板式换热器板片传热性能与压降的研究

张官正+++李治国+++王义翠+++朱海舟+++方玲+++李效波

摘 要：以板式换热器的三维板片为研究对象，分别用流体力学和传热学理论计算了该板纹的传热系数和压降，通过传热系数和压降的理论分析，以期探寻模拟出来的流体流动情况与实际所得是否吻合。结果表明：传热系数随着速度的增大而增大，得到最佳传热速度值为0.5m/s；压降随着速度的增大而增大，而在速度变化不大时，压降的增速比较缓慢；从模拟的云图可得到触点压力的变化情况和流体流动的漩涡流向。

关键词：板式热交换器；人字形板纹；雷诺数；传热系数；压降

前言

随着工程领域对板式换热器传热效率、节能、环保等要求的日益提高，板式换热器板片结构的流场分析对研发新型板式换热器至关重要。

关于板式换热器换热性能的研究一直比较活跃。徐志明等[1]采用流体力学软件对人字形板式换热器的双流道模型进行数值模拟，得到流体流动与换热的不均匀性，且总传热系数与流阻随流速的增大而增大。张晶等[2]通过建立板式换热器整板与局部的双流道计算模型，用CFD软件对不同波纹倾角、波纹截距进行模拟分析，得到最佳的波纹倾角在60°左右。上述研究对板式换热器的流动状态、传热和压降场做了比较完整的分析。

本文采用流体力学与传热学的相关知识分析了板式换热器的压降和传热情况，运用流体软件FLUENT对板式换热器的板纹双流道模型进行数值研究，结合理论计算所得数据进行对比分析，以期探明模拟数据的准确性，为板式换热器的优化设计提供理论依据。

1 板片结构

板式换热器板片的组成部分主要有：导流区域、换热区域、悬挂口、胶垫槽及角孔。板片作为板式换热器传热的核心元件，波纹设计的好坏决定着板式换热器技术水平的高低，流体的分配均匀性及湍动程度是影响传热的主要因素，两板片叠加会形成很多触点，触点越多，湍动越强烈，换热效果越好。而波纹的角度、宽度、间距直接影响触点的多少，间接的影响板片的传热性能。鉴于分析的复杂性，只考虑整板的一部分双流道板型进行研究，得到整体的换热趋势。

2 传热与压降的理论分析

2.1 传热系数的计算

流体在板式换热器的流动过程中，一般会存在流体传热热阻、板片热阻及污垢热阻。为了使分析简单化，采用双向流对板式换热器的传热性能进行研究。流体在双流道板片中流动时，会形成湍流，通常用下式来计算板式换热器沿整个流程的平均对流传热系数：

在流体粘度比较大的情况下，结合Sieder-Tate关联形式，用不均匀物性影响的修正系数得：

（2）

实际上，关联式中的各个参数都要通过实验来确定，不同的板式换热器的各项系数都不一样。

采用平板傳热的理论，此传热系统由热流体与板片之间的换热过程、板片的导热和冷流体与板片之间的换热过程组成。稳定时刻通过板片的热流量可以用热阻的形式表示，由于板片两侧的换热和导热面积相同，可写为如下形式：

（3）

一般情况下，涂层是很薄的，由于涂层的导热系数很小，从而导致热阻很大，通常不能忽略。为了研究的方便，不会考虑涂层热阻，假设忽略冷热流体侧的污垢层热阻，式（3）可变为：

（4）

其中冷热流体的换热系数不易确定，为了便于计算，普朗特等理论专家认为：流道厚度可分为流动边界层厚度和温度边界层厚度。根据傅里叶定律，在已知温度边界层厚度后，可求得在特征长度内的表面平均传热系数，结合努塞尔数的对流换热准则方程，可得：

（5）

（6）

（7）

2.2 压降的计算

在无法确定欧拉准则方程时，一般采用有摩擦系数的关联式来计算，板式换热器的压降通常有两部分组成：角孔压降和流道压降。即：

（8）

流道压降是流体从角孔进入到板间通道，而后又从另一角孔流出的过程，克服流道阻力形成压降。

（9）

角孔压降是流体流过角孔为克服阻力而形成的压降。

（10）

鉴于公式中摩擦系数很难确定，只能通过实验的方法加以分析。为了简化计算，模型中不存在角孔压差，故可省略，此公式可大体上计算出压差的变化趋势。

3 传热与压降的数值模拟[3-4]

鉴于板式换热器流体流动的复杂性，涉及湍流的边界层问题，要具体分析湍流的变化情况，网格的划分质量很关键。通常采用ICEM CFD网格划分软件来划分网格，用壁面函数法来估算出速度和第一层的网格高度，得到质量较好的网格。

数值模拟所得的表面传热系数变化曲线如图1所示，数值模拟所得的压降变化曲线见图2。

4 分析数据

为了更好的分析板式换热器的传热性能，结合经验数据，得到板式换热器水与水之间的传热系数在2900～4650之间，而后分析图1的模拟数据，发现模拟数据值在经验数据的范围内，可验证模拟数据的正确性。从图中的数据分析出，最佳的流动速度为0.5m/s。

流体在流入板片波纹流道的过程中，压能不断的转化为动能，部分动能在板波纹中产生漩涡而转化为内能耗散掉，在经过无数个板波纹后，压力不断的减小，在流过最后一个板波纹后，压差降到最低。模拟压降在试验数据的某一个范围内，验证压降数据的正确性。从图中的数据分析得到，在速度变化不大的情况下，压差的变化不是很明显，说明压差随速度有很大的关系。

5 结束语

（1）板式换热器的传热系数随流体流动速度的增大而增大，且速度达到0.5m/s以后，传热系数变化较为缓慢，可见流体速度为0.5m/s为最佳传热速度，换热性能最佳。（2）由于模拟的板式换热器板片的换热面积较小，在改变的速度变化不大的情况下，压差的变化不是很明显，而压差随冷水速度的增大而增大。（3）模拟所得的传热系数数据与经验理论所得的数据趋势基本吻合。

参考文献

[1]徐志明，王月明，张仲彬.板式换热器性能的数值模拟[J].动力工程学报，2011，31（3）：198-202.

[2]张晶，文珏，赵力，等.基于计算流体力学数值模拟的板式换热器传热与流动分析及波纹参数优化[J].机械工程学报，2015，（12）：137-145.

[3]李超，张官正，刘兴旺，等.涡旋压缩机的径向迷宫密封迷宫槽的优化研究[J].流体机械，2014，42（11）：8-12.

[4]刘兴旺，张官正，李超，等.涡旋压缩机径向迷宫密封中泄漏气体气动热力行为研究[J].机械工程学报，2015，（20）：201-207.