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(diǎn)，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(dòng)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(dòng)研究仍然停留在實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(dòng)

中圖分類號(hào)：TK172 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(shì)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(gè)致命缺點(diǎn)-流動(dòng)阻力大，這一缺陷嚴(yán)重阻礙了板式換熱器的進(jìn)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(jìn)行熱量交換，與常規(guī)換熱器相比，在相同的流動(dòng)阻力下，其傳熱系數(shù)要高出一倍甚至更多。針對(duì)板式換熱器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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(dòng)特性。

1 板式換熱器的構(gòu)造與應(yīng)用現(xiàn)狀概述

在進(jìn)行數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)研究，促使方程模型的建立更加符合板式換熱器特點(diǎn)。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(dòng)的冷、熱流體，通過換熱面-金屬板片進(jìn)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(yùn)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?yàn)槠渚哂袀鳠嵝矢摺⒊袎耗芰Ω叩葍?yōu)點(diǎn)，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(shì)：（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(cuò)綜復(fù)雜，致使流體在狹窄的板間空間可自由流動(dòng)，壓力損失幾乎全部用作有效流動(dòng)，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(yùn)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(yùn)行成本。（4）造價(jià)低。在熱負(fù)荷相同的情況下，板式換熱器的造價(jià)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他換熱器的造價(jià)成本。（5）污垢系數(shù)低。流體在板式換熱器內(nèi)部流動(dòng)劇烈，導(dǎo)致污物不易沉淀，通道內(nèi)的流動(dòng)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(shí)流動(dòng)阻力也隨之增加，導(dǎo)致運(yùn)行效率降低，增加運(yùn)行成本，可見，傳熱系數(shù)與壓降之間的矛盾尚需進(jìn)一步優(yōu)化解決。在集中供熱領(lǐng)域，板式換熱器的實(shí)際出力與設(shè)計(jì)值常常出現(xiàn)偏差，在長(zhǎng)期使用后，受到污垢的影響，無法達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)所要求的熱水參數(shù)，造成這個(gè)問題的原因與工程設(shè)計(jì)沒有考慮到實(shí)際運(yùn)行環(huán)境有關(guān)，在缺乏充足設(shè)計(jì)資料的條件下，設(shè)計(jì)人員只能根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，從而出現(xiàn)計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)際設(shè)備選型不符的情況。

2 板式換熱器傳熱與流動(dòng)研究成果

2.1 人字形波紋傾斜角度對(duì)換熱器性能的研究成果

最具市場(chǎng)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(duì)板式換熱器性能的研究大多數(shù)都是針對(duì)人字形換熱器開展的。研究人員針對(duì)人字形板式傾斜角度對(duì)換熱器性能進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，W.W.Focke在前人研究的基礎(chǔ)上所開展的實(shí)驗(yàn)研究，數(shù)據(jù)更加權(quán)威，具有極高的引用價(jià)值。W.W.Focke的實(shí)驗(yàn)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(duì)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(dá)到80°時(shí)，其對(duì)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(jià)值有限，Muley為此進(jìn)行了更加深入的研究，通過對(duì)比不同板式換熱器，對(duì)傳熱系數(shù)進(jìn)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(duì)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(duì)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(zhǎng)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(duì)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(diǎn)：（1）受實(shí)驗(yàn)條件的影響，板式換熱器模型過于簡(jiǎn)單，與真實(shí)板式換熱器的復(fù)雜結(jié)構(gòu)存在較大差異，缺乏對(duì)整體流道換熱器模型的考慮，計(jì)算結(jié)果也與實(shí)際換熱器運(yùn)行結(jié)果偏差較大。（2）沒有考慮到換熱器進(jìn)出口段對(duì)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(shí)驗(yàn)研究環(huán)境下的計(jì)算結(jié)果必然與實(shí)際情況存在較大誤差。（4）現(xiàn)有的計(jì)算準(zhǔn)則式通用性較差，只是針對(duì)某種特定板片適用，因此在使用過程中需要進(jìn)行大量的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)[8]。（5）鮮有換熱器優(yōu)化研究是針對(duì)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(yùn)行過程中的不可逆耗散較大，因此需要對(duì)換熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，借助熱力學(xué)第二定律這一科學(xué)定律進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。（6）換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shí)，流動(dòng)阻力也往往隨之增加，因此，需要對(duì)上述三種因素進(jìn)行良好匹配設(shè)計(jì)。

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(dòng)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(jiǎn)化，通過構(gòu)建數(shù)值模型定量描述換熱器板間內(nèi)流動(dòng)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(duì)象進(jìn)行分析，計(jì)算得出其槽道內(nèi)流場(chǎng)、壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)的分布情況，將影響板式換熱器換熱與阻力特性的因素進(jìn)行對(duì)比分析，這也為研究?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的板式換熱器的傳熱與流動(dòng)特性提供了可行性，并可為換熱板片的設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)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(jì)算方法逐漸在物理、工程等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域開展起來，直至20世紀(jì)80年代，計(jì)算機(jī)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(jì)中。數(shù)值模擬即計(jì)算機(jī)模擬，借助電子計(jì)算機(jī)，通過數(shù)值計(jì)算和圖像顯示來解決實(shí)際物理問題。實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)研究近年來取得了極大的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)研究也更加接近實(shí)際，但是對(duì)于較為復(fù)雜的物理運(yùn)動(dòng)，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(chǎng)、壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)，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(shí)驗(yàn)成本，縮短了研究時(shí)間[9]。

流體在換熱器內(nèi)的流動(dòng)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(jìn)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(duì)其幾何特征進(jìn)行數(shù)值模擬難度較大?，F(xiàn)有的建模方法包括：（1）單個(gè)流道模型。這種建模方法基于波紋形式的周期性變化特點(diǎn)，建模方法比較簡(jiǎn)單，計(jì)算量少，適用于波紋幾何參數(shù)對(duì)板式換熱器性能的研究，但是由于模型過度簡(jiǎn)化，不能全面反映整個(gè)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(shí)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(jìn)出口設(shè)計(jì)，可反映流道內(nèi)流體的傳熱情況，同時(shí)也考慮到了入口對(duì)流體分配產(chǎn)生的影響，但是與真實(shí)換熱器相比，由于該模型僅包括一個(gè)中間換熱面，因此實(shí)際上市兩側(cè)非對(duì)稱換熱。隨著數(shù)值軟件和計(jì)算機(jī)硬件的創(chuàng)新發(fā)展，板式換熱器傳熱與流動(dòng)性能研究的建模方法也更加貼近實(shí)際情況，本文所采用的模型為帶有進(jìn)出口的三通道板式換熱器模型。

4.2 研究對(duì)象及網(wǎng)格劃分

文中以人字形板式換熱器為具體研究對(duì)象，分析與換熱、流動(dòng)相關(guān)的三個(gè)影響因素：波紋角度、波高和波距，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)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(zhǎng)：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(zhǎng)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(jì)算結(jié)果分析

4.3.1角度對(duì)傳熱與流動(dòng)的影響

傾斜角度決定著通道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，是決定板片傳熱性能的重要參數(shù)，本文對(duì)30～80°的人字形波紋板片進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，可看到通道內(nèi)流場(chǎng)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(dòng)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(dòng)介質(zhì)分布也更加均勻，換熱效果也趨于良好，但是流動(dòng)損失也隨之增加。

4.3.2波高對(duì)傳熱與流動(dòng)的影響

波高對(duì)流場(chǎng)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(qiáng)，由于板間槽道內(nèi)的空間變大，流動(dòng)阻力也越來越小。

4.3.3波距對(duì)傳熱與流動(dòng)的影響

隨著波距的增加，板間內(nèi)高速流動(dòng)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(chǎng)分布情況來看，波距越小，壓力梯度的變化就越強(qiáng)烈，波距與角度相同，對(duì)壓力場(chǎng)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(dòng)阻力板片結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，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(dòng)的研究情況，并以人字形板式換熱器為研究對(duì)象進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算分析。數(shù)值模擬計(jì)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(duì)象提供了有效研究路徑，對(duì)于換熱器傳熱與流動(dòng)性能來講，波紋傾斜角度、波高、波距等都會(huì)影響其換熱和流動(dòng)特性，這也為開發(fā)新一代板片提供了參考資料，對(duì)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(jì)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(dòng)特性，接下來的研究工作應(yīng)當(dāng)需要通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證其他板型的換熱效率，并對(duì)文中提及之外的其他因素進(jìn)行模擬分析和驗(yàn)證。

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