板式換熱器的應用及其研究進展

摘 要：針對板式換熱器的特點在以往研究的基礎上開發了一種高效微型的板式換熱器，并就其傳熱和流動特性與其他板式換熱器進行了比較，計算結果表明了該換熱器的傳熱效率和壓降阻力較其他板片換熱器的高，即提高傳熱效率是以增大阻力為代價的，不能單純的提高傳熱效率而不滿足允許壓降。

關鍵詞：板式換熱器 波紋傾角 人字形

1板式換熱器的應用及其研究進展

板式換熱器自二十世紀九十年代發現以來到現在主要的性能指標已達到：單板換熱面積在0.05-3.5m2，最高使用壓力為2.5×106Pa，最高溫度260℃，單臺換熱面積最大為3500 m2，下面主要介紹目前波紋形式、換熱和流動特性的發展和最新的研究成果現狀。

1.1傳熱板片形式的研究

傳熱板片是換熱器的核心部件，學者對板片的研究居多，主要從三個方面著手：（1）使流體在低速下發生強烈的湍流，以強化傳熱；（2）提高板片剛度，能承受較高的壓力；（3）使流體在通道內的壓降阻力減小。板片的波紋形式對傳熱及流動阻力有很大的影響，隨著板式換熱器的應用與研究，除了人字形和平直板形的波紋板片又出現了其他不同形式的板片，其中換熱效果和流動阻力改善最明顯的是：酒窩狀板式換熱器和混合波紋板式。

酒窩狀換熱板是由姬長發[7]等人研究設計的一種新型波紋形式。他們利用Flunt軟件對酒窩板、平板及波紋板的換熱及壓降特性進行了數值模擬，對這三種板片在不同流速下的壁面平均換熱系數、換熱量、平均努塞爾數以及摩擦阻力的變化特性進行了對比分析。酒窩板的特殊性強化了流體與板壁間的對流傳熱性能，在相同的基本條件下，通過調整流體入口流速的大小，計算出酒窩板和平板各種參數的變化，得到酒窩板在不同流速下，雖然壓降有所提高但傳熱性能有所加強，從表1的實驗數據即可得到此結論。

另一方面酒窩板在制造工藝上具有加工方便、不易變形、承壓能力強等優點。綜合評價，酒窩板的經濟適用性高于波紋板。

復合型波紋式板片由“兩個方向的波紋按照一定的波紋夾角疊加而成，構成流動主要通道。使流體產生橫向混合作用的波紋稱為橫波；流動主流方向相同的另一波紋稱為縱波。這種波紋形式的板片疊加后仍然有網格狀分布的觸點，由于基本通道的導流使兩流向的流體的交匯減弱，同時流體通道呈波浪流線型，能夠很大程度上減小流動阻力。通過實驗得出：復合波紋型板式換熱器內流場呈周期性的收縮擴張，這使流體速度在方向和數值上都呈現周期性的變化。這種周期性變化有利于流體的相互混合，也相應地能夠減薄熱邊界層厚度，因而達到強化傳熱的作用。同時，流體的混合程度變差，拖拽作用減小，使得換熱器的換熱效率降低、摩擦系數變小[6]。

1.2 傳熱性能的研究

徐志明，郭進生等學者通過搭建實驗臺基于“傳熱-動量”的相似理論擬合出了傳熱系數與雷諾數，壓降損失與雷諾數之間的關系式：

并得出雷諾數對換熱器的換熱性能影響較其他因素較大，雷諾數增大時，總傳熱系數增大，但壓降損失也相應增大。此外實驗還證明了單純的提高流速以增加傳熱量的做法是不經濟的，而適當的提高熱水的進口溫度可以達到較好的效果[8]。

由于板式換熱器的流道曲折以及波紋擾動的作用使得臨界雷諾數降低，徐百平，吳雪等將波紋板片間距拉開一定距離，并在板間布置了擾流件，形成了超低流阻的換熱器，這使得流體進出于板片平行，并加強了傳熱同時也使得板片強度和剛度也增加[9]。

1.3 數值模擬最新研究

通過實驗我們只能定性的得到換熱器的一些性質，以及影響換熱器的因素，不能準確的描述出傳熱和流動過程和因素，同時對于難以用實驗實現的情況，我們只能通過僅有的條件推斷和近似，這對換熱器的研究和開發造成不便。隨著計算機技術的發展，各種計算機軟件的推出，數值模擬為我們解決了這一難題，同時還能得到速度場和溫度場的精確的分布情況，方便我們擬合出各因素之間的關系，為我們設計和優化換熱器提供了可靠的依據。

山東大學的李曉亮描了數值模擬典型的研究現狀：“Ciofal.M.等人利用有限元法對波紋板式換熱器過渡區和弱紊流狀態進行了數值模擬；陰極翔等得出波紋通道間距對板內流動與換熱影響規律；張冠敏等對波紋板片的三個幾何參數波紋角度、波高和波距對波紋板片換熱與阻力特性的影響，得出質量因子j/f隨三個波紋參數的變化規律；金志浩等擬合出了不同雷諾數下流動阻力損失變化曲線與阻力關聯式[12]，等等其他相關的研究和結論都為我們研究和設計板式換熱器提供了可靠的依據和方向。

此外欒志堅等人[4]通過數值模擬描述出了人字形換熱器的傾斜角未達到60°時流體的流動狀態為兩組十字交叉流，即流體先在板片得一側上沿溝槽流動，當到達板的邊緣時就折轉到另一個板片的溝槽中流向另一邊緣，流場如圖1.5：

當傾角達到60°附近時，流體仍主要沿溝槽運動，折返點發生在波紋的觸點上，流動呈連續的并行小波紋狀，兩股交叉流在相反方向的拖拽作用使傾角為60°附近流動形態的根本改變，即形成了曲折流（如圖1.6）。

1.4提高板式換熱器效能的優化設計

優化板式換熱器從兩個方面入手：提高換熱器效率；降低換熱阻力。

（1）提高換熱效率

傳熱基本公式：

從以上基本公式可以看出又可以分為兩大方面【13】：提高換熱器傳熱系數；提高對數平均溫差。

提高換熱器傳熱系數：

a.提高板片的表面傳熱系數 b.減小污垢層熱阻

c.選用熱導率高的板片 d.減小板片厚度

提高對數平均溫差

在相同工況下逆流時換熱器的對數平均溫差最大，順流時平均溫差最小，混合流時居中，為此流程安排時盡可能的采用逆流布置。

（2）降低換熱器阻力

a.采用熱混合板

b.采用非對稱型板式換熱器

c.采用多流程組合

e.設計換熱器旁通道

d.正確的選用換熱器形式

f.合理選用板片材質

2存在的問題

板式換熱器目前存在的問題主要有以下幾個方面：

（l）通過改變波紋形式、結構等其他方式強化傳熱使得傳熱系數、傳熱效率增大的同時流動阻力也增加，這就使得運行費用增加，并且流動阻力增大的倍數甚至比傳熱效率更大，因此傳熱效率與阻力之間的優選以及流量、傳熱系數、壓降三者之間的匹配問題任需要解決。

（2）雖然隨著板式換熱器的研究和發展，其承溫、承壓能力有所提高，被更廣泛的應用到不同的領域，但受其本身條件的限制，承溫承壓能力還是受到限制，因此，耐溫、耐壓并可長期使用的密封墊片尚需進一步開發。

（3）板片形式、結構等的多種多樣，使得不同條件下板片換熱器的設計選型困難，如何選擇才能使得即能滿足換熱要求阻力要求又能高效經濟的運行。

參考文獻

[1].馬學虎，林樂，蘭忠.低Re下板式換熱器性能的實驗研究及熱力學分析[J].熱科學與技術，2007，6（1）：65

[2].史美中，王中錚.《熱交換器原理與設計》.南京.東南大學出版社.2009年5月第四版.

[3] .張冠敏，田茂誠.復合波紋板式換熱器強化傳熱機理及傳熱特性研究.山東大學博士學位論文. 2006.

[4].欒志堅， 張冠敏， 張俊龍. 波紋幾何參數對人字形板式換熱器內流動形態的影響機理[J].山東大學學報（工學版），2007，37（2）：34-37.

作者簡介：

徐大偉（1987-04），男，籍貫：山東省萊陽市，學歷：本科學歷，助理工程師，研究方向：電力工程。