板式換熱器的研究現(xiàn)狀及進展

趙曉文　蘇俊林
 (吉林大學熱能工程系)

    摘　要：討論了發(fā)展板式換熱器的意義,介紹了國內外板式換熱器的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀,論述了一些目前研究采用的新技術和新方法。最后對板式換熱的未來進行了展望,指出板式換熱器在廣泛的領域將大有作為。
    關鍵詞：板式換熱器　研究現(xiàn)狀　發(fā)展應用
    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高效換熱器。換熱器的各板片之間形成許多小流通斷面的流道,通過板片進行熱量交換,它與常規(guī)的殼管式換熱器相比,在相同的流動阻力和泵功率消耗情況下,其傳熱系數(shù)要高出很多。國外自20世紀30年代開始,板式換熱器的應用已非常普遍。我國20世紀70年代,開始批量生產板式換熱器,當時大多用在食品、輕工、機械等部門; 20世紀80年代初期,擴大到民用建筑的集中供熱;中期,隨著高層建筑集中空調的增多和空調制冷設備產品的更新?lián)Q代,板式換熱器在空調制冷領域里的應用已名列前茅。近年來,板式換熱器技術日益成熟,其傳熱效率高、體積小、重量輕、污垢系數(shù)低、拆卸方便、板片品種多、適用范圍廣,在各個行業(yè)得到了廣泛應用。今天板式換熱器技術的主要特點有:第一,板式換熱器單元和單片面積大型化。第二,采用墊片無膠連接技術,使板式換熱器安裝和維護的時間節(jié)約80%。第三,由一種規(guī)格的板片設計兩種不同波形夾角,以滿足有不同壓力降要求的場合,從而擴大了應用范圍。第四,板片材料多樣化,已使用了不銹鋼、高鉻鎳合金、蒙乃爾哈氏合金等材料,甚至還推出了石墨式換熱器。
    文章主要論述板式換熱器傳熱及流阻方面的研究狀況及發(fā)展。
    1·板式換熱器實驗研究
    目前,板式換熱器設計、運行還是主要依靠實驗研究。早在132年前,德國發(fā)明了板式換熱器[1],直到1923年APV公司才開始成批生產鑄銅溝道板片的板式換熱器。1930年,研究出不銹鋼波紋板型板式換熱器,從此為現(xiàn)代板式換熱器奠定了基礎。
    通過實驗研究和應用實驗表明,人字形的傳熱特性和流阻特性效果優(yōu)良,所以近幾十年板式換熱器大都采用人字形板片。最具有代表性的實驗當屬W. W. Focke的實驗研究,他采用了有限擴散電流技術(DLCT),通過類比關系得到人字形流通的傳熱速率[2-3]。此研究確切地找出了板式換熱器波紋傾角對傳熱與阻力性能的定性關系。W. W. Focke的實驗也為板式換熱器的實驗指出了途徑。
    近些年板式換熱器主要研究方向之一是創(chuàng)新板型以及研究板型的幾何參數(shù)對換熱及流動的影響。Muley和Manglik通過實驗分析了多種板式換熱器的數(shù)據(jù),得到了一系列傳熱及流阻的綜合關系式[4]。Mir-AkbarHessami通過兩種板片從層流到紊流區(qū)的實驗,在不改變波紋高度和波紋距離的條件下,比較了60°和45°的波紋,指出對于60°波紋人字形板片的努謝爾數(shù)和摩擦系數(shù)是45°的2倍左右[5]。
    Kwan-Soo Lee, Woo-Swung Kim等人實驗研究了板式換熱器板片之間鑲錐形圓釘增強擾動強化傳熱方法,得到鑲嵌圓釘?shù)臋M向距離、縱向距離、圓釘高度和錐角是影響傳熱性能的主要因素,通過分析研究最后得到影響參數(shù)之間的優(yōu)化方案[6]。
    限制板式換熱器使用的一個重要因素是它的流動阻力較大。對于板式換熱器的阻力特性和壓力分析問題, ReinhardWurfe,l Nikolai Ostrowski進行了較細致的研究,說明了影響板式換熱器性能的主要原因之一是變負荷及波紋板幾何參數(shù)的影響[7]。除了對板式換熱器在高雷諾數(shù)范圍內傳熱與阻力性能的研究,還有一些學者對板式換熱器在低雷諾數(shù)范圍內傳熱與阻力性能進行了探索及實驗。Muley在低雷諾數(shù)狀態(tài)下,對水-水和水-蔬菜油介質板式換熱器進行了阻力實驗,分析了不同波紋傾角板片參數(shù)對流阻的影響[8]。Yasa Eslamoglu等人對空氣流過水平平直波紋板進行實驗,測試不同流道高度對傳熱與阻力的影響,發(fā)現(xiàn)努謝爾數(shù)隨著流道高度的增加而增大,但摩擦系數(shù)也會增加,實驗表明小間距流道傳熱效果好[9]。
    ReinharedW iirful等人對波紋板式換熱器蒸汽冷凝性能進行了實驗研究,在完全凝結工況下研究了不同板片結構、不同負荷及波紋傾角對換熱和流阻的影響[10]。
    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. PrabhakaraRao等人對板式換熱器中不均勻流動做了分析研究。研究表明,在板式換熱器流道中流速相等的假設與實驗情況有很大出入。他們在實驗基礎上考慮了非均勻流動分布因素,建立了新的傳熱與流動阻力公式,其結果與實驗吻合較好[11]。
    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 F. E. M.和Sparrow E. M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[12]。后來, Vlasongiannis P.[13]等人通過高速攝影機測量了氣水混合物傳熱系數(shù)比同樣條件下的液體流動的傳熱系數(shù)高很多,尤其當冷卻介質中水速較低時(<0·025m/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。
    國內在70年代制造出第一批人字形波紋板片的板式換熱器,從此我國開始了一系列的實驗研究工作。天津大學趙鎮(zhèn)南系統(tǒng)地研究了波紋傾角對板式換熱器的影響和人字形波紋通道中的基本流型[14]。他的研究成果與W. W. Focke的研究類似。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以及壓力損失的原因所在[15]。文獻中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。周明連等通過實驗觀測板式換熱器進行研究,發(fā)現(xiàn)板式換熱器內存在的偏流等流量分配不均現(xiàn)象降低了板式換熱器的傳熱性能,并且增大了內部流動阻力[16]。國內一些學者采用染色示蹤法對人字形波紋槽道和斜波紋槽道進行觀測,得到的結果對后續(xù)研究具有一定的啟發(fā)性。近些年也有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,為開發(fā)新板片開辟了一種新的途徑。
    2·板式換熱器CFD及場協(xié)同研究
    板式換熱器實物實驗投資大,時間長,花費大量的人力;一些大型換熱器及復雜工況條件下的換熱器難以進行實驗。故近年來,人們越來越熱衷于采用計算流體力學(CFD)手段對板式換熱器進行數(shù)值模擬,而將CFD與實驗有機結合在一起研究板式換熱器是一種高效、經濟的研究手段。
    早在1974年,英國學者Patankar和Spalding首先采用CFD手段對熱交換器進行數(shù)值模擬研究,他們計算了管殼式熱交換器的流阻[17]。
    Carla S. Fernandes等人運用CFD軟件對板式換熱器中攪拌酸奶的生產過程進行了模擬,建立了非牛頓流體模型,經過數(shù)值計算得到其速度場和溫度場[18]。Flavio C. C. Galeazzo, RapuelY. Miura等人對食品工程中使用的平板式板式換熱器進行了模擬計算,結果證明平板式換熱器中的流動多為層流,局部呈現(xiàn)湍流狀態(tài)[19]。他們通過實驗驗證了計算的有效性及正確性。
    KoneGrijspeerd,t BirinchiHazarka等人對人字形板式換熱器分別做了3維和2維的數(shù)值計算。在2維計算中得到波紋形狀的影響, 3維計算中確定了波紋角度的影響,最終得到優(yōu)化波紋的模型[20]。Ciofalo. M.等人利用有限元法和低雷諾數(shù)下的k-ε模型,對波紋板式換熱器過渡區(qū)和弱紊流區(qū)進行了數(shù)值模擬和實驗驗證,為其它板式換熱器的數(shù)值計算提供了參考[21]。
    近幾年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[22]采用曲線坐標下的低雷諾數(shù)模型對波紋板式換熱器進行了數(shù)值模擬,得到了速度場及溫度場,發(fā)現(xiàn)并解釋了在換熱器冷、熱流量較大時特殊的對流交換曲線。張廣明、田茂誠等人[23]采用CFD軟件對人字形板式換熱器進行了數(shù)值模擬,從模擬計算發(fā)現(xiàn),波紋傾角對流型變化影響很大,隨著波紋傾角的增大分別出現(xiàn)了十字交叉流和曲折流。曲寧[24]截取流道的一半為計算區(qū)域,通過Fluent軟件對人字型板片進行數(shù)值模擬,得到其槽道內的3維壓力場、速度場和溫度場,較為仔細地分析了波紋傾角、波高和波距對流動與換熱的影響。湖南大學任承欽、張國強等人[25],設計了一種隔板為六邊形的板式換熱器,并對此進行了數(shù)值模擬,結果表明該新型換熱器具有準逆流換熱的特點和強化換熱作用。上海交通大學景步云等人[26]對R22在板式蒸發(fā)器中沿流動方向各點分布參數(shù)進行數(shù)值模擬,采用穩(wěn)態(tài)分布參數(shù)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。
    過增元先生提出的場協(xié)同原理[27]是分析對流換熱過程的一個工具。場協(xié)同原理是指對流換熱強度不僅取決于流體與固體壁面之間的溫差,流動速度和流體熱物理性質及輸運性質,同時還取決于流體速度矢量與熱流矢量的夾角大小。在提出此理論后,一些研究者使用該原理對不同的對流換熱過程進行了分析,并取得了很好的效果。山東大學李曉亮[28]采用場協(xié)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(xié)同積分余弦值和場協(xié)同匹配性與換熱效果存在相關性。場協(xié)同理論也可用于指導板式換熱器的設計改進及對其強化換熱效果進行評價。
    3·結語
    作為一種高效緊湊式換熱器,在加熱、冷卻、冷凝、蒸發(fā)和熱回收過程中,除了高溫、高壓和特殊介質條件外,板式換熱器均已替代管殼式換熱器。經試驗證明在板式換熱器適用范圍內,絕大多數(shù)工況時,用不銹鋼板式換熱器比一般碳鋼換熱器投資低,而且可以預見板式換熱器與管殼式換熱器的競爭會更加激烈。
    此外,我國板式換熱器在實驗研究和理論研究方面與國外先進水平相比仍存在較大差距,所以仍需進一步加強板式換熱器的研究。
    目前,我國換熱器產業(yè)的市場規(guī)模大概360億人民幣?；谑?、化工、電力、冶金、船舶、機械、食品、制藥等行業(yè)對換熱器穩(wěn)定的需求增長,我國換熱器產業(yè)在未來一段時期內將保持穩(wěn)定增長。2010年,我國換熱器的市場需求將達到500億元左右[29]。另外,航天飛行器、半導體器件、核電站、風力發(fā)電機組、太陽能光伏發(fā)電及多晶硅生產等高新技術領域都需要大量的專業(yè)換熱器。展望板式換熱的未來,它會在更廣泛的領域大有作為。
    參考文獻：略