板式换热器的应用及其研究进展

摘 要：针对板式换热器的特点在以往研究的基础上开发了一种高效微型的板式换热器，并就其传热和流动特性与其他板式换热器进行了比较，计算结果表明了该换热器的传热效率和压降阻力较其他板片换热器的高，即提高传热效率是以增大阻力为代价的，不能单纯的提高传热效率而不满足允许压降。

关键词：板式换热器 波纹倾角 人字形

1板式换热器的应用及其研究进展

板式换热器自二十世纪九十年代发现以来到现在主要的性能指标已达到：单板换热面积在0.05-3.5m2，最高使用压力为2.5×106Pa，最高温度260℃，单台换热面积最大为3500 m2，下面主要介绍目前波纹形式、换热和流动特性的发展和最新的研究成果现状。

1.1传热板片形式的研究

传热板片是换热器的核心部件，学者对板片的研究居多，主要从三个方面着手：（1）使流体在低速下发生强烈的湍流，以强化传热；（2）提高板片刚度，能承受较高的压力；（3）使流体在通道内的压降阻力减小。板片的波纹形式对传热及流动阻力有很大的影响，随着板式换热器的应用与研究，除了人字形和平直板形的波纹板片又出现了其他不同形式的板片，其中换热效果和流动阻力改善最明显的是：酒窝状板式换热器和混合波纹板式。

酒窝状换热板是由姬长发[7]等人研究设计的一种新型波纹形式。他们利用Flunt软件对酒窝板、平板及波纹板的换热及压降特性进行了数值模拟，对这三种板片在不同流速下的壁面平均换热系数、换热量、平均努塞尔数以及摩擦阻力的变化特性进行了对比分析。酒窝板的特殊性强化了流体与板壁间的对流传热性能，在相同的基本条件下，通过调整流体入口流速的大小，计算出酒窝板和平板各种参数的变化，得到酒窝板在不同流速下，虽然压降有所提高但传热性能有所加强，从表1的实验数据即可得到此结论。

另一方面酒窝板在制造工艺上具有加工方便、不易变形、承压能力强等优点。综合评价，酒窝板的经济适用性高于波纹板。

复合型波纹式板片由“两个方向的波纹按照一定的波纹夹角叠加而成，构成流动主要通道。使流体产生横向混合作用的波纹称为横波；流动主流方向相同的另一波纹称为纵波。这种波纹形式的板片叠加后仍然有网格状分布的触点，由于基本通道的导流使两流向的流体的交汇减弱，同时流体通道呈波浪流线型，能够很大程度上减小流动阻力。通过实验得出：复合波纹型板式换热器内流场呈周期性的收缩扩张，这使流体速度在方向和数值上都呈现周期性的变化。这种周期性变化有利于流体的相互混合，也相应地能够减薄热边界层厚度，因而达到强化传热的作用。同时，流体的混合程度变差，拖拽作用减小，使得换热器的换热效率降低、摩擦系数变小[6]。

1.2 传热性能的研究

徐志明，郭进生等学者通过搭建实验台基于“传热-动量”的相似理论拟合出了传热系数与雷诺数，压降损失与雷诺数之间的关系式：

并得出雷诺数对换热器的换热性能影响较其他因素较大，雷诺数增大时，总传热系数增大，但压降损失也相应增大。此外实验还证明了单纯的提高流速以增加传热量的做法是不经济的，而适当的提高热水的进口温度可以达到较好的效果[8]。

由于板式换热器的流道曲折以及波纹扰动的作用使得临界雷诺数降低，徐百平，吴雪等将波纹板片间距拉开一定距离，并在板间布置了扰流件，形成了超低流阻的换热器，这使得流体进出于板片平行，并加强了传热同时也使得板片强度和刚度也增加[9]。

1.3 数值模拟最新研究

通过实验我们只能定性的得到换热器的一些性质，以及影响换热器的因素，不能准确的描述出传热和流动过程和因素，同时对于难以用实验实现的情况，我们只能通过仅有的条件推断和近似，这对换热器的研究和开发造成不便。随着计算机技术的发展，各种计算机软件的推出，数值模拟为我们解决了这一难题，同时还能得到速度场和温度场的精确的分布情况，方便我们拟合出各因素之间的关系，为我们设计和优化换热器提供了可靠的依据。

山东大学的李晓亮描了数值模拟典型的研究现状：“Ciofal.M.等人利用有限元法对波纹板式换热器过渡区和弱紊流状态进行了数值模拟；阴极翔等得出波纹通道间距对板内流动与换热影响规律；张冠敏等对波纹板片的三个几何参数波纹角度、波高和波距对波纹板片换热与阻力特性的影响，得出质量因子j/f随三个波纹参数的变化规律；金志浩等拟合出了不同雷诺数下流动阻力损失变化曲线与阻力关联式[12]，等等其他相关的研究和结论都为我们研究和设计板式换热器提供了可靠的依据和方向。

此外栾志坚等人[4]通过数值模拟描述出了人字形换热器的倾斜角未达到60°时流体的流动状态为两组十字交叉流，即流体先在板片得一侧上沿沟槽流动，当到达板的边缘时就折转到另一个板片的沟槽中流向另一边缘，流场如图1.5：

当倾角达到60°附近时，流体仍主要沿沟槽运动，折返点发生在波纹的触点上，流动呈连续的并行小波纹状，两股交叉流在相反方向的拖拽作用使倾角为60°附近流动形态的根本改变，即形成了曲折流（如图1.6）。

1.4提高板式换热器效能的优化设计

优化板式换热器从两个方面入手：提高换热器效率；降低换热阻力。

（1）提高换热效率

传热基本公式：

从以上基本公式可以看出又可以分为两大方面【13】：提高换热器传热系数；提高对数平均温差。

提高换热器传热系数：

a.提高板片的表面传热系数 b.减小污垢层热阻

c.选用热导率高的板片 d.减小板片厚度

提高对数平均温差

在相同工况下逆流时换热器的对数平均温差最大，顺流时平均温差最小，混合流时居中，为此流程安排时尽可能的采用逆流布置。

（2）降低换热器阻力

a.采用热混合板

b.采用非对称型板式换热器

c.采用多流程组合

e.设计换热器旁通道

d.正确的选用换热器形式

f.合理选用板片材质

2存在的问题

板式换热器目前存在的问题主要有以下几个方面：

（l）通过改变波纹形式、结构等其他方式强化传热使得传热系数、传热效率增大的同时流动阻力也增加，这就使得运行费用增加，并且流动阻力增大的倍数甚至比传热效率更大，因此传热效率与阻力之间的优选以及流量、传热系数、压降三者之间的匹配问题任需要解决。

（2）虽然随着板式换热器的研究和发展，其承温、承压能力有所提高，被更广泛的应用到不同的领域，但受其本身条件的限制，承温承压能力还是受到限制，因此，耐温、耐压并可长期使用的密封垫片尚需进一步开发。

（3）板片形式、结构等的多种多样，使得不同条件下板片换热器的设计选型困难，如何选择才能使得即能满足换热要求阻力要求又能高效经济的运行。

参考文献

[1].马学虎，林乐，兰忠.低Re下板式换热器性能的实验研究及热力学分析[J].热科学与技术，2007，6（1）：65

[2].史美中，王中铮.《热交换器原理与设计》.南京.东南大学出版社.2009年5月第四版.

[3] .张冠敏，田茂诚.复合波纹板式换热器强化传热机理及传热特性研究.山东大学博士学位论文. 2006.

[4].栾志坚， 张冠敏， 张俊龙. 波纹几何参数对人字形板式换热器内流动形态的影响机理[J].山东大学学报（工学版），2007，37（2）：34-37.

作者简介：

徐大伟（1987-04），男，籍贯：山东省莱阳市，学历：本科学历，助理工程师，研究方向：电力工程。