板式換熱器傳熱及阻力特性研究

任改霞 趙 鋒

(1.西安科技大學(xué)高新學(xué)院建筑與土木工程學(xué)院，陜西西安 710109;2.中廣核工程有限公司，廣東深圳 518124)

板式換熱器是由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成的一種新型高效換熱器。板式換熱器和殼管式換熱器相比存在著換熱效率高、熱損失小、結(jié)構(gòu)緊湊、拆卸方便、板片品種多、使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，目前板式換熱器技術(shù)已日趨成熟并大量地應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域中［1，2］。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于板式換熱器的研究報(bào)道很多，國(guó)外主要通過(guò)建立基于設(shè)備結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)提供流道數(shù)目、板兩側(cè)流動(dòng)狀態(tài)、流動(dòng)區(qū)域和流動(dòng)的類型等條件，計(jì)算得到在整個(gè)流道中的溫度分布、傳熱系數(shù)、壓力降及瞬態(tài)特性。國(guó)內(nèi)則主要著手于特征數(shù)方程的研究及其系數(shù)擬合［3］。本文以水—水型板式換熱器為研究對(duì)象，分析其在實(shí)驗(yàn)工況下的傳熱能力及阻力特性，為進(jìn)一步研究提供理論參考。

1 換熱器結(jié)構(gòu)

板式換熱器主要裝配形式為懸掛式。懸掛式結(jié)構(gòu)由波紋板片組、密封墊、固定板、壓緊板、上承板、下導(dǎo)桿、夾緊螺栓等主要零件組成。常見(jiàn)的波紋板在板面上有四個(gè)角孔，板面之間通過(guò)密封墊片以隔離冷熱側(cè)流體，相鄰板片根據(jù)冷熱流體的逆向流動(dòng)特性制造出具有反方向的人字波紋溝槽(見(jiàn)圖1)，介質(zhì)在溝槽內(nèi)流動(dòng)時(shí)形成湍流，從而獲得較高的換熱效率。

圖1 板式換熱器的結(jié)構(gòu)圖

2 實(shí)驗(yàn)方法

為了驗(yàn)證板式換熱器的傳熱與阻力特性，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求搭建了實(shí)驗(yàn)臺(tái)，主要設(shè)備包括了板式換熱器、冷源裝置、熱源設(shè)備、數(shù)據(jù)采集裝置等4個(gè)部分。其中板式換熱器采用了某廠生產(chǎn)的BR1.1型板式換熱器，其板片材質(zhì)為Z6CND17-12不銹鋼，換熱面積為212 m2，板片間距為3.6 mm，板片厚度為0.7 mm，總板片數(shù)量為193塊。冷源設(shè)備采用了恒溫冷卻水保證冷水進(jìn)口溫度;熱源設(shè)備采用了具備恒定放熱的熱源水池用以保證熱水進(jìn)口溫度;數(shù)據(jù)采集裝置包括了冷熱源的進(jìn)出口的PT100溫度探頭、MV2000型溫度記錄儀、板式換熱器冷熱源側(cè)的差壓表及入口壓力表、流量計(jì)等，上述設(shè)備的安裝流程圖見(jiàn)圖2。實(shí)驗(yàn)時(shí)冷熱水經(jīng)水泵輸送流經(jīng)流量計(jì)及手動(dòng)蝶閥，進(jìn)入板式換熱器進(jìn)行對(duì)流換熱，然后再流回水箱，而恒溫水箱則各自通過(guò)加熱及冷卻系統(tǒng)維持溫度恒定。

圖2 實(shí)驗(yàn)流程圖

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 換熱系數(shù)的計(jì)算

采用努塞爾數(shù)評(píng)價(jià)板片表面?zhèn)鳠嵝阅埽紤]流體粘度變化不大，板式換熱器流體努塞爾數(shù)的Sieder-Tate關(guān)聯(lián)式為:

其中，Nu為流體努塞爾數(shù);C為系數(shù);Re為流體雷諾數(shù);m，n，p均為指數(shù);Pr為流體普朗特?cái)?shù);μ，μw分別為對(duì)應(yīng)流體特征溫度和板片壁溫下的流體動(dòng)力粘度，Pa·s;h為板片表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K);d為換熱器流道當(dāng)量直徑，m;λ為流體熱導(dǎo)率，W/(m2·K);u為流體流速，m/s;γ為流體運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s;a為流體熱擴(kuò)散率，m/s。

考慮流體特征溫度與板片壁溫相差不大時(shí)，通常可近似認(rèn)為μ=μw;當(dāng)流體被加熱時(shí)指數(shù)n取0.4，當(dāng)流體被冷卻時(shí)指數(shù)n取0.3，故以上可簡(jiǎn)化為:

其中，i=1，2，1表示熱側(cè)，2表示冷側(cè)，為了求解C及m的值，針對(duì)簡(jiǎn)化后的式(2)在兩側(cè)取對(duì)數(shù)，可得:

式(3)為一次線性方程，Re，Pr可通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算得到，只有C，m是未知數(shù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可進(jìn)行最小二乘擬合，其中一次方程的曲線斜率為m，截距為lnC，進(jìn)而可求得冷熱側(cè)的換熱關(guān)聯(lián)式，從而代入式(4)求出冷熱側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)。

其中，i=1，2，1 表示熱側(cè)，2 表示冷側(cè)。

忽略污垢熱阻，板式換熱器換熱系數(shù)K的計(jì)算式為:

其中，K為換熱器換熱系數(shù)，W/(m2·K);h1為熱側(cè)板片表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K);δs為板片厚度，m;λs為板片熱導(dǎo)率，W/(m2·K);h2為冷側(cè)板片表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)。

3.2 阻力系數(shù)的計(jì)算

對(duì)于水—水板式換熱器流動(dòng)中所包含的阻力主要包括兩類:摩擦阻力及局部阻力。摩擦阻力是板式換熱器中液體的壓降主要來(lái)源，另一部分則來(lái)自角孔壓降。本文在阻力研究中將主要針對(duì)摩擦阻力，該阻力主要來(lái)自3個(gè)部分:1)流體物性，流體粘度越大，阻力越大;2)板片集合特性，與板型結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)參數(shù)有關(guān)，表面粗糙度越大，板片越長(zhǎng)，間距越小，則阻力越大;3)流動(dòng)特性，流速越高，阻力越大。

在應(yīng)用研究及設(shè)計(jì)計(jì)算中通常采用消除當(dāng)量直徑和流道長(zhǎng)度的范寧摩擦因子來(lái)表征板式換熱器流道內(nèi)的阻力特性，范寧摩擦因子與壓降的關(guān)系式為:

其中，f為范寧摩擦因子;ΔP為測(cè)定的進(jìn)出口處的壓力降，kPa;de為換熱器流道當(dāng)量直徑，m;L為換熱器流道長(zhǎng)度，m;ρ為流體密度，m3/kg;u為流體流速，m/s。

4 實(shí)驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合流體工質(zhì)的物性參數(shù)，參照文獻(xiàn)［5］［6］的等雷諾數(shù)方法可計(jì)算得出冷熱側(cè)的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式為:Nu=0.114Re0.755Prn(加熱時(shí)指數(shù) n 取 0.4，冷卻時(shí)指數(shù) n 取 0.3)，相關(guān)度為99.61%，適用范圍為5 000≤Re≤30 000，圖3描繪了板式換熱器Nu隨Re的變化曲線。根據(jù)式(4)，式(5)可知，板式換熱器的總傳熱系數(shù)也隨Re的增大而增大，因此，在設(shè)計(jì)板式換熱器時(shí)，為增強(qiáng)換熱效果，可按紊流來(lái)設(shè)計(jì)。

根據(jù)水—水板式換熱器的阻力特性，在測(cè)量得到板式換熱器的實(shí)驗(yàn)壓降后，根據(jù)式(6)計(jì)算出相應(yīng)的摩擦因子f，再根據(jù)線性解析方法計(jì)算 f=CRen的關(guān)系式為:f=37.222Re－0.457，圖4 描繪了范寧摩擦因子隨Re變化的曲線圖，可見(jiàn)，雷諾數(shù)越大，摩擦因子越小，流動(dòng)阻力也就越小。

圖3 雷諾數(shù)與努塞爾數(shù)的關(guān)系

圖4 雷諾數(shù)與范寧摩擦因子的關(guān)系

5 結(jié)語(yǔ)

1)本文主要闡述了板式換熱器的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)及工作原理。

2)針對(duì)BR1.1型板式換熱器，設(shè)計(jì)了傳熱相關(guān)實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)關(guān)注不同流動(dòng)特性對(duì)其傳熱及阻力特性的影響。

3)通過(guò)最小二乘法及等雷諾數(shù)法來(lái)求解板式換熱器相應(yīng)的對(duì)流換熱特征數(shù)方程，并闡述了范寧摩擦因子隨雷諾數(shù)變化的特征方程。

4)本文進(jìn)行板式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)未考慮到板片的污垢熱阻，然而在長(zhǎng)期運(yùn)行后的板式換熱器污垢熱阻將急劇增大，因此，如何除垢及深入其形成機(jī)理是后續(xù)研究的重點(diǎn)。

［1］趙曉文，蘇俊林.板式換熱器的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展［J］.冶金能源，2011，30(1):52-57.

［2］任改霞，趙 鋒.板式換熱器在電廠中的應(yīng)用研究［J］.山西建筑，2014，40(2):136-137.

［3］徐志明，郭進(jìn)生，郭軍生，等.板式換熱器傳熱和阻力特性的實(shí)驗(yàn)研究［J］.熱科學(xué)與技術(shù)，2010，9(1):11-16.

［4］楊崇麟.板式換熱器工程設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1994.

［5］歐陽(yáng)新萍，吳國(guó)妹，劉寶興.等流速法在板式換熱器傳熱試驗(yàn)中的應(yīng)用［J］.動(dòng)力工程，2001，21(3):1260-1262.

［6］李冠球.板式換熱器傳熱傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)與理論研究［D］.杭州:浙江大學(xué)博士學(xué)位論文，2012.