低雷诺数下板翅式换热器如何实现湍流,及其对性能的影响

板式换热器如何实现在低雷诺数下达到湍流状态，分析其流动和换热性能

田兵兵热能1101班 2011000949

1.板式换热器如何实现在低雷诺数下达到湍流状态？

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新型高效换热器。板片之间布满网状接触点, 流体沿着板间狭小通道流动, 其速度大小方向不断改变,形成强烈的湍流。

2.低Re下板式换热器传热器传热性能试验研究

板式换热器是一种高效、紧凑的换热设备，是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。板片之间布满网状接触点，流体沿着板问狭小通道流动，其速度大小方向不断改变，形成强烈的湍流，从而破坏边界层，减少液膜热阻。因此，它与常规的管壳式换热器相比，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。

板式换热器的传热和阻力性能与板面的波纹形状、尺寸及板面的组合方式都有很大的关系，在1 200≤Re≤4 000时，测定不同流道高度对换热流动阻力的影响，发现Nu随着流道高度的增加而增加，而压力梯度降低，摩擦冈数增大，换热效果降低．得出窄流道换热效果更好的结论。马学虎研究了板式换热器在低如条件下(200≤Re≤1 300)的传热性能及阻力特性，并根据实验数据回归了相应板片传热系数，阻力系数的经验关联式，计算值与实验值有较好的一致性。

通常板式换热器的最佳板问流速是o．3～0．8 m／s，然而对于某些处理量小，压降要求比较严格的工况，流体只能在低流速下运行，而低盈下的传热具有其独特性，因此在低风情况下，研究板式换热器的传热是十分必要的，但目前这方面的研究较少。本文实验测定了板式换热器在较低RP条件下(15

(15

2．1 实验系统

为了测试板式换热器的性能，自行设计了实验台，系统流程图如图l，实验所用介质是水。冷侧水由泵抽送经过流量计后，进入板式换热器；热侧水经流量计后进入换热器与冷侧水进行换热；被冷却的换热器热侧出水返回到冷水箱，而换热器冷侧出水返回到热水箱中。实验中所用测温原件为热电偶。所用板式换热器为上海热赛板式换热器有限公司制造的BRRn02型换热器。其板片厚度

为0．5 mm，板间距为3 mm，板片长为285 mm。宽125 mm，人字角45。，流程组合为2×6／2×6+l，共25片板片。用作对比实验的套管式换热器内径为9 mm，外径为14 mm，管长为1 m，共9根管子。

2.2 实验原理及数据处理方法

由文献E42板式换热器传热准数方程：Nu=CReP， (1)式中，C=0．15～o．4，

m=0．3～o．45，其取值与板面的波纹形状、尺寸及板面的组合方式都有很大

的关系。一般厂家会给出C和7n的具体值，但在低尺P下计算值与实验值有较大的差别。本文通过实验数据回归计算其在低Re下的传热准数关系式。

计算方法如下：

由传热基本方程Q=KF（t1-t2）。，通过测量进出口温度，可以求得实验值K。对于具有冷、热通道几何结构相同的板式换热器，如果冷、热流体的流动雷诺数

范围相同，则分别

用l、2表示热流体和冷流体，由式(1)可得：

总传热系数方程式：

回归传热准数关联式一般常用的方法为等雷诺数法。即假设传热在等雷诺数条件下进行，

Rel=Re2ERe根据式(2、3，、4)可得：

令式(5)等号右边部分为P，然后在等式两边

取对数，整理得：

lnP二lnC+mln(Re) (6)

式(6)是线性方程，有实验数据可以回归出C和m的值，即可确定准数方程。但是通过试验发现，要保持两种参与换热流体的雷诺数相等，需要根据两种流体的温度值确定其物性后调节两种流体的流速，而流速的调节又会引起温度的变化。所以实验工况需要反复调整，操作非常困难。本文采用等流速法：

由Re=ud／v，使传热在等流速下进行，则根据

式(5)可得：

令式(7)等号右边部分为P，然后在等式两边

取对数，整理得：

1nP=lnC+mLn(u) (8)

式(8)是一个线性方程，通过不同流速的一系列工况点的试验获得的数据，按照线性回归方法，可得到式(8)中的C和m的值，注意到P中有个待定的参数m，在回归计算的时候，可以根据经验给定一个初始值。通过回归计算得到参数研的值后，再将其代入P中，再进行回归计算，如此反复，直到前后两次计算的m值接近到给定的精度为止。

2．3实验结果及分析

图2为总传热系数与流速之间的关系曲线，可以看出，在本文所要研究的板问流速(0．02．～O．08m／s)，随着流速的增大，总传热系数在增大。实验回归的方

程式为：

关联式中的C，m的取值和文献[4]有一定的差距，但是与专门研究低雷诺数下板式换热器性能的文献[3]差别不大。图3所示，应用式(9)计算的总传热系数与实验值最大误差小于10％，因此关联式是可信的。可见，在板式换热器进入剧烈湍流的低雷诺数阶段，努塞尔数Nu与雷诺数&关系式的指

数值应大于文献E43的推荐值，这是因为文献[4]常用于剧烈湍流状态，而在湍流加剧的初始阶段，随着雷诺数的增加，＆对Nu的影响急剧上升，m值较大，当达到剧烈湍流后，Nu随Re的变化减小，优值变小。因此，在处理小流量低流速工况时，研究低雷诺数下板式换热器性能是很有必要的。

当15≤RP≤200时，板式换热器内流体处于过渡流阶段，此时传热计算关联式比较复杂，只能通

过板式换热器特性曲线查得。图4为保持热水流速为一定值时，总传热系数随冷水流速变化的规律，此时，15≤RP≤200。可见，随着冷水流速的增加，总传热系数逐渐增加，且增加的梯度也逐渐增大，即随雷诺数增大，湍流作用增强，使得传热性能急剧强化。因此，板式换热器设计首先要考虑的因素是使流体在低速下，发生强烈湍流，强化传热的同时，降低压降。板式换热器的人字形波纹板的交叉相叠，使通道内流体除在垂直方向变化外，在水平方向也不断变化，其形成复杂的二维或者j维流动，除了振动更剧烈，流速增加也更快，大大加强了流体的扰动。Re大于200时就进入湍流状态，流体为湍流时，很容易破坏边界层，大大减少热阻，从而有效地强化传热。如图5所示，在低雷诺数下，套管式换热器处于层流阶段，而板式换热器已达湍流，其总传热系数为套管的3---7倍。从传热效率上来考察板式换热器的性能，由图6传热效率与传热单元数的关系曲线，可以看出，板式换热器的传热效率高于套管式换热器。这主要是因为对于板式换热器，两侧流体完全呈逆流流动，而且流体在板片问流动过程中的返混极小，从而能够最大限度地减少传热过程的温差，减少换热过程的有效能损失，可以有效地提高有效能的利用效率。

三．结论

本文实验测定了板式换热器在较低Re条件下(15