达到最大值。

摩擦因子随着波纹角度的增大而增大。

面积质量因子j/f随着波纹角度β的增大而减少;
(2)相同雷诺数下,换热因子和摩擦因子的变化趋势基本一致,均随波距的减少而增大,面积质量因子j/f随着波距的增大而增大;
(3)相同雷诺数下,换热因子和摩擦因子均随波高的增大而增大,但是随着波高的增加,换热因子j增加较快,而摩擦因子f增加较慢,导致面积质量因子j/f 随着波高的增加而增加。

在数值计算的基础上,综合分析了波纹角度、波高以及波距对换热与流动特性的影响,并通过对计算数据的拟合得到了人字形板式换热器在30＜Re＜240范围内的换热准则综合方程式和摩擦系数准则方程式。

场协同理论作为研究对流强化传热机理的新的理论工具,已经被应用于对多种强化换热现象的分析,本文运用场协同理论对人字形板式换热器强化换热规律进行分析,得出了场协同积分余弦值随波纹角度、波高和波距的变化规律:随着波纹角度的增加而先增大后减少,波纹角度60°时达到最大值;随着波高的增加而逐渐增加;随着波距的增大而逐渐的减少。

通过对比,可以发现场协同积分余弦值与换热因子随波高的变化趋势基本一致,场协同理论可用于指导板式换热器的设计改进和对板式换热器的强化换热效果进行评价。

采用数值计算的方法研究一种新型板式换热器—正六边形球面肋板式换热器,并在分析其内部传热和阻力特性的基础上进行优化设计,得到性能最优时的换热器参数。

具体工作如下：首先,比较三种换热器评价标准：JF因子、熵产最小法和火积耗散原理,分析三种评价标准各自的物理意义及其在换热器中的应用情况,发现将JF因子作为基于热力学第一定律的性能评价标准是合适的；在热力学第二定律范畴内,火积耗散原理可以避免熵产最小法在实际应用中出现的矛盾和问题,本文将其推广应用到实际换热器的数值计算中。

综合考虑各种影响因素,建立换热器计算模型,并搭建正六边形球面肋板式换热器水—水换热实验台进行实验验证,实验数据与数值计算结果吻合度较好,表明本文建立的计算模型能够准确预测换热器内部传热和流动情况,得到的数据是真实可信的。

随后我们利用验证模型对正六边形球面肋板式换热器进行了传热和阻力特性研究,得到不同工况下换热器内部流场、温度场、压力场和火积耗散分布情况,探讨了板片结构对换热器性能的影响规律。

发现火积耗散数忽略了阻力性能的影响,不适合单独作为换热器评价标准使用。

并与一种传统人字形板式换热器进行性能比较,证实了正六边形球面肋板式换热器综合性能的优越性。

最后,将球肋弧度和比例因子作为板片结构特征参数进行优化设计,得到了结构参数对换热器传热性能、阻力性能和火积耗散数的影响规律,提出火积耗散原理的优化方向为温度梯度最小,并不适合单独用于换热器新板型优化设计。

因此采用JF因子作为主要优化目标,火积耗散数作为辅助优化目标,得到了最佳板片结构和运行参数。

板式换热器与管壳式换热器相比具有传热系数高、结构紧凑、易拆洗等优点，但也存在流动阻力大、承压能力低等主要缺点。

针对传统人字型波纹板式换热器流动阻力大这一主要缺点，本文提出一种新型换热板片——复合波纹板片。

本文首先选取几何参数为波纹夹角β=45°、横波波距Lh=30mm、横波波高Hh=1.5mm、纵波波距Lz=16mm和纵波波高Hz=1.5mm的复合波纹板片建立与本文实验段几何参数一致的物理模型，采用非结构化网格，分别选用层流和RNGk—ε湍流模型，数值计算得到复合波纹型板式换热器内部的速度场，以及复合波纹型板式换热器在不同Re数范围内的换热准则方程式和摩擦系数关系式。

为验证数值计算结果的正确性，搭建了复合波纹型板式换热器的水—水、水—油换热实验台，进行了水—水、水—油换热实验。

通过对比，发现数值计算结果与实验结果一致性较好，Nu数随Re数的变化趋势基本一致，这说明了用数值计算方法研究复合波纹型板式换热器流动与换热性能的可行性。

为进一步探索复合波纹型板片的换热及阻力性能，对波纹夹角β=15°～75°，横波波高Hh=0.5mm～2.5mm，横波波距Lh=16mm～50mm；纵波波高Hz=0.5mm～2.5mm，纵波波距Lz=8mm～32mm 范围内各个几何参数下的复合波纹型板片进行了数值计算，得出复合波纹几何参数对其性能的影响规律：波纹夹角β增加，换热增强，阻力同样相应增大，但夹角β较小时换热与阻力综合效果更好；横波波高增加在一定程度上有助于提高换热效果，且对摩擦系数影响很小；横波波距对换热影响不大，但横波波距过大或过小都会导致大的摩擦系数；纵波波距的减小在一定程度上可以强化换热，但摩擦系数会增大；纵波波高的变化对换热和摩擦系数都有显著影响。

通过大量的数值计算，发现波纹夹角、纵波波高和纵波波距的改变对换热以及阻力性能均有较大影响。

综合这几个主要影响板片换热与阻力特性的因素，归纳总结出复合波纹型板式换热器的换热准则综合方程式：Nu=0.2597 Re0.6463Rr0.3（0.4）（（Hz）╱（Lz））0.1963（（πβ）╱180）0.1413摩擦系数综合关系式：f=87.546 Re0.3155（（Hz）╱（Lz））1.545e1.1545（（πβ）╱180）以上两式Re数范围为：2000＜Re＜20000。

综合准则关系式的提出能够对复合波纹板的设计提供指导性建议。

板式换热器选型时应注意哪些问题。

1.、板型选择板片型式或波纹式应根据换热场合的实际需要而定。

对流量大允许压降小的情况，应选用阻力小的板型，反之选用阻力大的板型。

根据流体压力和温度的情况，确定选择可拆卸式，还是钎焊式。

确定板型时不宜选择单板面积太小的板片，以免板片数量过多，板间流速偏小，传热系数过低，对较大的换热器更应注意这个问题。

2 、流程和流道的选择流程指板式换热器内一种介质同一流动方向的一组并联流道，而流道指板式换热器内，相邻两板片组成的介质流动通道。

一般情况下，将若干个流道按并联或串联的费那个是连接起来，以形成冷、热介质通道的不同组合。

流程组合形式应根据换热和流体阻力计算，在满足工艺条件要求下确定。

尽量使冷、热水流道内的对流换热系数相等或接近，从而得到最佳的传热效果。

因为在传热表面两侧对流换热系数相等或接近时传热系数获得较大值。

虽然板式换热器各板间流速不等，但在换热和流体阻力计算时，仍以平均流速进行计算。

由于“U”形单流程的接管都固定在压紧板上，拆装方便。

电站阀门
3 、压降校核在板式换热器的设计选型使，一般对压降有一定的要求，所以应对其进行校核。

如果校核压降超过允许压降，需重新进行设计选型计算，直到满足工艺要求为止。

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