板式熱交換器板片參數(shù)的分析研究

1、板式熱交換器板片參數(shù)的分析研究黃蕾 太原科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院 太原 030024黃慶軍 四平市換熱器協(xié)會(huì) 四平 136000摘要：板式熱交換器的傳熱及流體阻力性能是體現(xiàn)設(shè)備先進(jìn)性的重要指標(biāo)，也是完成工作條件工藝參數(shù)的主要保證，而板片參數(shù)是直接影響板式熱交換器傳熱及流體阻力特性的主要因素，波紋參數(shù)的試驗(yàn)研究對(duì)熱交換器的設(shè)計(jì)、開發(fā)、選型、校核等過程都有重要的指導(dǎo)意義，對(duì)板式熱交換器在各種領(lǐng)域的推廣應(yīng)用更起著決定性的作用。在對(duì)大量各種不同板型的板式熱交換器熱工試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行分析，得出了板型長寬比、波紋形式、波紋傾角、波紋節(jié)距、波紋深度對(duì)傳熱及流體阻力之間的相互關(guān)系，為設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)新型板式熱交換器、

2、預(yù)測(cè)新型熱交換器的性能以及選型提供依據(jù)。同時(shí)本文也對(duì)板式熱交換器發(fā)展過程產(chǎn)生的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)進(jìn)行的分析與糾正，并指出了板式熱交換器下一步研究的方向。 關(guān)鍵詞：板式熱交換器，熱交換，傳熱，波紋參數(shù)parameters of plate heat exchanger plate test analysishuanglei taiyuan university of science and technologehuang qingjun heat exchanger industry association of siping abstract:：the plate heat exchanger heat

3、 transfer and fluid resistance performance is an important indicator reflects the advanced equipment, but also working conditions to complete the main guarantee of process parameters, and parameters directly affect the plate heat exchanger plate heat transfer and fluid resistance characteristics the

4、 main factors of corrugated experimental study on the heat exchanger design, development, selection and checking process has important guiding significance to the plate heat exchanger applications in various fields to promote a more decisive role. in a large number of different types of plate heat e

5、xchanger plate thermal test based on the experiment, were analyzed and the plate aspect ratio, corrugated form, corrugated angle, pitch corrugation, corrugation depth on heat transfer and fluid the relationship between resistance, design of new plate heat exchanger for the designers to predict the p

6、erformance of the new heat exchangers and provide the basis for selection. meanwhile the paper also the development of plate heat exchangers have the mistake the analysis and correction, and pointed out the direction of plate heat exchanger further research.keywords:：plate heat exchanger, heat excha

7、nge, heat transfer, wave parameters1、板式熱交換器板片的研究進(jìn)展傳熱板片是板式熱交換器的關(guān)鍵元件。它的設(shè)計(jì)主要考慮兩方面因素：使流體在低速下發(fā)生強(qiáng)烈湍流，以強(qiáng)化傳熱；提高板片剛度，能耐較高的壓力。傳熱板片的波紋形式不同會(huì)對(duì)傳熱及流動(dòng)阻力有較大影響，為滿足不同傳熱場(chǎng)合的需要，人們已研發(fā)出多種多樣的波紋板片，全球已開發(fā)了60種以上不同的板型，板片厚度薄至0.4mm的板片，可以在壓力高達(dá) 2.5mpa下工作。板型和幾何形狀都申請(qǐng)了專利，就應(yīng)用而論， 以人字形波紋板和水平平直波紋板為最廣。除波紋形式外，板式熱交換器的板片參數(shù)還包括：板片厚度、板片材質(zhì)、波紋截距、 波

8、紋深度等，由于這些參數(shù)的共同作用，使得不同的板片呈現(xiàn)出不同的性能。 1.1、國內(nèi)研究的現(xiàn)狀 國內(nèi)關(guān)于板式熱交換器的試驗(yàn)研究早在1967年蘭州石油機(jī)械研究所就丌展了關(guān)于板式熱交換器人字形波紋與水平波紋、球形波紋對(duì)比試驗(yàn)的研究，并得出人字形波紋在傳熱與流阻的綜合性能最優(yōu)的觀點(diǎn)。這一觀點(diǎn)到目前仍為眾多學(xué)者所引用。 此外清華大學(xué)、天津大學(xué)、山東大學(xué)等高校也從不同角度對(duì)熱交換器板形各影響因素進(jìn)行了深入地探討。而且已能定性的對(duì)各參數(shù)堆性能的影響進(jìn)行了分析，但到目前為止國內(nèi)尚無全面分析熱交換器器性能影響因素的報(bào)道，也無指導(dǎo)設(shè)計(jì)者根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。 1.2、國外研究的現(xiàn)狀 國外早在上世紀(jì)40年代

9、就開始了對(duì)板式熱交換器板片波紋參數(shù)的研究工作，而且其研究工作相對(duì)比較系統(tǒng)。1985年focke，ww，等人對(duì)不同人字形波紋角度盼板式熱交換器進(jìn)行了研究。文章研究了波紋人字形角度在30、45、60、72、80的情況下阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的準(zhǔn)則方程式。以及對(duì)流傳熱系數(shù)與雷諾數(shù)及普朗特?cái)?shù)的準(zhǔn)則方程式。關(guān)于波紋傾角與傳熱及流阻性能的試驗(yàn)研究在國外研究的很多，除focke，ww外， okada，k也對(duì)傾角為30、45、60、75的板片進(jìn)行了研究，不過他所采用的試驗(yàn)用板片波紋截面為三角形。此外一些大的板式熱交換器公司也采用自己的板片進(jìn)行了研究。如apv、schmidt、hedhlloj等。 1.3、近年來的研

10、究進(jìn)展 1999年amuley對(duì)板片波紋夾角為30度、60度組成三種單流程、逆流亂為u 形連接的板式熱交換器的傳熱及流體阻力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)介質(zhì)為水(pr為2-6)。當(dāng)流速保證600re1000時(shí)，得到nu及摩擦阻力系數(shù)f同角及表面擴(kuò)展系數(shù)之間的關(guān)系，隨著的增大，相對(duì)于平板板束nu提高2-5倍，而f提高了13-44倍，的增大與之關(guān)系相似，但其影響遠(yuǎn)小于。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)re1000，3060，得到了nu和f的準(zhǔn)測(cè)式。結(jié)論在泵功率一定時(shí)，通過調(diào)整re、和，可使傳熱相對(duì)于平板通道提高2.8倍。該文章未提及影響熱交換器性能的其它波紋參數(shù)的影響。 2007年山東大學(xué)的欒志峰采用數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)人字形波紋板式熱交

11、換器內(nèi)板片問的流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果驗(yàn)證了相關(guān)文獻(xiàn)關(guān)于波紋傾角對(duì)波紋板片間流體流動(dòng)形態(tài)的影響規(guī)律；隨著波紋傾角由小變大，通道中的流動(dòng)形態(tài)由“兩組交叉流”轉(zhuǎn)變成“曲折流。模擬結(jié)果還發(fā)現(xiàn)波紋傾角不是影響人字形板式熱交換器內(nèi)流動(dòng)形態(tài)的唯一因素，人字形波紋的其它幾何參數(shù)也會(huì)影響到流體的流動(dòng)形態(tài)，從流體沿波紋方向的流體動(dòng)量分量和流動(dòng)阻力共同作用的角度，探討了波紋幾何參數(shù)對(duì)人字形波紋板片流體流動(dòng)形態(tài)的影響機(jī)理。 已有學(xué)者對(duì)熱交換器板型參數(shù)對(duì)性能的影響進(jìn)行了比較深入地研究，并能夠根據(jù)板片的波紋形式預(yù)測(cè)性能。但該理論是建立在作者進(jìn)行理論分析的結(jié)果，并未通過實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。 2、板片波紋分析 2.1、板型統(tǒng)計(jì)分類

12、首先對(duì)近二十年各類熱交換器的測(cè)試報(bào)告進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分類，特別是2000-2010年這10年是我國板式熱交換器行業(yè)研究、丌發(fā)及應(yīng)用快速發(fā)展的10年，共測(cè)試了335臺(tái)，95為各種人字形波紋。其中測(cè)試介質(zhì)水一水273臺(tái)；油一水34臺(tái)：汽一水28臺(tái)。介質(zhì)是水一水，占總數(shù)量的815。本文僅分析水一水測(cè)試工況板式熱交換器的測(cè)試情況。由表1可統(tǒng)計(jì)出，水一水測(cè)試273臺(tái)全部是人字形，人字形波紋已經(jīng)占絕對(duì)主導(dǎo)。說明在我國人字形波紋“優(yōu)于”其它波紋己被業(yè)內(nèi)人士所共識(shí)。表1、板式熱交換器測(cè)試狀況波紋形式人字形六道街面等流道不等流道波紋夾角9090混裝非對(duì)稱9090波紋形狀正弦波梯形三角形正弦波梯形三角形正弦波梯形正弦波

13、正弦波梯形正弦波梯形數(shù)量110224301238111420552小計(jì)136424814257合計(jì)24132從夾角來看，以等流道為例，夾角90，板型居多，占76。6500126.876.8726000-6500106.1112.9835000-60008256.4969.4744000-50003728.2497.715400032.29100.00小計(jì)144由表3看出，板式熱交換器的k值5000一6000最多，占56.49，5000以下占 30.53；說明90的硬板，用k值作為判據(jù)，其局限性比較明顯，適用的場(chǎng)合也不多。 小角度(400049.099.0923500-40001329.7437

14、.8433000-35002455.7694.59490。，其它條件一定時(shí)，在一定的波深(h=2.83.9)，法節(jié)(=1l16)范圍內(nèi)，波紋密度h取4.04.5之間較佳：若h在2.0-2.8范圍，取3.54.0較好：另外數(shù)據(jù)分析還反映出，當(dāng)4的板型。 對(duì)長寬比lb的分析，大致按兩種情況進(jìn)行了分類，一種是長寬都不定，總的趨勢(shì)lb增加，一套模具，一種板型。另一種是抽芯和加長，即寬度b一定，l增加，亦即在傳熱區(qū)加長一塊或在傳熱區(qū)減少一塊，板片角孔與導(dǎo)流區(qū)均不動(dòng)。是一套模具，二種組合的板型。傳統(tǒng)的板型lb在2-3之間，是設(shè)計(jì)者考慮綜合性能的結(jié)果。而大lb的板型是設(shè)計(jì)者考慮應(yīng)用工況特殊要求的結(jié)果。在國內(nèi)

15、板式熱交換器應(yīng)用已有了很大發(fā)展的今天，不應(yīng)再單獨(dú)追求某個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的最佳值，而是應(yīng)結(jié)合市場(chǎng)需求，擴(kuò)大工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合與應(yīng)用領(lǐng)域，在繼續(xù)提高原有傳統(tǒng)板型性能的基礎(chǔ)上，不斷丌發(fā)新型的、特殊的板型是我國板式熱交換器工作者努力的方向?；诖?，中心對(duì)近幾年國內(nèi)發(fā)展較好的一套模具、二種組合(抽芯或加長)板型進(jìn)行了專門研究，以期對(duì)這類板型提供一些參考意見。 在近5年內(nèi)，共測(cè)試這類板型40臺(tái)，其中水一水等流道30臺(tái)，油一水等流道4臺(tái)，水水不等流道6臺(tái)。水一水等流道居多占75，重點(diǎn)對(duì)這部分板型作了研究。表6、長、短板片數(shù)據(jù)表組別板號(hào)測(cè)試號(hào)ahlbl/bkppljntui組15980.07822.51013051514

16、83.4854693261360.8825100.09772.5101306401484.4153834773391.21ii組31090.25163.8141309103302.7649383134320.9541080.33893.81413011403303.4647563934311.26iii組54140.4373.6131447024040381.0764120.6193.6138349417052441.58組74760.55122.510雙12513054442.94593410177402.5684730.71492.510

17、雙12516104443.63541812175403.05v組94780.55152.610雙5513054442.9434972116141.52104750.71492.610雙5516104443.6332522314131.80組113640.84452.59雙12814905552.685752160107572.81123651.14422.59雙12819405553.505808207107543.87表6顯示出，6組短板長寬比lb為2.143.48，6組長板長寬比lb為2.834.41，組與組之間數(shù)據(jù)看不出規(guī)律，但通過計(jì)算可看出，這6組中長短板的lb之比最大的為iil組1.

18、32倍(2.142.83)，最小的為v組1.23倍(2.943.63)，而且每組長短板波紋參數(shù)與結(jié)構(gòu)尺寸除了l不一樣，其它都一致，這十分有利于分析對(duì)比板子加長前后傳熱與流阻性能及綜合性能所表現(xiàn)出的規(guī)律。先看傳熱性能。由于各組板片lb加長的不同，導(dǎo)致傳熱面積a增大不一，表現(xiàn)出這六組中k值總的升降趨勢(shì)不好確定。但無論k值是升還是降，大都不超5，僅iii組例外8.6。若考慮測(cè)試誤差與板片成型精度方面差異，可以認(rèn)定k值大致基本不變這一統(tǒng)計(jì)規(guī)律。這時(shí)，當(dāng)其它條件一定時(shí)，傳熱單元數(shù)ntu因傳熱面積a起主導(dǎo)作用，長板ntu值均增大，增長最大的iii組有32，最小的也有16。 再看阻力降p。板片加長p增大這點(diǎn)

19、不容置疑，從數(shù)據(jù)來看，每組均增長較多，僅v組增長較少，僅增長了2kpa，原因是該組=55，但其它大b組l增長與p增大是同步增加的，僅i、iii組由于p增長過快，造成長板pl過大，認(rèn)為這可能是長板與短板lb之比過大造成的。理由是，在板子加長合適比例的條件下，若波紋參數(shù)與結(jié)構(gòu)尺寸控制一致(排除成型與測(cè)試誤差的干擾)，長板pl總的趨勢(shì)應(yīng)是保持大致不變甚至略有下降的，因?yàn)閭鳠釁^(qū)由于l加長而引起的阻力增長，在全程進(jìn)、出口壓降p中所占的比例應(yīng)遠(yuǎn)小于進(jìn)出口與導(dǎo)流區(qū)(局部阻力)的阻力在p中所占的比例。經(jīng)數(shù)據(jù)分析后，長板與短板長寬比lb之比應(yīng)小于1.3較好。因?yàn)樵趇組中，iii組長板與短板lb之比為1.32，其

20、他組均為1.3以下。前面說過僅i、iii組中長板pl過大，i組單板傳熱面積太小(a=0.0977)確乏代表性，將其排除。那么ii組的單板傳熱面積都在0.21.2之間，可代表大多常用板型范圍，所以這一結(jié)論在這一范圍具有一定的參考性。 從上面顯示綜合性能j的數(shù)據(jù)來看，p增大幅度如果大于ntu增大的幅度，j增大；反之j減小。由表4可以看出，、v、組中的長板較好，j不僅沒有增大，反而略有下降；i、i組中長板較差些，j增大較多，6#板較之5#板j增大了14，2#板較之l群板j增大了8。 用綜合性能比壓力降j來衡量長短板lb較合理，這對(duì)設(shè)計(jì)者確定這類長短板的lb很有幫助，不能盲目追求大lb與大傳熱溫差，這

21、會(huì)使阻力不合理的上升，合理與否的 判別應(yīng)是比壓力降j值大致相當(dāng)甚至略有下降較好。3、需要糾正的幾個(gè)錯(cuò)誤認(rèn)識(shí) 板式熱交換器在國內(nèi)發(fā)展的的幾十年里，一套相對(duì)成熟的理論基本形成，但其中也有一些理論有一定的局限性，錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)造成了設(shè)備的不合理，應(yīng)用無法得到推廣。 3、1關(guān)于人字形波紋 雖然本次實(shí)驗(yàn)研究的主要板型為人字形波紋，但不能簡(jiǎn)單的認(rèn)為人字形波紋比其他板型要好。這種片面的理論將會(huì)限制設(shè)計(jì)開發(fā)者的思路，目前國內(nèi)基本上所有板型都是簡(jiǎn)單人字形，這也是以往錯(cuò)誤理論所造成的嚴(yán)重后果。 3、2關(guān)于板片厚度 板片厚度對(duì)設(shè)備的成本影響很大，但對(duì)傳熱性能的影響應(yīng)該綜合考慮，曾經(jīng)有人認(rèn)為將0.5mm的不銹鋼板換成0.

22、4mm，則總換熱系數(shù)就會(huì)提高20。這種想法顯然是錯(cuò)誤的，傳熱的熱阻主要有對(duì)流側(cè)熱阻(包括內(nèi)外側(cè))、污垢熱阻和板片熱阻三部分組成，由于板式熱交換器板片一般采用0.51.0mm的不銹鋼薄板，熱阻相對(duì)較小，單純降低板片熱阻不會(huì)對(duì)傳熱產(chǎn)生多大的影響。但是降低板片的厚度理論上能夠提高換熱強(qiáng)度，因此對(duì)其性能的分析應(yīng)以試驗(yàn)或?qū)嶋H運(yùn)行的具體參數(shù)來分析，而非理論推導(dǎo)，更不能主觀臆測(cè)。 3、3關(guān)于傳熱系數(shù)、比壓降 以往將換熱系數(shù)與節(jié)能掛鉤，片面強(qiáng)調(diào)傳熱系數(shù)，造成全國上下開發(fā)的板型全部是高阻板，一段時(shí)期內(nèi)甚至將傳熱系數(shù)的高低作為換熱設(shè)備優(yōu)良的評(píng)價(jià)指標(biāo)，嚴(yán)重制約板式熱交換器在國內(nèi)的發(fā)展。目前還有一種苗頭就是認(rèn)為比壓力

23、降小設(shè)備綜合性能好，如果讓這種理論形成共識(shí)，同樣會(huì)對(duì)熱交換器的進(jìn)步產(chǎn)生不良的影響。比壓降作為板式熱交換器性能的一項(xiàng)指標(biāo)，不能將其作用擴(kuò)大化。因此研究板片波紋參數(shù)對(duì)性能的影響，其作用不是用來評(píng)價(jià)熱交換器的優(yōu)與差，而是指導(dǎo)丌發(fā)更適合于工況的熱交換設(shè)備，對(duì)性能的了解和預(yù)測(cè)指明了研究工作的方向。4、結(jié)論 板片結(jié)構(gòu)參數(shù)與測(cè)試數(shù)據(jù)分析表明： 4.1、在一定范圍內(nèi)(=55130)，k值隨著波紋夾角的變化基本上是呈線性變化的，而pl隨著波紋夾角的變化是呈指數(shù)規(guī)律變化的。波紋夾角對(duì)板型流阻的影響較之對(duì)傳熱的影響要強(qiáng)烈的多，適當(dāng)?shù)牟y夾角可以獲得較好的綜合性能； 4.2、法節(jié)對(duì)流動(dòng)阻力的影響非常顯著，而對(duì)傳熱性能則影響較小。在設(shè)計(jì)波紋參數(shù)、h時(shí)，將與h關(guān)聯(lián)起來考慮更重要，要得到較好的綜合性能h不宜太小，否則阻力將大幅度增加；不同、h的板型應(yīng)有自己h的取值范圍，而不應(yīng)追求h的最佳值，在該范圍的k值不一定最高，但綜合