板式換熱器板片傳熱性能與壓降的研究

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1、板式換熱器板片傳熱性能與壓降的研究摘要：以板式換熱器的三維板片為研究對象，分別用流體力學(xué)和傳熱學(xué)理論計(jì)算了該板紋的傳熱系數(shù)和壓降，通過傳熱系數(shù)和壓降的理論分析，以期探尋模擬出來的流體流動(dòng)情況與實(shí)際所得是否吻合。結(jié)果表明：傳熱系數(shù)隨著速度的增大而增大，得到最佳傳熱速度值為0.5m/s;壓降隨著速度的增人而增大，而在速度變化不大時(shí)，壓降的增速比較緩慢；從模擬的云圖可得到觸點(diǎn)壓力的變化情況和流體流動(dòng)的漩渦流向。關(guān)鍵詞：板式熱交換器；人字形板紋；雷諾數(shù)；傳熱系數(shù)；壓降刖目隨著工程領(lǐng)域?qū)Π迨綋Q熱器傳熱效率、節(jié)能、環(huán)保等要求的日益提高，板式換熱器板八結(jié)構(gòu)的流場分析對研發(fā)新型板式換熱器至關(guān)重要。關(guān)于

2、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(xué)軟件對人字形板式換熱器的雙流道模型進(jìn)行數(shù)值模擬，得到流體流動(dòng)與換熱的不均勻性，且總傳熱系數(shù)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(jì)算模型，用CFD軟件對不同波紋傾角、波紋截距進(jìn)行模擬分析，得到最佳的波紋傾角在60°左右。上述研宄對板式換熱器的流動(dòng)狀態(tài)、傳熱和壓降場做了比較完整的分析。本文采用流體力學(xué)與傳熱學(xué)的相關(guān)知識(shí)分析了板式換熱器的壓降和傳熱情況，運(yùn)用流體軟件FLUENT對板式換熱器的板紋雙流道模型進(jìn)行數(shù)值研宂，結(jié)合理論計(jì)算所得數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，以期探明模擬數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為板式換熱器的

3、優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。1板片結(jié)構(gòu)板式換熱器板片的組成部分主要有：導(dǎo)流區(qū)域、換熱區(qū)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(shè)計(jì)的好壞決定著板式換熱器技術(shù)水平的高低，流體的分配均勻性及湍動(dòng)程度是影響傳熱的主要因素，兩板片疊加會(huì)形成很多觸點(diǎn)，觸點(diǎn)越多，湍動(dòng)越強(qiáng)烈，換熱效果越好。而波紋的角度、寬度、間距直接影響觸點(diǎn)的多少，間接的影響板片的傳熱性能。鑒于分析的復(fù)雜性，只考慮整板的一部分雙流道板型進(jìn)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(shù)的計(jì)算流體在板式換熱器的流動(dòng)過程巾，一般會(huì)存在流體傳熱熱阻、板片熱阻及污垢熱阻。力了使分析簡單化，采川雙14流對板

4、式換熱器的傳熱性能進(jìn)行研究。流體在雙流道板片中流動(dòng)時(shí)，會(huì)形成湍流，通常用下式來計(jì)算板式換熱器沿整個(gè)流程的平均對流傳熱系數(shù)：在流體粘度比較大的情況下，結(jié)合Sieder-Tate關(guān)聯(lián)形式，用不均勻物性影響的修正系數(shù)得：(2)實(shí)際上，關(guān)聯(lián)式中的各個(gè)參數(shù)都要通過實(shí)驗(yàn)來確定，不同的板式換熱器的各項(xiàng)系數(shù)都不一樣。采用平板?魅鵲睦礪郟?此傳熱系統(tǒng)由熱流體與板片之間的換熱過程、板片的導(dǎo)熱和冷流體與板片之間的換熱過程組成。穩(wěn)定時(shí)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(cè)的換熱和導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)很小，從而導(dǎo)致熱阻很大，通常不能忽略。

5、為了研究的方便，不會(huì)考慮涂層熱阻，假設(shè)忽略冷熱流體側(cè)的污垢層熱阻，式(3)可變?yōu)椋?4)其中冷熱流體的換熱系數(shù)不易確定，為了便于計(jì)算，普朗特等理論專家認(rèn)為：流道厚度可分為流動(dòng)邊界層厚度和溫度邊界層厚度。根據(jù)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(nèi)的表面平均傳熱系數(shù)，結(jié)合努塞爾數(shù)的對流換熱準(zhǔn)則方程，可得：(5)(6)(7)2.2壓降的計(jì)算在無法確定歐拉準(zhǔn)則方程時(shí)，一般采用有摩擦系數(shù)的關(guān)聯(lián)式來計(jì)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。SP:⑻流道壓降是流體從角孔進(jìn)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。角孔壓降是流體流過角孔為克服阻力

6、而形成的壓降。(10)鑒于公式中摩擦系數(shù)很難確定，只能通過實(shí)驗(yàn)的方法加以分析。為了簡化計(jì)算，模型中不存在角孔壓差，故可省略，此公式可大體上計(jì)算出壓差的變化趨勢。3傳熱與壓降的數(shù)值模擬[3-4]鑒于板式換熱器流體流動(dòng)的復(fù)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(wǎng)格的劃分質(zhì)量很關(guān)鍵。通常采用ICEMCFD網(wǎng)格劃分軟件來劃分網(wǎng)格，用壁妞函數(shù)法來估算出速度和第一層的網(wǎng)格高度，得到質(zhì)量較好的網(wǎng)格。數(shù)值模擬所得的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)變化曲線如圖1所示，數(shù)值模擬所得的壓降變化曲線見圖2。4分析數(shù)據(jù)為了更好的分析板式換熱器的傳熱性能，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到板式換熱器水與水之間的傳熱系數(shù)在2900?4

7、650之間，而后分析圖1的模擬數(shù)裾，發(fā)現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)值在經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的范圍內(nèi)，可驗(yàn)證模擬數(shù)據(jù)的正確性。從圖中的數(shù)據(jù)分析出，最佳的流動(dòng)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(zhuǎn)化為動(dòng)能，部分動(dòng)能在板波紋中產(chǎn)生漩渦而轉(zhuǎn)化為內(nèi)能耗散掉，在經(jīng)過無數(shù)個(gè)板波紋后，壓力不斷的減小，在流過最后一個(gè)板波紋后，壓差降到最低。模擬壓降在試驗(yàn)數(shù)裾的某一個(gè)范圍內(nèi)，驗(yàn)證壓降數(shù)裾的正確性。從圖屮的數(shù)據(jù)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