板式换热器换热性能实验研究

张 兵，林道光

(湖南人文科技学院 能源与机电工程学院，湖南 娄底 417000)



板式换热器换热性能实验研究

张 兵，林道光

(湖南人文科技学院 能源与机电工程学院，湖南 娄底 417000)

板式换热器是一种应用广泛的高效换热器，影响板式换热器换热性能的因素很多。采用实验的方法，探讨冷热流体的流动方式、温度以及流量的变化对板式换热器换热性能的影响。结果表明：采取逆流方式换热器的效率优于顺流方式；增加冷热流体进口温差或流量，板式换热器的换热量逐渐增大，换热效率随之提高。

板式换热器；换热性能；流动方式；温度；流量

板式换热器是由一系列互相平行、具有波纹表面的薄金属板相叠而成，冷、热流体在板片两侧各自的狭小通道内流动，通过板片进行热交换。具有结构紧凑、传热效率高等特点，应用非常广泛。欧阳新萍等人用雷诺数法在传热性能实验中对流换热系数进行了测定[1]。宋继伟等人应用数值计算的方法分析了换热介质流道排列方式对板式换热器性能的影响，得到在相同的工况下，随着流道数量的增加，换热器总的压力损失呈阶梯降低的趋势；相同流道数情况下，冷热介质流道的排列形式对换热器耗散数影响较大；而相同的流道数量所对应的最小耗散数随流道数量的增加而降低[2]。马学虎等人采用实验的方法分别从板片波纹的倾斜角、间距、高度等三方面对低Re下板式换热器的传热、阻力影响进行理论分析[3]。张仲彬等人通过实验和数值模拟的方法对比研究了水与空气组成的两相流动在板式换热器中的传热和阻力特性，以及不同气泡尺寸两相流的传热效果[4]。本研究采用实验的方法探讨冷热流体的流动方式、温度以及流量的变化对板式换热器换热性能的影响。

一 实验方案与原理

(一)实验器材和设备

采用冷水可用阀门换向进行顺逆流实验。换热形式为热水—冷水换热式,型号THPYHR-1，实验中所需的仪器设备如表1所示：

表1 实验所用仪器设备

(二)实验原理

本次实验所用到的板式换热器型号为THPYHR-1，测试中采集数据的主要依据是热平衡原理——即在热流体所放出的热量与冷流体所获得的热量基本相等时采集数据。实验时主要记录测试的流量、温度等数据。当热平衡相对误差值小于5%时，认为实验工况达到稳定状态。实验原理如图1所示。

1.热水泵 2.热水泵 3.热水流量计 4.冷水箱 5.冷水泵 6.冷水流量计 7.冷水顺逆流换向阀门组 8.列管式换热器 9.套管式换热器 10.板式换热器 11.螺旋板式换热器

换热计算式：

(1)换热器的传热方程为Q=KF△tm

(1)

式中：Q—换热器整个传热面上的热流量W

K—总传热系数W/(m2℃)

F—总传热面积m2

△tm―换热器的平均温差℃

(2)热水和冷水热交换平衡方程式为

Qheat=Qcold

(2)

即：GhCp,h(th1-th2)=GeCp,e(te1-te1)

(3)

式中：Qheat―热水放热量W

Qcold―冷水放热量W

Gheat―热水的质量流量kg/s

Gcold―冷水的质量流量kg/s

Cp,h—热水的定压比热kJ/(kg·℃)

Cp,c―冷水的定压比热kJ/(kg·℃)

tk1―热水的进口温度℃

tk2―热水的出口温度 ℃

tc1―冷水的进口温度 ℃

tc2―冷水的出口温度 ℃

(3)换热器的平均温差，不论顺流、逆流都可以采用对数平均温差的形式

(4)

式中：△tm―换热器的平均温差℃

△tmax―冷、热水在换热器某一端最大的温差 ℃

△tmin―冷、热水在换热器某一端最小的温差 ℃

(4)以热水放热量为基准，设热水放热量和冷水吸热量之和的平均值，则有：

(5)

(5)热平衡误差δ(要求5%以下)

(6)

(7)

(7)总传热系数K

(8)

(8)热、冷流体的质量流量Gheat、Gcold是根据浮子流量计读数转换而来的，可以按照以下公式换算:L/h=0.001m3/h, L/h=2.78×10-4kg/s

二 实验结果与分析

(一)流动方式对换热性能的影响

将冷热流体的流量控制在4m3/h，温控仪温度在30-60℃区间，在不同流动方式下，冷热流体进出口温度变化如图2、3所示：

图2 顺流时冷热流体温度变化

图3 逆流时冷热流体温度变化

由图2、3可知：顺流与逆流时，随着温控仪温度的升高，热流体的进出口温度与冷流体进出口温度都逐渐升高，即流体的进出口温度与温控仪温度成正比；逆流情况下冷流体出口温度高于热流体的出口温度。

在不同流动方式情况下，板式换热器的对数平均温差、传热系数及换热效率变化情况，如图4-6所示：

图4 两流体的对数平均温差

图5 不同流动方式传热系数变化

图6 不同流动方式下换热效率变化

由图4可以得到：随着温控仪温度的增大，流体的对数平均温差逐渐增大，并且逆流方式的对数平均温差大于顺流方式。

由图5可以得到：随着温控仪温度的增加，传热系数随温度的增大而增大，最后趋于平缓，逆流方式传热系数比顺流方式高。

由图6可以得到：两流体的换热量逐渐增大，换热效率逐渐随温度升高而增大，并且逆流方式的效率大于顺流方式。

(二)冷热流体温度变化对传热系数的影响

流量控制在3m3/h，温控仪温度在30-60℃区间，根据温度的变化，冷、热流体换热量变化以及热平衡误差如表2和表3所示：

表2 顺流换热量及热平衡误差

续表：

热流体换热量W冷流体换热量W平均换热量W热平衡误差δ11476.710781.111128.63.1%12172.211824.511998.42.9%13215.61252012867.82.7%13911.113563.313737.22.5%

表3 逆流换热量及热平衡误差

由表2和表3 可知：无论是顺流还是逆流方式，随着温度的升高，冷热流体换热量是逐渐增大的。同时通过比较发现，逆流时的换热量比顺流时的要大。根据公式(6)计算出的热平衡误差都是在5%以下，符合实验要求。

在流量比为1:1情况下，板式换热器的换热性能随温度变化的关系如图7所示：

图7 不同流温度下换热效率变化

由图7可以得到：换热效率随温度的升高而逐渐增大，并且同一温度下，逆流方式的换热效率大于逆流方式。

(三)流量变化对换热性能的影响

将热流体的温度控制在45℃，流量控制在4m3/h，冷流体的流量在0.8-8.0m3/h时变化，顺逆流两种流动方式下，热流体出口温度变化如图8所示：

图8 冷流体流量变化对热流体出口温度影响

由图8可知：在冷流体流量不断增大的情况下，热流体出口温度逐渐降低，热流体的换热量增大，因此，增大流体流量，可以提高换热器的换热效率。

随着流体流量增加，换热器传热系数变化关系及换热效率变化，如图9和图10所示：

图9 流量传热系数变化

图10 不同流量下换热效率变化

由图9可以得到：随着流体流量的增加，传热系数随流量的增大而增大。但是增加趋势逐渐变小，最后传热系数趋于平缓，逆流的传热系数高于顺流方式，但相差不大。

由图10可知：随着流体流量的增加，换热器效率逐渐增大，并且流量相同时，逆流方式的换热效率高于顺流方式。

三 结论

本文对板式换热器的换热性能实验测试研究，得出的实验误差在允许范围内，实验结果表明：

(1)冷热流体流动方式对板式换热器的换热性能影响很大，逆流方式下换热器对数平均温差、换热量以及换热效率均高于顺流方式。

(2)流动方式的改变以及流量的变化对换热的传热系数有一定影响，但传热系数变化不大。

(3)热量体流量一定时，随冷流体流量的增加，热流体出口温度逐渐降低，换热器换热量不断增加，换热效率逐渐提高。

[1]欧阳新萍,陶乐仁.等雷诺数法在板式换热器传热试验中的应用[J].热能动力工程,1998, 13(2):118-120.

[2]宋继伟,韩戈,杜婷婷,等.流道排列对多介质板式换热器性能的影响分析[J].化工学报,2014,65(增刊):258-263.

[3]马学虎,林乐,兰忠.等.低R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):38-44.

[4]张仲彬,刘文生,郑孔桥,等.两相流动中气泡尺寸影响板式换热器性能的研究[J].化工机械,2015,42(5):606-610.

(责任编校：李传熹)

An Experimental Study on the Thermal Performance of Plate Heat Exchanger

ZHANGBing,LINDao-guang

(School of Energy and Mechanical Engineering, Hunan University of Humanities, Science and Technology, Loudi 417000, China)

The Plate heat exchanger is highly efficient and widely used, and its thermal performance can be influenced by many factors.The authors of this paper have analyzed the influences of the flowing patterns of the cold and hot fluid, the change of the temperature, and the flow rate.The results show that 1)the counter-flow heat exchanger has higher efficiency than the parallel-flow one, 2)with the increasing temperature difference between the cold and hot fluid streams or the increasing flow rate, the plate heat exchanger will increase the amount of heat transfer, thus improving its thermal efficiency.

plate heat exchanger; thermal performance; flowing pattern; flow rate; temperature

2016-03-19.

张兵(1994—)，男，湖南衡阳人，湖南人文科技学院能源与机电工程学院2016届本科毕业生；

林道光(1986—)，男，湖南邵阳人，湖南人文科技学院能源与机电工程学院助教，硕士，本文指导老师，研究方向：能源与动力工程。

I207.2

A

1673-0712(2016)05-0122-07