板翅式换热器及FLUENT软件的初步认识

前期报告

1.选题的目的和意义：

板翅式换热器由于其体积小、重量轻、效率高、结构紧凑等优点，在石油化工、航空航天、电子、原子能、机械和空调等领域得到了越来越广泛的应用。波纹翅片作为板翅式热交换器的一种常见翅片类型，研究其传热和流动特性对板翅式热交换器的设计具有指导作用，也对以后的工程计算有很大的帮助作用。

2．传热，流动及防结垢研究

关于传热，流动及防结垢的研究涉及范围宽广的许多问题。其最终目的有二：一是强化传热并尽量减少流动阻力，二是为更精确的设计计算提供理论基础和方法．强化传热同时避免过大的流动阻力的主要途径有两个方面，一方面开发出新的更高效的传热表面，另一方面更合理地选择有关参数和更合理地设计流体分配结构，使流动在流道中得以更均匀地分配。

1．2板翅换热器翅片的类型、特点及应用场合

1．2．1翅片类型

板翅换热器的传热面由平板和翅片表面组成，平板部分的传热面叫一次传热面，由翅片组成的叫二次传热面。二次传热面积占总传热面积的绝大部分，一般达70～90％。

(1)平直翅片：它是最基本的一种翅片，由金属薄片制成的一种最简单的翅片形式。其特点是有很长的带光滑壁的长方形翅片，其传热特性和流体流动特性与流体在长的圆形管道中的传热和流动特性

相似。翅片的主要作用是扩大传热面，而对于促进流体湍动的作用很小，但流道长度对传热效果有明显的影响。．

(2)锯齿形翅片：结构特点是流体的流道被冲制成凹凸不平，其目的是增加流体湍动程度，并破坏传热边界层，从而强化传热过程使传热效率提高。

(3)多孔翅片：它是在平直翅片上冲出许多孔洞而成的．由于翅片上这些孔使传热边界层不断被破坏，不仅能提前向湍流过渡，而且能明显地增强过渡区和湍流区的传热，但在高雷诺数范围会出现噪音和振动．

(4)波纹翅片：肋片纵向里波纹(或人字)状，可使流体的流向不断改变以促进湍流形成，弯曲处边界层可有微小破裂．流体在通道中流动时，由于不断改变流向而产生二次流及边界层分离而使传热效果得以增强。波纹越密，波幅越大，其增强效果也越大。

(5)错位翅片：在沿流体流动方向看是间断的而且是错位排列的。从传热和流动的角度来看，可以认为是由一系列相错排列的短的平直翅片组成的。传热系数高的主要原因是因为流体在流动中，其边界层在一个翅片段上还未及充分发展就被下一个错位的翅片段破坏了．从2整个流道长度来看，可以认为传热和流动都始终处于发展段．

(6)百叶窗式翅片：其特点是翅片上冲有等距离的百叶窗式的栅格，向流道内凸出，其目的是破坏熟边界层，从而强化传热过程．在翅片尺寸相同条件下，栅格愈多传热效果愈好，但阻力亦愈大。1．2．2板翅换热器的优缺点

优点：（1）传热效率高，由于翅片对流体的扰动使边界层不断破裂，因而具有较大的换热系数；同时由于隔板、翅片很薄，具有高导热性，所以使得板翅式换热器可以达到很高的效率。

（2）紧凑，由于板翅式换热器具有扩展的二次表面，使得它的比表面积可达到1000㎡/m3。

（3）轻巧，原因为紧凑且多为铝合金制造，现在钢制，铜制，复合材料等的也已经批量生产。

（4）适应性强，板翅式换热器可适用于：气－气、气－液、液－液、各种流体之间的换热以及发生集态变化的相变换热。通过流道的布置和组合能够适应：逆流、错流、多股流、多程流等不同的换热工况。通过单元间串联、并联、串并联的组合可以满足大型设备的换热需要。工业上可以定型、批量生产以降低成本，通过积木式组合扩大互换性。缺点：(1)制造工艺要求严格，工艺过程复杂。

（2）容易堵塞，不耐腐蚀，清洗检修很困难，故只能用于换热介质干净、无腐蚀、不易结垢、不易沉积、不易堵塞的场合。

1．2．3板翅换热器应用的场合

板翅换热器在工业上的主要用途如下：

(1)空气分离装置中的可逆式换热器，冷凝蒸发器、液化器、液氮和液态空气过冷器，采用铝制板翅式换热器以后，节省了大量的钢及其它低温材料．

（2)在石油化工上，随着生产工艺的不断改进，它在天然气的液化、分离装置以及合成氨工业中逐步地获得应用。

(3)动力机械上板翅式换热器有内燃机车散热器，汽车散热器、挖掘机循环油冷却器和压缩机空冷器、油冷器等。

(4)原子能和国防工业．原子能工业中采用了板翅式氢液化器和氦液化器，这是板翅式换热器在超低温条件下应用的例子。而燃气轮

机回热器所采用的板翅式换热器，则是在较高温度下使用板翅换热器的例子．

1.3波纹翅片传热机理

平直翅片的流道是一个连续流道，气喘热性能和流体流动特性与流体在圆管内的传热与流动特性相似。翅片出了增大传热面积和支撑作用外，对于促进湍流的意义不大。而波纹翅片是将平直翅片压制成一定的波形，当流体流过波形表面的凹面时会形成漩涡。这种涡旋称为Goertler漩涡。当流体流过凹进说我波纹型表面时这些漩涡成反向旋转，产生一种类似螺旋形流动的流型。此外，在下游壁面的图面会形成局部的流体脱离现象。这些现象会使传热得到强化。

1.4板翅换热器的热力计算

板翅换热器属于问壁式换热器，从传热机理来说，它的主要特点是具有扩展的二次传热面，所以传热过程不仅在一次传热面进行而且也同时在二次传热面进行。通过一次表面的换热量用Q1表示，通过二次传热表面的换热量用Q2表示，隔板壁面温度用Tw表示，流体温度为T，翅片的高度为L，通过一次传热面的热量Ql可以用下式表示：Q1=αF1(Tw-T)式中α----壁面与流体间的换热系数；通过二次换热表面的热量为Q2=αF2(Tw-T)式中α----翅片表面与流体间的换

热系数，F2-二次表面换热面积，Tw一翅片表面的平均温度。

换热设备工作时，其传热过程往往是由导热、对流和辐射三种基本传热方式中的两种或三种同时作用的结果，传热学称之为复合传热过程，板翅换热器的工作就是一种典型的复合传热过程．通过提高换热系数α，增大传热面积F1，都可以增大散热量Q。当基板宽度一定时，假定传热温差(Tw-Tf)和换热系数α不变，只有增大传热面积才能增加散热量。增加肋片的数量就可以增加传热面积，但是肋片的数量增加之后，肋间距必然减少，传热系数就会降低．提高翅片的高度也可以增加传热面积，但是增加高度会使翅片顶部的局部换热系数降低，导致平均换热系数降低。此外高度也会影响从翅片基部到端部的温度差，高度越大，温差也越大，导致翅片表面与周围换热介质的平均温度差就随之降低，不利于换热。

翅片越薄，单位长度上翅片的数量就会越多，从而增大换热面积，强化翅片的换热，翅片厚度增加，翅片表面和周围空气的平均换热温度差就会降低，不利于换热．但是，实际应用中翅片的厚度往往受到工艺水平的限制。

1．5研究现状

1．5．1国内研究情况：

一、数值模拟：

国内的数值研究主要集中在三个方面：1．几何参数对传热及阻力的影响；2．雷诺数Re对传热及阻力的影响；3．翅片排列形式对换