板式換熱器板片的發展現狀研究

張李鐵++李彥洲

摘 要：換熱器是一種熱能傳遞的裝置，應用于不同溫度下發生熱接觸的兩種或多種流體之間，或固體表面與流體之間，或固體粒子與流體之間的傳熱過程。近些年，為提高板式換熱器的換熱效率，對板式換熱器的研究從精簡換熱器體積變為改進板式換熱器的板片流到結構。該文主要研究國內外板式換熱器的板片研究現狀，為今后增大板式換熱器換熱效率，研究板式換熱器板片的流道結構，提供參考依據。

關鍵詞：板式換熱器 板片 強化換熱 研究現狀

中圖分類號：TQ051 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）11（a）-0046-01

換熱器是一種熱能傳遞的裝置，應用于不同溫度下發生熱接觸的兩種或多種流體之間，或固體表面與流體之間，或固體粒子與流體之間的傳熱過程。

根據結構特征換熱器主要分為：管式、板式、擴展表面式以及再生式換熱器四類。其中，板式換熱器具有傳熱系數高、對數平均溫差大、占地面積小、重量輕等優點，在許多應用領域中取代了其他形式的換熱器。板式換熱器從20世紀30年代起在國外得到廣泛應用，我國從20世紀70年代開始生產板式換熱器。板式換熱器的發展速度極快，從輕工業、食品等部門，普及到民用集中供熱，進而發展到冰箱、空調等制冷技術產品中。在現代石油化工企業中，換熱氣的投資占到了30%～50%。

可見，板式換熱器的發展，對科研進步和民用設施改善具有重要意義。

1 板式換熱器簡介

板式換熱器是由一組金屬板片組成的，由導桿連接，板片兩邊有固定緊壓板和活動緊壓板。固定緊壓板上有4個角孔，金屬板片上帶有波紋流道和四個角孔。近些年，國外板式換熱器發展的主要特點是高性能，多品種。我國由于實驗基礎薄弱，生產設計水平不高，一直處于模仿階段。板式換熱器最重要的性能是換熱性，而決定換熱性最重要參數是換熱效率，如何提高板片換熱效率，對我國掌握板式換熱器的核心技術有重要意義。

2 板式換熱器板片國外研究現狀

從上世紀初，德國人發明了板式換熱器，到1923年第一批板式換熱器由APV公司生產出，他們為板式換熱器起到了模板作用。早前，由于生產資料理論指導匱乏等等，板式換熱器的設計主要靠經驗實驗研究，即先做出成品再進行實驗分析，得到換熱效率數值，完成最終設計。近年，德國人Focke通過實驗研究，用有限擴散電流技術（DLCT），推出人字形流道的傳熱速率，指出板片的波紋傾角對傳熱和流動特能的定性關系。Muley和Manglik通過實驗分析了多種板式換熱器的數據，得到了能計算不同結構板式換熱器換熱系數的關系式，并指出板式換熱器中流體的分布不均勻是影響板式換熱器性能的一個主要因素。B.Prabhakara Rao等人對板式換熱器中不均勻流動做了分析研究，得出板式換熱器中流體的分布不均勻是影響板式換熱器性能的重要因素。

研究板式換熱器內流體的流動有一種有效辦法就是速度場可視化技術。Saboya和Sparrow采用了荼升華技術對波紋槽道的流動二維速度場進行了可視化研究。后來，Vlasongiannis通過高速攝影機測量了氣、水混合物傳熱系數比同樣條件下的液體流動的傳熱系數高很多，尤其當冷卻介質中水速較低時（<0.025 m/s），氣體流動貫穿覆蓋了整個流道，而受氣體剪切的液體水則在層流下做溪狀流動，這時傳熱效果最佳。

3 板式換熱器板片國內研究現狀

20世紀70年代，國內制造出了第一批人字形波紋板片的板式換熱器。天津大學趙鎮南研究了波紋傾角是影響板式換熱器的重要因素和人字形波紋通道中的基本流道模式。許淑惠對板式換熱器的壓力分布和阻力特性進行了研究，通過實驗揭示了兩種板型進口段的流型分布，并用透明板片顯示通道內流動情況的方法，對于應用激光技術實施對板式換熱器內部速度場及溫度場的測定具有一定的啟示作用近幾年，國內學者采用局部組合通道內的可視化及傳熱機理研究方法預測推斷板式換熱器的傳熱及流阻特性；也有國內學者對板式換熱器CFD方面的研究取得很大的進展。楊勇采用曲線坐標下的低雷諾數模型對波紋板式換熱器進行了數值模擬，得到了速度場及溫度場，發現并解釋了在換熱流量較大時特殊的對流交換曲線。張廣明采用CFD軟件對人字形板式換熱器進行了數值模擬，從模擬計算發現，波紋傾免對流型變化影響很大，隨著波紋傾角的增大分別出現了十字交叉流和曲折流。曲寧取游道的一半為計算區域，通過Fluent軟件對人字板片進行數值模擬，得到其槽道內的三維壓力場、速度場和溫度場，較為仔細地分析了波紋傾角和波距對流動與換熱的影響。湖南大學的任承欽、張國強等人，設計了一種隔板為六邊彤的扳式換熱器，并對此進行了數值模擬，結果表明該新型換熱器具有準逆流換熱的特點。上海交通大學的景步云等人蒸發器中沿流動方向各點分布參數進行數值模擬，采用穩態分布參數法建立仿真模型，并分析了板式換熱器中介質流動時壓力和板壁溫度的變化情況。山東大學李曉亮采用場協同原理對人字形板式換熱器進行了強化傳熱研究，結果表明利用場協同積分余弦值和場協同匹配性與換熱效果存在相關性。北京化工大學董莉通過對換熱器波紋參數的數值模擬實驗研究得出單位壓降位壓降受到波紋傾角和波紋法向節距的影響比較大，受到波紋高度的影響比較小；波紋高度對換熱系數的影響則較波紋傾角和波紋法向節距要大得多。北京化工大學的蔡毅通過實驗分析截面處的速度場和溫度場，發現流體分布最大的不均勻性發生在分配區與換熱區的連接處，進出口側體積流量和換熱量都大于另外一側。

4 板式換熱器國內外研究現狀總結

通過對比國內外學者的研究成果，在板片的眾多流道構造中，人字形板片構造的傳熱和流動特性效果最佳，在今后對板式換熱器板片的研究方向中，可以對人字形板片結構的板式換熱器進行重點研究，這為今后板式換熱器的研究指出了一個明確的方向，有助于研究人員的研究和探討。

參考文獻

[1] 張哲，厲彥忠，津津.CFD技術在板翅式換熱器設計中的應用[J].低溫與超導，2002（3）：42-45.

[2] 巫江虹，陳長青.板翅式換熱器兩相流分配特性及實驗研究[J].西安交通大學學報，1995（11）：117-126.

[3] 巫江紅，陳長青，吳業正.板翅式換熱器兩相流入口分配結構機理分析[J].低溫與特氣，1996（2）：39-46.

[4] 張站，魏琪.錯列翅片換熱器表面換熱及阻力特性數值研究[J].江蘇大學學報，2002，23（2）：39-42.

[5] 侯海焱，魏琪.錯列翅片緊湊式換熱器湍流流動及換熱性能的數值研究[J].能源程，2002（4）：6-10.

[6] 祝銀海，厲彥忠.板翅式換熱器翅片通道中流體流動與傳熱的計算流體力學模擬[J].化工學報，2006，57（5）：1102-1106.endprint