王延兵

摘 要：板式換熱器是一種緊湊高效的換熱設(shè)備，與其他換熱器相比，具有傳熱系數(shù)高、易拆洗、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，但是使用過程中也存在承壓能力低等問題，因此，板式換熱器的優(yōu)化關(guān)鍵在于尋找更加匹配的流動阻力。由于板式換熱器的流道形式比較復(fù)雜，還沒有一種值得推廣的研究成果，板式換熱器的傳熱與流動研究仍然停留在實驗層次上，預(yù)見性較差，為降低板式換熱器的優(yōu)化研究難度，該文采用數(shù)值模擬方法分析板式換熱器的傳熱與流動特性，發(fā)現(xiàn)這種研究方法能夠大幅度降低研究成本，有助于盡快開發(fā)出更加高效的板式換熱器。

關(guān)鍵詞：板式換熱器 人字形板片 數(shù)值模擬 傳熱 流動

中圖分類號：TK172 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（c）-0094-02

板式換熱器是一種高效、緊湊的換熱設(shè)備，與其他換熱器相比具有較高的傳熱系數(shù)，由于板式換熱器自身所具備的諸多優(yōu)勢加之優(yōu)良的傳熱性能，使其在化工、空調(diào)、生活熱水、采暖等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但其存在一個致命缺點-流動阻力大，這一缺陷嚴(yán)重阻礙了板式換熱器的進一步推廣應(yīng)用。板式換熱器各板片之間有許多流道，通過板片進行熱量交換，與常規(guī)換熱器相比，在相同的流動阻力下，其傳熱系數(shù)要高出一倍甚至更多。針對板式換熱器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點，可以采用數(shù)值模擬分析方法研究其換熱器通道內(nèi)的換熱與流動特性。

1 板式換熱器的構(gòu)造與應(yīng)用現(xiàn)狀概述

在進行數(shù)值模擬實驗分析之前，需要了解板式換熱器的構(gòu)造與工作原理，便于實驗研究，促使方程模型的建立更加符合板式換熱器特點。板式換熱器由互相平行的薄金屬板組成，金屬板表面為波紋表面，流道內(nèi)有各自流動的冷、熱流體，通過換熱面-金屬板片進行換熱[1]。板式換熱器的主要結(jié)構(gòu)為金屬板片，此外還有壓緊裝置、密封墊圈等附屬構(gòu)件，其中，密封墊圈的作用是防止流體之間的內(nèi)漏，其在運行過程中需承受溫度和壓力，常常受到工作流體的侵蝕，因此，密封墊圈的性能直接決定著板式換熱器的承溫承壓能力和使用壽命。金屬波紋板片是板式換熱器的主要換熱元件，按照表面波紋形狀不同，可以分為人字形波紋、水平波紋、斜波紋等金屬板片，當(dāng)下應(yīng)用最廣泛的金屬板片是人字形波紋板片。傳熱效率、承壓能力、流體阻力是衡量波紋板片性能的主要參考指標(biāo)，人字形波紋板片之所以得到廣泛應(yīng)用，是因為其具有傳熱效率高、承壓能力高等優(yōu)點，這與其金屬板間流道截面結(jié)構(gòu)有關(guān)，總之，人字形波紋板片是當(dāng)前板片中性能最好的一種。

與其他換熱器相比，板式換熱器主要存在以下優(yōu)勢：（1）結(jié)構(gòu)緊湊。在傳熱面積相同的條件下，板式換熱器所需空間最小，單位體積內(nèi)的換熱面積是管殼式換熱器的3～5倍[2]。（2）傳熱效果好。由于板式換熱器的流體通道形式錯綜復(fù)雜，致使流體在狹窄的板間空間可自由流動，壓力損失幾乎全部用作有效流動，使得板式換熱器的傳熱效果較好，傳熱系數(shù)是管殼式換熱器的2～4倍。（3）運行成本低。由于板式換熱器的傳熱效率更高，因此介質(zhì)流量較少，可減少泵功的損失，從而降低運行成本。（4）造價低。在熱負荷相同的情況下，板式換熱器的造價要遠遠低于其他換熱器的造價成本。（5）污垢系數(shù)低。流體在板式換熱器內(nèi)部流動劇烈，導(dǎo)致污物不易沉淀，通道內(nèi)的流動死區(qū)少，加之換熱器面光滑，附著物較少，因此，板式換熱器的污垢系數(shù)更低[3-4]。正是由于其污垢系數(shù)低，不易產(chǎn)生污物，因此清洗起來更加方便，只需拆卸換熱器的螺栓即可。

板式換熱器在應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題集中在傳熱系數(shù)與壓降方面。增加傳熱系數(shù)可提升傳熱效果，但同時流動阻力也隨之增加，導(dǎo)致運行效率降低，增加運行成本，可見，傳熱系數(shù)與壓降之間的矛盾尚需進一步優(yōu)化解決。在集中供熱領(lǐng)域，板式換熱器的實際出力與設(shè)計值常常出現(xiàn)偏差，在長期使用后，受到污垢的影響，無法達到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)所要求的熱水參數(shù)，造成這個問題的原因與工程設(shè)計沒有考慮到實際運行環(huán)境有關(guān)，在缺乏充足設(shè)計資料的條件下，設(shè)計人員只能根據(jù)實驗條件進行設(shè)計研究，從而出現(xiàn)計算數(shù)據(jù)與實際設(shè)備選型不符的情況。

2 板式換熱器傳熱與流動研究成果

2.1 人字形波紋傾斜角度對換熱器性能的研究成果

最具市場前景和應(yīng)用最廣泛的一種板式換熱器是人字形板式換熱器，因此，針對板式換熱器性能的研究大多數(shù)都是針對人字形換熱器開展的。研究人員針對人字形板式傾斜角度對換熱器性能進行了大量的實驗研究，W.W.Focke在前人研究的基礎(chǔ)上所開展的實驗研究，數(shù)據(jù)更加權(quán)威，具有極高的引用價值。W.W.Focke的實驗以不同波紋傾斜角度展開，采用類比關(guān)系估算法研究換熱器內(nèi)流態(tài)變化對傳熱過程的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著傾斜角度的增加，摩擦系數(shù)和傳熱系數(shù)均增加，當(dāng)傾斜角度達到80°時，其對摩擦系數(shù)和傳熱系數(shù)的影響就開始減弱[5]。之后的研究學(xué)者在W.W.Focke研究成果的基礎(chǔ)上總結(jié)了人字形板式換熱器的傳熱和阻力關(guān)聯(lián)式。但是由于換熱器結(jié)構(gòu)不同，因此關(guān)聯(lián)式的使用價值有限，Muley為此進行了更加深入的研究，通過對比不同板式換熱器，對傳熱系數(shù)進行了更正，并將波紋傾斜角度加入其中。

2.2 其他幾何參數(shù)對換熱器性能影響的研究成果

關(guān)于板形其他幾何參數(shù)對換熱器性能的研究集中在波高、波距方面。最初的研究是基于水平波紋板流道高度展開的，研究發(fā)現(xiàn)隨著流道高度的增加，換熱器摩擦系數(shù)迅速變大，但整體傳熱性能下降。Dovic在研究中第一次將板片波紋高度與長度之比作為幾何參數(shù)變量引入其中。有些學(xué)者在板片內(nèi)部插入優(yōu)化板片，以此來提高流體湍流度，增加換熱效率，并分別研究橫向距離、縱向距離及錐形角度對傳熱的影響[6-7]。

3 現(xiàn)有研究缺陷與本論研究目的

當(dāng)前有關(guān)板式換熱器研究的缺陷集中在以下幾點：（1）受實驗條件的影響，板式換熱器模型過于簡單，與真實板式換熱器的復(fù)雜結(jié)構(gòu)存在較大差異，缺乏對整體流道換熱器模型的考慮，計算結(jié)果也與實際換熱器運行結(jié)果偏差較大。（2）沒有考慮到換熱器進出口段對傳熱性能的影響。（3）沒有綜合考慮板式換熱器冷、熱流體及換熱器面，恒熱流實驗研究環(huán)境下的計算結(jié)果必然與實際情況存在較大誤差。（4）現(xiàn)有的計算準(zhǔn)則式通用性較差，只是針對某種特定板片適用，因此在使用過程中需要進行大量的計算和實驗[8]。（5）鮮有換熱器優(yōu)化研究是針對熱力學(xué)第二定律展開的，換熱器作為一種換熱元件，其在運行過程中的不可逆耗散較大，因此需要對換熱器進行優(yōu)化設(shè)計，借助熱力學(xué)第二定律這一科學(xué)定律進行優(yōu)化設(shè)計。（6）換熱器的優(yōu)化設(shè)計工作沒有考慮到換熱、阻力、介質(zhì)流量三者之間的關(guān)系，當(dāng)前所用板式換熱器在傳熱系數(shù)增加的同時，流動阻力也往往隨之增加，因此，需要對上述三種因素進行良好匹配設(shè)計。

影響板式換熱器傳熱效果的因素眾多，包括波紋角度、波高、波距等，這些因素都直接或間接影響著板片換熱與流動阻力大小，因此，在尋求最佳換熱阻力匹配的前提就是確定三者之間的相互關(guān)系。由于波紋板式換熱器的流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，方式多樣，本次研究的首要任務(wù)就是將問題簡化，通過構(gòu)建數(shù)值模型定量描述換熱器板間內(nèi)流動與換熱特性。這一過程需要借助數(shù)值模擬軟件，并以板式換熱器中應(yīng)用最廣泛的一種板片為研究對象進行分析，計算得出其槽道內(nèi)流場、壓力場、溫度場的分布情況，將影響板式換熱器換熱與阻力特性的因素進行對比分析，這也為研究內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的板式換熱器的傳熱與流動特性提供了可行性，并可為換熱板片的設(shè)計優(yōu)化和新品開發(fā)提供參考資料。

4 人字形板式換熱器數(shù)值模擬研究

4.1 數(shù)值模擬理論基礎(chǔ)及建模方法

隨著20世紀(jì)40年代計算機技術(shù)的出現(xiàn)，以及差分法和有限體積法理論的提出，數(shù)值模擬這種計算方法逐漸在物理、工程等多個學(xué)科領(lǐng)域開展起來，直至20世紀(jì)80年代，計算機硬件和各種商業(yè)軟件的迅猛發(fā)展，使得CFX、PHONENIX等軟件廣泛應(yīng)用于板式換熱器的性能研究與優(yōu)化設(shè)計中。數(shù)值模擬即計算機模擬，借助電子計算機，通過數(shù)值計算和圖像顯示來解決實際物理問題。實驗流體力學(xué)研究近年來取得了極大的發(fā)展，實驗研究也更加接近實際，但是對于較為復(fù)雜的物理運動，如本文所述板式換熱器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)尤其復(fù)雜，要想獲得清晰直觀的流場、壓力場、溫度場，難度可想而知。數(shù)值模擬研究手段的出現(xiàn)大大降低了實驗成本，縮短了研究時間[9]。

流體在換熱器內(nèi)的流動與傳熱形式比較復(fù)雜，變量較多，方程也存在相互耦合問題，這就需要進行數(shù)值離散，迭代求解，當(dāng)前常用的方法有有限差分法、有限體積法等。由于板式換熱器的流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這就使得在不做任何假設(shè)的條件下對其幾何特征進行數(shù)值模擬難度較大。現(xiàn)有的建模方法包括：（1）單個流道模型。這種建模方法基于波紋形式的周期性變化特點，建模方法比較簡單，計算量少，適用于波紋幾何參數(shù)對板式換熱器性能的研究，但是由于模型過度簡化，不能全面反映整個換熱器的性能，也沒有考慮到流體分配不均的情況。（2）兩或三流道模型。這種建模方法考慮了多種流體間的耦合換熱問題，可更加準(zhǔn)確的反映流體在通道內(nèi)的傳熱效果，但實際流體并非周期性變化。（3）完整雙流道模型。完整雙流道模型帶有進出口設(shè)計，可反映流道內(nèi)流體的傳熱情況，同時也考慮到了入口對流體分配產(chǎn)生的影響，但是與真實換熱器相比，由于該模型僅包括一個中間換熱面，因此實際上市兩側(cè)非對稱換熱。隨著數(shù)值軟件和計算機硬件的創(chuàng)新發(fā)展，板式換熱器傳熱與流動性能研究的建模方法也更加貼近實際情況，本文所采用的模型為帶有進出口的三通道板式換熱器模型。

4.2 研究對象及網(wǎng)格劃分

文中以人字形板式換熱器為具體研究對象，分析與換熱、流動相關(guān)的三個影響因素：波紋角度、波高和波距，并在此基礎(chǔ)上進行數(shù)值模擬研究。本次研究截取的人字形板式換熱器板片參數(shù)為：長：50 mm，寬：110 mm，波紋角度（β）：30°～80°，波高（h）：3～6 mm，波距（l）：10～25 mm。不同波紋角度的板片參數(shù)見表1。

模型內(nèi)部網(wǎng)格步長為1 mm，網(wǎng)格數(shù)超過10萬，網(wǎng)格密度可以滿足模擬精度要求。

4.3 數(shù)值計算結(jié)果分析

4.3.1角度對傳熱與流動的影響

傾斜角度決定著通道內(nèi)的流動狀態(tài)，是決定板片傳熱性能的重要參數(shù)，本文對30～80°的人字形波紋板片進行了數(shù)值模擬研究，可看到通道內(nèi)流場分布情況。板間內(nèi)溫度分布與介質(zhì)流速有關(guān)，流速較高的地方吸熱也更加充分，流動介質(zhì)分布越均勻的地方，其換熱效果也更好，隨著β數(shù)值的增大，流動介質(zhì)分布也更加均勻，換熱效果也趨于良好，但是流動損失也隨之增加。

4.3.2波高對傳熱與流動的影響

波高對流場的影響并不大，但是板間內(nèi)介質(zhì)的分布隨波高的增加逐漸變得更加均勻，死區(qū)面積也越來越少，波高增加，換熱效果增強，由于板間槽道內(nèi)的空間變大，流動阻力也越來越小。

4.3.3波距對傳熱與流動的影響

隨著波距的增加，板間內(nèi)高速流動介質(zhì)的分布也就更多，擾流程度越高，換熱效果就越好。從流道內(nèi)壓力場分布情況來看，波距越小，壓力梯度的變化就越強烈，波距與角度相同，對壓力場的影響要明顯高于波高。

通過上面的結(jié)果分析可以得出結(jié)論：選擇傳熱與流動阻力板片結(jié)構(gòu)參數(shù)時，需綜合考慮角度、波高、波距的影響作用。

5 結(jié)語

該文主要闡述了板式換熱器傳熱與流動的研究情況，并以人字形板式換熱器為研究對象進行數(shù)值模擬計算分析。數(shù)值模擬計算方法為板式換熱器這種內(nèi)部結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜的研究對象提供了有效研究路徑，對于換熱器傳熱與流動性能來講，波紋傾斜角度、波高、波距等都會影響其換熱和流動特性，這也為開發(fā)新一代板片提供了參考資料，對于一種全新的換熱板片來講，除了需在波紋傾斜角度、波高、波距方面深入計算之外，還要綜合其他因素模擬分析新板片的定型及換熱、流動特性，接下來的研究工作應(yīng)當(dāng)需要通過實驗進一步驗證其他板型的換熱效率，并對文中提及之外的其他因素進行模擬分析和驗證。

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