新型高效点波板式冷凝器性能研究

魏文建，张志锋，马文勇

（丹佛斯换热器中国研发中心，浙江嘉兴 314300）

新型高效点波板式冷凝器性能研究

魏文建*，张志锋，马文勇

（丹佛斯换热器中国研发中心，浙江嘉兴 314300）

本文对新型点波形和人字波形的板式换热器单相水的流动换热特性以及制冷剂的冷凝换热性能进行了对比实验研究。新型点波板特殊的流道和换热单元设计使得在同样的压力损失下得到更高的传热系数。对于文中给定的点波板和人字波板结构，单相水的流动换热特性表明，同样的压降下前者比后者换热系数高10%以上。两种板用作冷凝器时，在同样能力下，前者冷凝温度较后者低约0.3 ℃以上。同时，点波纹板相较人字波板有更大的设计灵活性可以更好地满足用户特性条件的定制化需求。

冷凝器；板式换热器；点波；人字波；换热；压降

0 引言

板式换热器凭借其高效的换热性能，以及结构紧凑、易安装等优点，被广泛应用于热泵及制冷空调领域。节能环保高效是对制冷空调和热泵机组的持续要求。板式换热器作为制冷空调和热泵机组的关键部件之一，行业也对其换热性能及阻力损失提出了越来越高的技术要求。对于提高钎焊式板式换热器的性能的研究，最常用的思路是通过改变板片的结构形态，以增大换热系数、减小流动阻力、增大有效传热面积，从而实现增强换热器性能的目标[1-6]。本文介绍了一种丹佛斯近年来设计开发的一种新型点波板片结构的换热器：MPHETM[7]。基于该技术的多种型号的产品也已逐步投放全球市场，正越来越受到更多用户的青睐。

点波板片特殊的结构设计，有效焊点远多于人字波板，从而使其可靠性和强度更好；在同样的设计强度下点波板板片更薄，耗材更少。为了更好的了解点波板片特性及便于用户应用选型，本文着重对该型板片流动换热特性进行分析研究。

本文针对新型的点波板式换热器内单相流体、制冷剂冷凝换热与阻力特性进行了实验研究，并与传统人字波板式换热器的性能进行了对比。

1 实验装置及测试样件

板式换热器性能测试台如下图1所示。该实验台由三个模块组成，分别是制冷剂模块、冷水模块和热水模块。通过管路的开闭，该实验台可实现板式换热器在三种情况下的性能测试：单相水-水换热、两相制冷剂蒸发换热、两相制冷剂冷凝换热，详细的测试系统介绍可参见文献[8]。为了更好反映两种板片类型的流动换热特性，除了波纹类型不同外，单板面积、角孔大小、板片大小和片数以及接管类型均保持相同，两种板片的结构形式分别示于图2(a)和(b)，两种波型样机的详细结构参数可见表1。每种板片类型各做了两台样机，片数分别为8片和4片，共4台样机，其8片样机用于单相水水换热研究，4片样机用于冷凝换热测试。

图1 板式换热器性能测试实验台示意图

2 测试工况及误差分析

为了更好地比对两种波纹板片性能，笔者设计了同样的测试工况，测试模式采用了定能力方式进行。主要用于评估换热性能及阻力损失。单相水-水换热的板式换热器共由24个板片组成，样机编号分别为HB-24和DB-24，前者为人字波板片，后者为点波板片，其中热水侧流道12个，冷水侧流道11个。冷凝测试为4板片的样机，样机编号分别为HB-4和DB-4，其中制冷剂流道一个，而水侧流道为两个，对上述两种板型四种样机分别进行了同样工况下的定能力测试。单相水-水换热和冷凝测试的测试工况分别如表2和表3所示。

采用Moffat[9]误差分析方法，分析了换热系数的误差，如表4所示。

表1 测试板式换热器结构几何参数

图2 两种波纹板片结构

表3 冷凝换热对比测试工况

表4 参数误差表

3 结果分析和讨论

对于单相水-水换热实验，按定能力模式每台样机进行了70 kW工况点的测试，分别得到了该组样机的出口温度及压降。通过对实验结果进行分析，并采用笔者开发的换热和压降关联式预测其它工况点的数值[10]，结果对比以图3的形式表示。可见，对于给定的测试工况，该人字波板的换热系数为6,404 W/m2·K，压降为41.6 kPa；而该点波纹板的换热系数为6,710 W/m2·K，压力损失为30.6 kPa。即点波板付出较小的代价而得到了较高的换热能力。如果人字波板与点波纹板实现同样的压力损失，则换热系数只有5,959 W/m2·K；另一方面，人字波板达到点波纹板同样的换热能力，需付出的压力损失则高达51 kPa。

图3 两种波纹板单相流动换热特性对比

对于两种波纹板用作冷凝器，分别进行了定能力测试。热流密度范围从8 kW/m2到18 kW/m2，相应的换热量约为1,000 W到2,000 W。评价冷凝器的指标可以用给定能力下的冷凝温度以及水侧压降来反映，这两个参数直接影响板式换热器用作冷凝器机组的能力及功耗。由于测试工况相同，两种波纹板的冷凝温度和水侧压降随换热能力变化的曲线可以表示成图4的形式，用户可以方便地了解不同换热能力下的冷凝温度及水侧的阻力损失，从而进行针对性的应用选型。从图4可见，对于本文提到的人字波板和点波板，用作冷凝器时，在同样的能力下，该点波板比人字波板的冷凝温度约低0.3 ℃～0.4 ℃；即在同样冷凝温度下，该点波板的换热量比人字波板约高10%以上。同时，值得注意的是在同样的条件下，该点波板的压降比人字波板的压降低25%以上。

该人字波板和点波纹板都还有一定的优化空间。但总体而言，点波纹板特殊的流道设计，中心对称流道使得流体在流动过程中最大流速和最小流速比远低于人字波板，在同样的流量下平均流速较高。另外，笔者认为对于每个换热单元中心流体高速碰撞有利于流体的边界层分离。另外相对于人字波，点波板片两侧流体速度场和温度场几乎同步，根据场协同理论，这种结构及流动形式也有助于增强换热性能。这部分工作将在后续研究过程中做重点分析。

图4 两种波纹板冷凝换热性能对比

4 结论

本文对新型点波形和人字波形的板式换热器单相水的流动换热特性以及冷凝换热性能进行了对比实验研究。

新型点波板特殊的流道和换热单元设计使得在同样的压力损失下得到更高的传热系数。对于文中给定的点波板和人字波板结构，单相水的流动换热特性表明，同样的压降下前者比后者换热系数高10%以上。两种板用作冷凝器时，在同样能力下，前者冷凝温度较后者低约0.3 ℃以上。同时，点波纹板相较人字波板有更大的设计灵活性，故在给定应用工况下的优化空间更大，可以更好地满足用户特性条件的定制化需求。

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Research on Performance of Novel High Efficiency Dimple Plate Condenser

WEI Wen-jian*, ZHANG Zhi-feng, MA Wen-yong
(Danfoss Heat Exchanger China R&D Center, Jiaxing, Zhejiang 314300, China)

The heat transfer characteristics of single phase water flow and refrigerant flow condensation inside dimple and herringbone plate heat exchangers are investigated. The results show that the dimple plate has higher heat transfer efficiency under the same pressure loss due to the unique channel and heat transfer cell design. For the given design, the water heat transfer efficiency of the dimple plate is over 10% higher than that of the herringbone plate. For condenser applications, the condensing temperature of the dimple plate is over 0.3 ℃ lower than that of the herringbone plate with the same capacity. Moreover, the dimple plate can provide more flexible and specified designs to satisfy the customized requirements.

Condenser; Plate heat exchanger; Dimple; Herringbone; Heat transfer; Pressure loss

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.02.105

*魏文建（1972-），男，高级工程师，博士。研究方向：两相流动换热强化技术及换热器优化设计。联系地址：浙江省海盐县谢家路1383号，邮编：314300。联系电话：18069676358。E-mail：wenjian.wei@hotmail.com。