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 太原科技大學機電學院 太原 030024黃慶軍 四平市換熱器協(xié)會 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)設備先進性的重要指標，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)的試驗研究對熱交換器的設計、開發(fā)、選型、校核等過程都有重要的指導意義，對板式熱交換器在各種領域的推廣應用更起著決定性的作用。在對大量各種不同板型的板式熱交換器熱工試驗實驗的基礎上，進行分析，得出了板型長寬比、波紋形式、波紋傾角、波紋節(jié)距、波紋深度對傳熱及流體阻力之間的相互關系，為設計者設計新型板式熱交換器、

2、預測新型熱交換器的性能以及選型提供依據(jù)。同時本文也對板式熱交換器發(fā)展過程產生的錯誤認識進行的分析與糾正，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展傳熱板片是板式熱交換器的關鍵元件。它的設計主要考慮兩方面因素：使流體在低速下發(fā)生強烈湍流，以強化傳熱；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對傳熱及流動阻力有較大影響，為滿足不同傳熱場合的需要，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 2.5mpa下工作。板型和幾何形狀都申請了專利，就應用而論， 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、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、國內研究的現(xiàn)狀 國內關于板式熱交換器的試驗研究早在1967年蘭州石油機械研究所就丌展了關于板式熱交換器人字形波紋與水平波紋、球形波紋對比試驗的研究，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。這一觀點到目前仍為眾多學者所引用。 此外清華大學、天津大學、山東大學等高校也從不同角度對熱交換器板形各影響因素進行了深入地探討。而且已能定性的對各參數(shù)堆性能的影響進行了分析，但到目前為止國內尚無全面分析熱交換器器性能影響因素的報道，也無指導設計者根據(jù)實際工況進行設計的理論依據(jù)。 1.2、國外研究的現(xiàn)狀 國外早在上世紀40年代

9、就開始了對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比較系統(tǒng)。1985年focke，ww，等人對不同人字形波紋角度盼板式熱交換器進行了研究。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)的準則方程式。以及對流傳熱系數(shù)與雷諾數(shù)及普朗特數(shù)的準則方程式。關于波紋傾角與傳熱及流阻性能的試驗研究在國外研究的很多，除focke，ww外， okada，k也對傾角為30、45、60、75的板片進行了研究，不過他所采用的試驗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行了研究。如apv、schmidt、hedhlloj等。 1.3、近年來的研

10、究進展 1999年amuley對板片波紋夾角為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驗數(shù)據(jù)，試驗介質為水(pr為2-6)。當流速保證600re1000時，得到nu及摩擦阻力系數(shù)f同角及表面擴展系數(shù)之間的關系，隨著的增大，相對于平板板束nu提高2-5倍，而f提高了13-44倍，的增大與之關系相似，但其影響遠小于。在實驗數(shù)據(jù)re1000，3060，得到了nu和f的準測式。結論在泵功率一定時，通過調整re、和，可使傳熱相對于平板通道提高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年山東大學的欒志峰采用數(shù)值計算軟件對人字形波紋板式熱交

11、換器內板片問的流場進行了模擬，模擬結果驗證了相關文獻關于波紋傾角對波紋板片間流體流動形態(tài)的影響規(guī)律；隨著波紋傾角由小變大，通道中的流動形態(tài)由“兩組交叉流”轉變成“曲折流。模擬結果還發(fā)現(xiàn)波紋傾角不是影響人字形板式熱交換器內流動形態(tài)的唯一因素，人字形波紋的其它幾何參數(shù)也會影響到流體的流動形態(tài)，從流體沿波紋方向的流體動量分量和流動阻力共同作用的角度，探討了波紋幾何參數(shù)對人字形波紋板片流體流動形態(tài)的影響機理。 已有學者對熱交換器板型參數(shù)對性能的影響進行了比較深入地研究，并能夠根據(jù)板片的波紋形式預測性能。但該理論是建立在作者進行理論分析的結果，并未通過實驗的證實。 2、板片波紋分析 2.1、板型統(tǒng)計分類

12、首先對近二十年各類熱交換器的測試報告進行了統(tǒng)計分類，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)及應用快速發(fā)展的10年，共測試了335臺，95為各種人字形波紋。其中測試介質水一水273臺；油一水34臺：汽一水28臺。介質是水一水，占總數(shù)量的815。本文僅分析水一水測試工況板式熱交換器的測試情況。由表1可統(tǒng)計出，水一水測試273臺全部是人字形，人字形波紋已經(jīng)占絕對主導。說明在我國人字形波紋“優(yōu)于”其它波紋己被業(yè)內人士所共識。表1、板式熱交換器測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136424814257合計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，適用的場合也不多。 小角度(400049.099.0923500-40001329.7437

14、.8433000-35002455.7694.59490。，其它條件一定時，在一定的波深(h=2.83.9)，法節(jié)(=1l16)范圍內，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4的板型。 對長寬比lb的分析，大致按兩種情況進行了分類，一種是長寬都不定，總的趨勢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，板片角孔與導流區(qū)均不動。是一套模具，二種組合的板型。傳統(tǒng)的板型lb在2-3之間，是設計者考慮綜合性能的結果。而大lb的板型是設計者考慮應用工況特殊要求的結果。在國內

15、板式熱交換器應用已有了很大發(fā)展的今天，不應再單獨追求某個結構參數(shù)的最佳值，而是應結合市場需求，擴大工業(yè)應用場合與應用領域，在繼續(xù)提高原有傳統(tǒng)板型性能的基礎上，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?，中心對近幾年國內發(fā)展較好的一套模具、二種組合(抽芯或加長)板型進行了專門研究，以期對這類板型提供一些參考意見。 在近5年內，共測試這類板型40臺，其中水一水等流道30臺，油一水等流道4臺，水水不等流道6臺。水一水等流道居多占75，重點對這部分板型作了研究。表6、長、短板片數(shù)據(jù)表組別板號測試號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)與結構尺寸除了l不一樣，其它都一致，這十分有利于分析對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。若考慮測試誤差與板片成型精度方面差異，可以認定k值大致基本不變這一統(tǒng)計規(guī)律。這時，當其它條件一定時，傳熱單元數(shù)ntu因傳熱面積a起主導作用，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

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)與結構尺寸控制一致(排除成型與測試誤差的干擾)，長板pl總的趨勢應是保持大致不變甚至略有下降的，因為傳熱區(qū)由于l加長而引起的阻力增長，在全程進、出口壓降p中所占的比例應遠小于進出口與導流區(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之比應小于1.3較好。因為在i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，這對設計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、會使阻力不合理的上升，合理與否的 判別應是比壓力降j值大致相當甚至略有下降較好。3、需要糾正的幾個錯誤認識 板式熱交換器在國內發(fā)展的的幾十年里，一套相對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，錯誤的認識造成了設備的不合理，應用無法得到推廣。 3、1關于人字形波紋 雖然本次實驗研究的主要板型為人字形波紋，但不能簡單的認為人字形波紋比其他板型要好。這種片面的理論將會限制設計開發(fā)者的思路，目前國內基本上所有板型都是簡單人字形，這也是以往錯誤理論所造成的嚴重后果。 3、2關于板片厚度 板片厚度對設備的成本影響很大，但對傳熱性能的影響應該綜合考慮，曾經(jīng)有人認為將0.5mm的不銹鋼板換成0.

22、4mm，則總換熱系數(shù)就會提高20。這種想法顯然是錯誤的，傳熱的熱阻主要有對流側熱阻(包括內外側)、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，熱阻相對較小，單純降低板片熱阻不會對傳熱產生多大的影響。但是降低板片的厚度理論上能夠提高換熱強度，因此對其性能的分析應以試驗或實際運行的具體參數(shù)來分析，而非理論推導，更不能主觀臆測。 3、3關于傳熱系數(shù)、比壓降 以往將換熱系數(shù)與節(jié)能掛鉤，片面強調傳熱系數(shù)，造成全國上下開發(fā)的板型全部是高阻板，一段時期內甚至將傳熱系數(shù)的高低作為換熱設備優(yōu)良的評價指標，嚴重制約板式熱交換器在國內的發(fā)展。目前還有一種苗頭就是認為比壓力

23、降小設備綜合性能好，如果讓這種理論形成共識，同樣會對熱交換器的進步產生不良的影響。比壓降作為板式熱交換器性能的一項指標，不能將其作用擴大化。因此研究板片波紋參數(shù)對性能的影響，其作用不是用來評價熱交換器的優(yōu)與差，而是指導丌發(fā)更適合于工況的熱交換設備，對性能的了解和預測指明了研究工作的方向。4、結論 板片結構參數(shù)與測試數(shù)據(jù)分析表明： 4.1、在一定范圍內(=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。波紋夾角對板型流阻的影響較之對傳熱的影響要強烈的多，適當?shù)牟y夾角可以獲得較好的綜合性能； 4.2、法節(jié)對流動阻力的影響非常顯著，而對傳熱性能則影響較小。在設計波紋參數(shù)、h時，將與h關聯(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的板型應有自己h的取值范圍，而不應追求h的最佳值，在該范圍的k值不一定最高，但綜合