板式换热器在制冷系统中的应用和优化设计

f
(
x)
b 2
sin
2 P
x
P 4
b 2
de
4W b
2W b
2b
dh
4 min imum free flow Wetted perimeter
area
2b
Developed area
1
1
1 b 2 4 1 b 2
2
Projected area 6
P
P
8
钎焊板式换热器
钎焊板式换热器简介
冷媒出
冷媒进
14
钎焊板换在水系统中的应用注意事项
‒ 水中颗粒物要求:
微粒要求最大径小于1mm可以通过钎焊板式换热器。如果为纤维状微粒，不管尺寸大小 都是不允许的。水路要求加0.5-1mm的滤网。
‒ 水中PH值和各离子含量要求(ppm):
PH值
SO4-2 总硬度
Cl-
PO43- NH3 自由氯 Fe+++ Mn++ CO2
染严重区域，水中还会参杂进带灰尘和腐蚀性气体的物质。 4. 来自河流和湖泊的地表水：生成水垢的盐的浓度通常相当大，而且它的微生物性会很
高，如果水受到污染，水质将更难以保证。 5. 城市废水：城市废水可能来自钢厂、炼油厂、化工处理工业、生活废水等，在没有经
过处理的情况下，建议不要使用。 6. 盐水和海水：氯离子含量很高，可拆板式换热器必须采用钛材质制作。
corrugated plate heat exchanger for multiple plate configurations. Applied Thermal Engineering. 2010, 30: 1058-1065.
24
数值模型验证- 压降
波纹结构 Value
b = 5.0mm 1 P = 9.0mm
b = 2.2 mm
P = 6.25 mm β = 60°
b = 3.6 mm
P = 13.25mm β = 30°
运行工况 Value
Tinlet = 320 K Twall = 310 K
250~2250 Tinlet = 320 K Twall = 310 K
250~2250
h Q
C p m (Toutlet Tinlet )
• AAO方法步骤
– 建立对象自动模拟方法 (PPCD)
– 建立DOE并进行相应的 计算
– 建立元模型(Meta-model) – 评价元模型精度 – 采用MOGA算法对波纹
结构进行优化计算 – 优化结果的再次验证
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参数化和自动数值仿真方法开发
B1 _ Th ickn ess
B1_ max
B1_ max B1_ min C1
C# codes
Journal file Output
Gambit Fluent
MOGA Fluent solver Gambit generator PHE solver Post processer
Mesh auto generation
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实验设计和抽样
Variables de β P u
β
入口边界条件的设定
ux const.
uy 0
Tinlet const.
I
u' uavg
0.16
Re Dh
1 8
出口边界条件的设定
uz 0 l 0.07 L
poutlet const.
壁面边界条件的设定
ux 0 uy 0 ux 0
Twall const.
LM TD Tinlet Twall Toutlet Twall
蒸发换热
MAX 250Kw - 蒸发器(氟/水) - 经济器(氟/氟)
冷凝换热
MAX 400Kw - 冷凝器(氟/水)
单相换热
- 过冷器(氟/水) - 油冷器(油/水)
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钎焊板换的特性 – 基本流动
流体通过波纹流道内的传热效率很高
− 流道当量直径通常小于5mm； − 人字形波纹导致涡流产生，边界层被打破； − 换热面积增大，面积放大系数通常在1.1 ~ 1.3之间。
κ-ω RSM LES
Type
Standard
RNG Realizable Standard
SST -
Researcher
Ciofalo Kho
Galeazzo -
Jain Tsai Zhang Kanaris
Ciofalo
Re
103~104 -
93~1582 -
400~1300 600~1700 102~6000 500~6000
板式换热器在制冷系统中的 应用和优化设计
目录
1. 板式换热器简介
− 历史 − 原理 − 分类
2. 钎焊板式换热器
− 原理和特性 − 生产和加工 − 应用 − 实验研究
3. 可拆板式换热器
− 结构 − 应用 − 波纹结构优化及CFD
4. 总结
2
板式换热器简介
板式换热器历史 - History
1. 从19世纪开始，板式换热器是随着食品加工行业（特别是奶制品）洁净度的 要求提高而发展和使用起来的；
7
Complex 3D flows with strong swirl or rotation
2 Transient state
No
No Yes
21
Yes
边界条件和网格设定
• 计算网格
– 网格过粗：无法抓住流动特征； – 网格过细：计算速度无法接受。
• 引入无量纲壁面函数 y+
– y u y
– 对于SST κ-ω 模型来说，y+值应为1左右； – y+不属于几何结构的定值，随着求解而改变。
A LMTD
A (Tinlet Twall ) (Toutlet Twall )
LN (Tinlet Twall ) (Toutlet Twall )
Nu h de k
Pr Cp k
实验数据来自Khan等人： (Re: 500 ~ 2500，Pr: 3.5 ~ 6.5)
Ref：Khan, T. S., Khan, M. S., Chyu, M. C., Ayub, Z. H. Experimental investigation of single phase convective heat transfer coefficient in a
f pinlet poutlet de
2 L G2
Ref： Muley, A., Manglik, R. M. Experimental study of turbulent flow heat transfer and pressure drop in a plate heat exchanger with
板换
~ 10000 是 不
~ 1℃ 一个方向
小 否 易 短 板片可换 增加/减少板片
壳管
~ 5000 否 会
~ 5℃ 多个方向
大 是 难 长 难 无法更换
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板式换热器分类 - Category
7
板式换热器波纹结构
(a) Washboard
(b) Herringbone
(c) Chevron
(d) Protrutions
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钎焊板换的选型
换热器的选型通常采用选型软件进行
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钎焊板换 – 关联式和实验
蒸发冷凝两器实验台 最大换热量75kW
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可拆板式换热器
可拆板式换热器结构
19
可拆板换的应用
Parameter 最大压力 最大温度 最大面积 最大接管
value 2.5MPa 250℃ 4.8 ㎡ 500 mm
β = 60° b = 5.0mm 2 P = 9.0mm β = 30°
运行工况 Value
Tinlet = 320 K Twall = 310 K
250~2250 Tinlet = 320 K Twall = 310 K
250~2250
数值模型 V.S. 实验数据
数值模型 V.S. 关联式
(实验数据来自Muley等人：Re: 600 ~10000，Pr: 2 ~ 6)
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网格独立性和无量纲壁面函数
HTC随网格数目的变化趋势图
量纲壁面函数y+随坐标的变化
• 当工况和结构确定后，HTC随着网格的增加而增大，最后趋于稳定； • y+值集中在1左右，最大值在5左右，即壁面处的网格厚度处于粘性底层，满足湍流模型
要求。
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数值模型验证- 换热
Case 1 Case 2
波纹结构 Value
H2S
6.5-9.0 <100 4.5-8.5 <100 <2.0 <0.5 <0.5 <0.5 <0.05 <10
<50
‒ 各种水源的使用建议
1. 城市生活水：水质和水温较好。可以直接通入钎焊换热器中使用。 2. 井水：水温较稳定，比较干净，但是生成水垢的含盐浓度有时会很高，且沿海地区井
水氯离子浓度也会偏高，会对不锈钢有腐蚀。 3. 冷却塔水：水温受环境影响较大，由于水的挥发含盐量会远高于补水源，如果处于污
LN
Tinlet Twall Toutlet Twall
周期性边界条件的设定
ux (x, y, z) ux (x, y, z w) uy (x, y, z) uy (x, y, z w) uz (x, y, z) uz (x, y, z w) p(x, y, z) p(x, y, z w)
钎焊板式换热器：钎焊板式换热器主要分为铜钎焊板换和镍钎焊板换；板片主要 是不锈钢材质，316L或者304。设计压力3.0~4.5MPa，设计温度-160~220℃。
接管
后端板
正板片
反板片
正板片
接管
外观
前端板
内部结构
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钎焊板式换热器的制造
换热器设计
模具加工
板片压制
真空钎焊
氦检漏
11
钎焊板换的应用
45o
B1_ max
C2
Bmax 1 Bgrow
1
B BN grow
B1_ min
C2
Bmin 1 Bgrow
1
B BN grow
Bmax
1 4
b
Sin
2
r
4
b 4
Bmin
1 4
b
Sin
2
r
4
b 4
Tan min 180
Input parameters: b, λ, β, m
λ
b
Lower limit 3.0 mm 20 5.0 mm 0.05 m/s
Upper limit
6.0 mm
70
38.0 mm
0.8 m/s
28
chevron plates. Journal of Heat Transfer. 1999, 121(1):110-11
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波纹型流道结构优化设计方法的开发
优化目标：
M aximize : M inimize: Subject to :
HTC DP/L HTC 5000 W/m 2 K 1 kPa/m DP/L 100 kPa/m
5. 国外知名的板换生产厂家：Alfa Laval、SWEP、APV、GEA等；国内接触板换的 时间较晚，但发展很快。
4
板式换热器原理 - Principle
一句话概括：冷热流体在间隔的板片间流动换热。
冷热流体在板 片间交替流动
前端板
后端板
板片
5
板式换热器的优点 - Advantage
换热系数 纯逆流 温度交叉 末端温差 接管位置 滞液量 对振动敏感 检漏 装配时间 修理 变工况
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波纹型流道内单相湍流流动的数值模型
质量守恒方程： u 0
动量守恒方程：
uu
p
u
uT
2 3u能量守恒方程：u hu2 2
kT
模型假设：
– 稳态，3-D，单相流动； – 流体为水，壁面温度恒定； – 计算区域为换热器板中心； – 雷诺数范围： 101 ~ 104
Model
κ-ε
103~104
Eq.
Apply Situation
NO.
Time consuming
2 Initial iterations
2
1. Rapidly strained flow 2. Swirling flow
2 Planar and rounded jets
2 Low-Re flows
2
1. Wall bounded flow 2. Transitional flow
Corrugation
Contact area
基本流动单元
小角度波纹内流体的流动
大角度波纹内流体的流动 13
钎焊板换特性 – 两相分配
两相工况下存在入口流体分配不均匀的情况
− 换热能力下降，蒸发不完全； − 造成冰冻，损坏换热器； − 蒸发器通常需要增加分配器，提高分配性能； − 目前分配器的主要形式是增大压降提高分配效果。
2. 最早的板换结构由德国人Albrecht Dracke于1878年提出，当时由他最早提出热 冷流体在间隔板片间流动换热的概念；
3. 真正商业意义上的板换使用最早是在1923年，由Richard Seligman博士发明， 被应用于牛奶加工上，称之为Pasteurizer（巴氏杀菌机）；
4. 从1930年开始，板式换热器拓展到其他行业；上个世纪70年代，各式各样的 板型被发明出来，为了就是提高换热器的换热效率；