板式热交换器热混合设计研究

周振 宋金虎 张守圣

摘 要：影响板式热交换器传热性能的主要因素有传热系数K、对数平均温差Δtm、介质的压力降ΔP以及板片的承压能力等。研究了在两个恒定的板间流速下，对高NTU、中NTU和低NTU通道三种板片结构进行组合并进行热工性能试验。研究软板的数量对板式热交换器的压力降ΔP及传热系数K的影响得到有助于热交换量—流量—允许压降完全匹配的板片组合形式。

关 键 词：传热系数；对数平均温差；压力降；NTU；软板

中图分类号：TQ051.5 TK172 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2016）08-1886-03

Abstract： The main factors of affecting heat transfer performance of plate heat exchanger include heat transfer coefficient K， logarithmic mean temperature difference Δtm ， pressure drop of medium ΔP and bearing capacity of plate and so on. In this paper， under a constant velocity between plates， after combining high NTU， middle NTU and low NTU channel， their performance was tested. The influence of the number of soft plate on pressure drop ΔP and heat transfer coefficient K of plate heat exchanger was studied， and the combination of plates that can be helpful to completely match heat exchange—rate of flow—allowable pressure drop was obtained.

Key words： heat transfer coefficient； logarithmic mean temperature difference； pressure drop； NTU； soft plate

板式热交换器是一种高效节能、占地面积小的换热设备，以其优良的性能广泛应用于化工、轻工、食品等行业[1]。影响板式热交换器的传热性能的主要因素是其传热元件：板片。板片型式有多种多样，例如水平平直波纹板、人字形波纹板、凹凸形波纹板及斜波纹板等。人字形的波纹板以其良好传热效果及承压性能被广泛应用。FOCKE[2]通過可视化方式研究了不同波纹角度对传热性能的影响。赵镇南[3]通过已有的试验数据研究了人字形波纹倾角对阻力及传热性能的影响，人字形夹角β越大，其传热效果越好，相应阻力降也越大；反之人字角越小，其传热系数和阻力降也小。图1为人字形夹角β与传热系数K的关系曲线。单一倾角的人字形板片组合不能实现流速、压降及传热系数之间的良好匹配。为实现三者的匹配制作一种等的新板片型式，产品加工周期长、成本费用高，不可取。为了解决这一匹配问题，瑞典ALFA-LAVAL公司提出进行热混合设计[4]。范菊兰[5]等进行了板式换热器混合板片热力性能试验，证明了混合板片换热效果及压降都介于软板组合与硬板组合之间。赵元东[6]通过场协同理论和火积耗散理论分析热混合板式换热器的综合性能。在充分利用压力降的情况下，“热混合”设计的换热面积有时可比传统的板式换热器减少25%～30%，现已普遍推广。在板式换热器中，硬板组合有着较高的流阻，很多工况往往对流阻有限制。本文以试验的方式研究软板数量对研究软板的数量对板式热交换器的压力降ΔP及传热系数K的影响得到有助于热交换量—流量—允许压降完全匹配的板片组合形式，为板换设计提供理论依据。

1 热混合理论及组合形式

利用人字角β对传热的影响，很多制造厂将同一规格的板片做成大人字角和小人字角两种。大人字角的板片为硬板（H板），小人字角的板片为软板（L板）[7]。将这两种板片混合组装，其换热性能也介于纯硬板与纯软板组合性能之间，这种组装方法被称为热混合组装，如图2所示。

对于板式换热器实际生产中，热混合的组装分为五种组装方式：a.全软板组装；b.全硬板组装；c.软硬板按1：1比例组装；d.软板少于整台板片数的半数组装；e.软板多于整台板片数的半数组装。在这些组装方法中，软板对减小阻力的作用是明显的，但是目前国内仅仅只有定性的结论，没有准确的理论对组装进行指导。

传热计算有两种计算方法，对数平均温差计算法和ε-NTU法。热混合计算同时采用对数平均温差法及ε-NTU法计算；ε-NTU法对热混合传热计算是基于传热通道的平均法。先通过对数平均温差法得到单个通道的热量，再通过ε-NTU法得到冷热流体温降与NTU传热单元之间的关系，然后根据总的传热量等于混合通道中的高阻通道与中阻通过各自完成的传热量之和，从而可求出高阻通道及中阻通道各自的数量，完成热混合传热计算。

2 混装板片试验

本文以某公司某一型号的软硬板片作为研究对象，对15组不同混装形式的板片进行7种组合：A组合形式为全硬板组合；B组合形式为1*13H+1*2M，13组高阻通道与2组中阻通道组合；C组合形式为1*9H+1*6M，9组高阻通道与6组中阻通道组合；D组合形式为1*2H+1*13M，2组高阻通道与13组中阻通道；E组合形式为11*M+4*L，11组高阻通道与4组低阻通道；F组合形式为全软板。对这六种形式的组合进行传热试验，试验装置如图3所示。研究一定流速下组合中的硬板或软板数量对压降及传热的影响。

研究各种组合形式的热平衡误差如图4所示，从试验数据图中可以看出大部分热平衡误差在±10%之间，在允许的误差范围内，可以确定试验数据有参考性。从图中可以看出，误差为负值时偏多，也就是说板式热交换器吸热量大于放热量。这主要是由于工作的热量损失造成的。

本文研究了在热侧流速为ω=0.35 m/s及ω=0.5 m/s的状态下，软板数量对两侧的压降及总传热系数的影响。对各个板间流速下的試验数据进行整理，得到了软板数量与总传热系数关系曲线如图5所示，得到软板数量与冷侧压降关系曲线如图6，得到软板数量与热侧压降关系曲线如图7所示。

从图5中可以看出，随着软板的数量增加，总传热系数总体上是降低的。在软板数量小于总板数的一半时，总传热系数随软板数变化不是很明显，当软板数量超过总板数一半时，总传热系数明显降低。

从图6中可以看出，随着软板的数量增加，冷侧压降也是随之降低。在流速较小的情况下，软板数量对冷侧压降的影响同热侧压降的影响大致相同。但是在流速较大的情况下，冷侧压降随着软板数量一直降低，在软板达数量超过一半时，这种影响也也比较明显。

从图7中可以看出，在ω=0.35 m/s与ω=0.50 m/s两种流速下，热侧压降变化曲线一致。随着软板的数量增加，热侧的压降明显降低，由于软板的阻力相对于硬板的阻力小，软板的数量的增加使得整体的阻力减小，压降也随之减小。在软板数量小于总板数的一半时，热侧压降降低幅度较大，软板数量超过一半时，热侧压降减小幅度趋于减缓。说明软板数量在小于板片总数的一半范围内对热侧压降影响较大，超过这个范围软板的数量对热侧压降影响较小。

3 结 论

（1）从实验结果可以看出软板的数量对整个板式热交换器的压降及传热系数有很大的影响，在热混合设计中合理的控制软板或硬板的数量可以使板式热交换器处在一个最佳的工作状态，不仅可以减少板片的数量，还可以获得较好的传热效率。在组装板片过程中，当软板的数量接近总板片数的一半时，板式热交换器可以在较大的传热系数较小的流体阻力下工作。

（2）热混合组装板片可以满足各种换热场合的不同需求，可以在很广参数范围内，使换热量、流量及允许压降达到很好的匹配。本研究为生产高效、节能的混合板式热交换器提供了依据。

参考文献：

[1] 程宝华，李先瑞，等.板式换热器及换热装置技术应用手册[M].北京：中国建筑出版社，2005.

[2] FOCKE W W，ZACHARIADES J.The Effect of The Corrugation Inclination Angle on The Thermohydraulic Performance of Plate Heat Exchangers[J]. International Journal of Heat and mass Transfer，1985，28（8）：1469-1479.

[3] 赵镇南.板式换热器人字波纹倾角对阻力及传热性能的影响[J]. 石油化工设备，2001，30：1-3.

[4] 杨崇麟.板式换热器工程设计手册[M]. 北京：机械工业出版社，1995.

[5] 范菊兰，顾杨怡，等.船用板式换热器混合板片热力性能试验研究[J]. 船舶工程，2015，19（1）：66-72.

[6] 赵元东，张井志，等.热混合板式换热器热阻力性能[J]. 压力容器，2013，30（8）：46-52.

[7] NB/T 47004-2009《板式热交换器》[S].

[8] E U.施林德尔（德国）.换热器设计手册（第三卷）[M].北京：机械工业出版社，1995.