板式換熱器板片傳熱性能與壓降的研究

張官正+++李治國+++王義翠+++朱海舟+++方玲+++李效波

摘 要：以板式換熱器的三維板片為研究對象，分別用流體力學和傳熱學理論計算了該板紋的傳熱系數和壓降，通過傳熱系數和壓降的理論分析，以期探尋模擬出來的流體流動情況與實際所得是否吻合。結果表明：傳熱系數隨著速度的增大而增大，得到最佳傳熱速度值為0.5m/s；壓降隨著速度的增大而增大，而在速度變化不大時，壓降的增速比較緩慢；從模擬的云圖可得到觸點壓力的變化情況和流體流動的漩渦流向。

關鍵詞：板式熱交換器；人字形板紋；雷諾數；傳熱系數；壓降

前言

隨著工程領域對板式換熱器傳熱效率、節能、環保等要求的日益提高，板式換熱器板片結構的流場分析對研發新型板式換熱器至關重要。

關于板式換熱器換熱性能的研究一直比較活躍。徐志明等[1]采用流體力學軟件對人字形板式換熱器的雙流道模型進行數值模擬，得到流體流動與換熱的不均勻性，且總傳熱系數與流阻隨流速的增大而增大。張晶等[2]通過建立板式換熱器整板與局部的雙流道計算模型，用CFD軟件對不同波紋傾角、波紋截距進行模擬分析，得到最佳的波紋傾角在60°左右。上述研究對板式換熱器的流動狀態、傳熱和壓降場做了比較完整的分析。

本文采用流體力學與傳熱學的相關知識分析了板式換熱器的壓降和傳熱情況，運用流體軟件FLUENT對板式換熱器的板紋雙流道模型進行數值研究，結合理論計算所得數據進行對比分析，以期探明模擬數據的準確性，為板式換熱器的優化設計提供理論依據。

1 板片結構

板式換熱器板片的組成部分主要有：導流區域、換熱區域、懸掛口、膠墊槽及角孔。板片作為板式換熱器傳熱的核心元件，波紋設計的好壞決定著板式換熱器技術水平的高低，流體的分配均勻性及湍動程度是影響傳熱的主要因素，兩板片疊加會形成很多觸點，觸點越多，湍動越強烈，換熱效果越好。而波紋的角度、寬度、間距直接影響觸點的多少，間接的影響板片的傳熱性能。鑒于分析的復雜性，只考慮整板的一部分雙流道板型進行研究，得到整體的換熱趨勢。

2 傳熱與壓降的理論分析

2.1 傳熱系數的計算

流體在板式換熱器的流動過程中，一般會存在流體傳熱熱阻、板片熱阻及污垢熱阻。為了使分析簡單化，采用雙向流對板式換熱器的傳熱性能進行研究。流體在雙流道板片中流動時，會形成湍流，通常用下式來計算板式換熱器沿整個流程的平均對流傳熱系數：

在流體粘度比較大的情況下，結合Sieder-Tate關聯形式，用不均勻物性影響的修正系數得：

（2）

實際上，關聯式中的各個參數都要通過實驗來確定，不同的板式換熱器的各項系數都不一樣。

采用平板傳熱的理論，此傳熱系統由熱流體與板片之間的換熱過程、板片的導熱和冷流體與板片之間的換熱過程組成。穩定時刻通過板片的熱流量可以用熱阻的形式表示，由于板片兩側的換熱和導熱面積相同，可寫為如下形式：

（3）

一般情況下，涂層是很薄的，由于涂層的導熱系數很小，從而導致熱阻很大，通常不能忽略。為了研究的方便，不會考慮涂層熱阻，假設忽略冷熱流體側的污垢層熱阻，式（3）可變為：

（4）

其中冷熱流體的換熱系數不易確定，為了便于計算，普朗特等理論專家認為：流道厚度可分為流動邊界層厚度和溫度邊界層厚度。根據傅里葉定律，在已知溫度邊界層厚度后，可求得在特征長度內的表面平均傳熱系數，結合努塞爾數的對流換熱準則方程，可得：

（5）

（6）

（7）

2.2 壓降的計算

在無法確定歐拉準則方程時，一般采用有摩擦系數的關聯式來計算，板式換熱器的壓降通常有兩部分組成：角孔壓降和流道壓降。即：

（8）

流道壓降是流體從角孔進入到板間通道，而后又從另一角孔流出的過程，克服流道阻力形成壓降。

（9）

角孔壓降是流體流過角孔為克服阻力而形成的壓降。

（10）

鑒于公式中摩擦系數很難確定，只能通過實驗的方法加以分析。為了簡化計算，模型中不存在角孔壓差，故可省略，此公式可大體上計算出壓差的變化趨勢。

3 傳熱與壓降的數值模擬[3-4]

鑒于板式換熱器流體流動的復雜性，涉及湍流的邊界層問題，要具體分析湍流的變化情況，網格的劃分質量很關鍵。通常采用ICEM CFD網格劃分軟件來劃分網格，用壁面函數法來估算出速度和第一層的網格高度，得到質量較好的網格。

數值模擬所得的表面傳熱系數變化曲線如圖1所示，數值模擬所得的壓降變化曲線見圖2。

4 分析數據

為了更好的分析板式換熱器的傳熱性能，結合經驗數據，得到板式換熱器水與水之間的傳熱系數在2900～4650之間，而后分析圖1的模擬數據，發現模擬數據值在經驗數據的范圍內，可驗證模擬數據的正確性。從圖中的數據分析出，最佳的流動速度為0.5m/s。

流體在流入板片波紋流道的過程中，壓能不斷的轉化為動能，部分動能在板波紋中產生漩渦而轉化為內能耗散掉，在經過無數個板波紋后，壓力不斷的減小，在流過最后一個板波紋后，壓差降到最低。模擬壓降在試驗數據的某一個范圍內，驗證壓降數據的正確性。從圖中的數據分析得到，在速度變化不大的情況下，壓差的變化不是很明顯，說明壓差隨速度有很大的關系。

5 結束語

（1）板式換熱器的傳熱系數隨流體流動速度的增大而增大，且速度達到0.5m/s以后，傳熱系數變化較為緩慢，可見流體速度為0.5m/s為最佳傳熱速度，換熱性能最佳。（2）由于模擬的板式換熱器板片的換熱面積較小，在改變的速度變化不大的情況下，壓差的變化不是很明顯，而壓差隨冷水速度的增大而增大。（3）模擬所得的傳熱系數數據與經驗理論所得的數據趨勢基本吻合。

參考文獻

[1]徐志明，王月明，張仲彬.板式換熱器性能的數值模擬[J].動力工程學報，2011，31（3）：198-202.

[2]張晶，文玨，趙力，等.基于計算流體力學數值模擬的板式換熱器傳熱與流動分析及波紋參數優化[J].機械工程學報，2015，（12）：137-145.

[3]李超，張官正，劉興旺，等.渦旋壓縮機的徑向迷宮密封迷宮槽的優化研究[J].流體機械，2014，42（11）：8-12.

[4]劉興旺，張官正，李超，等.渦旋壓縮機徑向迷宮密封中泄漏氣體氣動熱力行為研究[J].機械工程學報，2015，（20）：201-207.