板式换热器如何实现在低Re下达到湍流状态,分析其流动和换热性能

板式换热器如何实现在低Re下达到湍流状态，分析其流动和换热性能

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, 从而破坏界层, 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。

1、马学虎通过实验测定了在R e 范围内，板式换热器A 以及板式

换热器B 的传热特性、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。并且分别从板片的波纹倾斜角、间距、高度等三方面对板式换热器的传热、阻力影响进行理论分析,提出在低R e 下, 从对换热效果的影响程度来看,波纹的间距要大于波纹的倾斜角、波纹高度; 而对压降的影响程度, 波纹间距要小于波纹倾角、波纹高度。实验详

细如下：

一、实验研究

为了测试板式换热器的性能, 自行设计了一个实验台, 流程如图1

所示。实验用介质是水; 冷侧水由泵抽送, 经过流量计测量其流量后, 进板式换热器, 热水以恒定的温度经流量计进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罐中, 而换热器冷侧出

水返回到热水罐中;用温度控制仪和加热器来控制水箱的水温恒定;

测温原件用热电偶。实验是用等速法, 测定冷侧、热侧水的进出口温

度和压力。热电偶的校正精度为± 0. 1 ℃;测量压力是用数字压力表, 校正精度为± 0. 1kPa。通过A gilen t34970 数据采集监控系统对实验装置的稳定性进行实时监测, 系统稳定后进行数据测定和

采集。每个点采集10 个数据, 同一工况下, 重复两次实验取平均值。本实验分别对板式换热器A (GX27 × 49) 和板式换热器B

(B32052225) 在低R e (200～ 1 300)下进行研究。换热器的尺寸参数见表1。

实验数据处理

（1）传热计算

在稳定的操作条件下, 物性是确定的, α2只是m 的单值函数, 用逐步逼近法可求m 和C。

（2）阻力计算

对所获得的实验数据, 分别求出f 和E u, 以及在此条件下的R e, 然后通过回归, 就可以得到阻力系数或欧拉准数的关联式。

二、实验结果

图2、3 分别是总传热系数、压降与板间流速之间关系曲线。可以看出, 在本文所要研究的板间流速(0. 02～ 0. 11 m ös) 内, 随着流速的增大, 总传热系数增大, 在同一流速下,A 的总传热系数要大于B 的, 而且流速越大, 二者的差距越大; 对于压降, 在同一流速下B 的压降要比A 的大20%。说明在此板间流速范围内, 换热器A 的性能要好于换热器B 的。依据实验数据回归得到的传热系数关联式、摩擦

系数关联式为

板式换热器A

N u = 0. 008 9R e1. 085 1P r0. 333 3

E u = 53. 075R e- 0. 361 2

(200 < R e < 1 300)

由图4 可知, 上式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。板式换热器B:

N u = 0. 008 3R e1. 166P r0. 333 3

(200 < R e < 800)

三、分析和讨论

A、B 两种板式换热器在传热及阻力特性存在的差异, 究其原因板片结构的不同是主要影响因素。首先, 二者的波纹倾斜角不同。通常在倾斜角未达到60°时, 流动状态为两组十字交叉流, 即流体先在一侧板上沿沟槽流动, 当到达板的边缘处时, 象被反射似的折转到通道另一个板片的沟槽中流向另一边缘。因此, 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。当B为45°时, 该切向力与流动方向垂直。正是这个力导致了流体沿沟槽的二次漩涡运动, 这一运动形态是PHE 强化传热的基本驱动因素。当B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[3 ]。当波纹倾斜角达到60°附近时, 流体仍主要沿沟槽流动, 但折返点不再出现于板片的左右两侧, 而是发生在波纹的触点。流动呈连续的并行小波纹状, 认为就是两股交叉流动在相反方向上的互相拖曳作用最终导致了在倾角60°附近流动形态的根本改变。其次, 二者的波纹间距、波纹高度不同, 波纹间距越大, 板与板之间的接触点越少, 对流体的扰动作用越小, 从而换热效果下降, 但压降同时也相应减小; 波纹高度越大, 则流道的当量直径越大, 流体的湍流程度越小, 换热效果及压降减小。换热器A 与换热器B 相比在波纹倾斜角小、波纹高度高、波纹间距小的情况下, 传热效果更好, 而压降更低, 从而可以得出在低R e 下, 波纹的间距对换热效果的影响要大于波纹的倾斜角、波纹高度的影响; 而对压降的影响程度, 波纹间距要小于波纹倾角、波纹高度。

2、还有其他一些学者也对板式换热器在低Re下传热与阻力性能进行了探索及实验。Muley在低雷诺数状态下, 对水- 水和水- 蔬菜油介质板式换热器进行了阻力实验,分析了不同波纹倾角板片参数对流阻的影响。Y asa E slamog lu 等人对空气流过水平平直波纹板进行实验, 测试不同流道高度对传热与阻力的影响, 发现努谢尔数随着流道高度的增加而增大,但摩擦系数也会增加, 实验表明小间距流道传热效果好。

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