板式換熱器的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

趙曉文　蘇俊林
 (吉林大學(xué)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(guó)內(nèi)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(shù)和新方法。最后對(duì)板式換熱的未來(lái)進(jìn)行了展望,指出板式換熱器在廣泛的領(lǐng)域?qū)⒋笥凶鳛椤?br />     關(guān)鍵詞：板式換熱器　研究現(xiàn)狀　發(fā)展應(yīng)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(guò)板片進(jìn)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(dòng)阻力和泵功率消耗情況下,其傳熱系數(shù)要高出很多。國(guó)外自20世紀(jì)30年代開(kāi)始,板式換熱器的應(yīng)用已非常普遍。我國(guó)20世紀(jì)70年代,開(kāi)始批量生產(chǎn)板式換熱器,當(dāng)時(shí)大多用在食品、輕工、機(jī)械等部門(mén); 20世紀(jì)80年代初期,擴(kuò)大到民用建筑的集中供熱;中期,隨著高層建筑集中空調(diào)的增多和空調(diào)制冷設(shè)備產(chǎn)品的更新?lián)Q代,板式換熱器在空調(diào)制冷領(lǐng)域里的應(yīng)用已名列前茅。近年來(lái),板式換熱器技術(shù)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(gè)行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。今天板式換熱器技術(shù)的主要特點(diǎn)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(wú)膠連接技術(shù),使板式換熱器安裝和維護(hù)的時(shí)間節(jié)約80%。第三,由一種規(guī)格的板片設(shè)計(jì)兩種不同波形夾角,以滿足有不同壓力降要求的場(chǎng)合,從而擴(kuò)大了應(yīng)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(shí)驗(yàn)研究
    目前,板式換熱器設(shè)計(jì)、運(yùn)行還是主要依靠實(shí)驗(yàn)研究。早在132年前,德國(guó)發(fā)明了板式換熱器[1],直到1923年APV公司才開(kāi)始成批生產(chǎn)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(chǔ)。
    通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究和應(yīng)用實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)當(dāng)屬W. W. Focke的實(shí)驗(yàn)研究,他采用了有限擴(kuò)散電流技術(shù)(DLCT),通過(guò)類比關(guān)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(duì)傳熱與阻力性能的定性關(guān)系。W. W. Focke的實(shí)驗(yàn)也為板式換熱器的實(shí)驗(yàn)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(duì)換熱及流動(dòng)的影響。Muley和Manglik通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(guān)系式[4]。Mir-AkbarHessami通過(guò)兩種板片從層流到紊流區(qū)的實(shí)驗(yàn),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(duì)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(shí)驗(yàn)研究了板式換熱器板片之間鑲錐形圓釘增強(qiáng)擾動(dòng)強(qiáng)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(guò)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(gè)重要因素是它的流動(dòng)阻力較大。對(duì)于板式換熱器的阻力特性和壓力分析問(wèn)題, ReinhardWurfe,l Nikolai Ostrowski進(jìn)行了較細(xì)致的研究,說(shuō)明了影響板式換熱器性能的主要原因之一是變負(fù)荷及波紋板幾何參數(shù)的影響[7]。除了對(duì)板式換熱器在高雷諾數(shù)范圍內(nèi)傳熱與阻力性能的研究,還有一些學(xué)者對(duì)板式換熱器在低雷諾數(shù)范圍內(nèi)傳熱與阻力性能進(jìn)行了探索及實(shí)驗(yàn)。Muley在低雷諾數(shù)狀態(tài)下,對(duì)水-水和水-蔬菜油介質(zhì)板式換熱器進(jìn)行了阻力實(shí)驗(yàn),分析了不同波紋傾角板片參數(shù)對(duì)流阻的影響[8]。Yasa Eslamoglu等人對(duì)空氣流過(guò)水平平直波紋板進(jìn)行實(shí)驗(yàn),測(cè)試不同流道高度對(duì)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(huì)增加,實(shí)驗(yàn)表明小間距流道傳熱效果好[9]。
    ReinharedW iirful等人對(duì)波紋板式換熱器蒸汽冷凝性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,在完全凝結(jié)工況下研究了不同板片結(jié)構(gòu)、不同負(fù)荷及波紋傾角對(duì)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(gè)主要因素。B. PrabhakaraRao等人對(duì)板式換熱器中不均勻流動(dòng)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(shè)與實(shí)驗(yàn)情況有很大出入。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上考慮了非均勻流動(dòng)分布因素,建立了新的傳熱與流動(dòng)阻力公式,其結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合較好[11]。
    研究板式換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)有一種有效辦法就是速度場(chǎng)可視化技術(shù)。Saboya F. E. M.和Sparrow E. M采用了荼升華技術(shù)對(duì)波紋槽道的流動(dòng)二維速度場(chǎng)進(jìn)行了可視化研究[12]。后來(lái), Vlasongiannis P.[13]等人通過(guò)高速攝影機(jī)測(cè)量了氣水混合物傳熱系數(shù)比同樣條件下的液體流動(dòng)的傳熱系數(shù)高很多,尤其當(dāng)冷卻介質(zhì)中水速較低時(shí)(<0·025m/s ),氣體流動(dòng)貫穿覆蓋了整個(gè)流道,而受氣體剪切的液體水則在層流下做溪狀流動(dòng),這時(shí)傳熱效果最佳。
    國(guó)內(nèi)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(guó)開(kāi)始了一系列的實(shí)驗(yàn)研究工作。天津大學(xué)趙鎮(zhèn)南系統(tǒng)地研究了波紋傾角對(duì)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(duì)板式換熱器的壓力分布和阻力特性進(jìn)行了研究,通過(guò)實(shí)驗(yàn)揭示了兩種板型進(jìn)口段的流型分布以及壓力損失的原因所在[15]。文獻(xiàn)中用透明板片顯示通道內(nèi)流動(dòng)情況的方法,對(duì)于應(yīng)用激光技術(shù)實(shí)施對(duì)板式換熱器內(nèi)部速度場(chǎng)及溫度場(chǎng)的測(cè)定具有一定的啟示作用。周明連等通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)板式換熱器進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)板式換熱器內(nèi)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(nèi)部流動(dòng)阻力[16]。國(guó)內(nèi)一些學(xué)者采用染色示蹤法對(duì)人字形波紋槽道和斜波紋槽道進(jìn)行觀測(cè),得到的結(jié)果對(duì)后續(xù)研究具有一定的啟發(fā)性。近些年也有學(xué)者采用局部組合通道內(nèi)的可視化及傳熱機(jī)理研究方法預(yù)測(cè)推斷板式換熱器的傳熱及流阻特性,為開(kāi)發(fā)新板片開(kāi)辟了一種新的途徑。
    2·板式換熱器CFD及場(chǎng)協(xié)同研究
    板式換熱器實(shí)物實(shí)驗(yàn)投資大,時(shí)間長(zhǎng),花費(fèi)大量的人力;一些大型換熱器及復(fù)雜工況條件下的換熱器難以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。故近年來(lái),人們?cè)絹?lái)越熱衷于采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)手段對(duì)板式換熱器進(jìn)行數(shù)值模擬,而將CFD與實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合在一起研究板式換熱器是一種高效、經(jīng)濟(jì)的研究手段。
    早在1974年,英國(guó)學(xué)者Patankar和Spalding首先采用CFD手段對(duì)熱交換器進(jìn)行數(shù)值模擬研究,他們計(jì)算了管殼式熱交換器的流阻[17]。
    Carla S. Fernandes等人運(yùn)用CFD軟件對(duì)板式換熱器中攪拌酸奶的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行了模擬,建立了非牛頓流體模型,經(jīng)過(guò)數(shù)值計(jì)算得到其速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)[18]。Flavio C. C. Galeazzo, RapuelY. Miura等人對(duì)食品工程中使用的平板式板式換熱器進(jìn)行了模擬計(jì)算,結(jié)果證明平板式換熱器中的流動(dòng)多為層流,局部呈現(xiàn)湍流狀態(tài)[19]。他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了計(jì)算的有效性及正確性。
    KoneGrijspeerd,t BirinchiHazarka等人對(duì)人字形板式換熱器分別做了3維和2維的數(shù)值計(jì)算。在2維計(jì)算中得到波紋形狀的影響, 3維計(jì)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(duì)波紋板式換熱器過(guò)渡區(qū)和弱紊流區(qū)進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,為其它板式換熱器的數(shù)值計(jì)算提供了參考[21]。
    近幾年國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)板式換熱器CFD方面的研究取得很大的進(jìn)展。楊勇[22]采用曲線坐標(biāo)下的低雷諾數(shù)模型對(duì)波紋板式換熱器進(jìn)行了數(shù)值模擬,得到了速度場(chǎng)及溫度場(chǎng),發(fā)現(xiàn)并解釋了在換熱器冷、熱流量較大時(shí)特殊的對(duì)流交換曲線。張廣明、田茂誠(chéng)等人[23]采用CFD軟件對(duì)人字形板式換熱器進(jìn)行了數(shù)值模擬,從模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn),波紋傾角對(duì)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(jì)算區(qū)域,通過(guò)Fluent軟件對(duì)人字型板片進(jìn)行數(shù)值模擬,得到其槽道內(nèi)的3維壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)和溫度場(chǎng),較為仔細(xì)地分析了波紋傾角、波高和波距對(duì)流動(dòng)與換熱的影響。湖南大學(xué)任承欽、張國(guó)強(qiáng)等人[25],設(shè)計(jì)了一種隔板為六邊形的板式換熱器,并對(duì)此進(jìn)行了數(shù)值模擬,結(jié)果表明該新型換熱器具有準(zhǔn)逆流換熱的特點(diǎn)和強(qiáng)化換熱作用。上海交通大學(xué)景步云等人[26]對(duì)R22在板式蒸發(fā)器中沿流動(dòng)方向各點(diǎn)分布參數(shù)進(jìn)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(zhì)流動(dòng)時(shí)壓力和板壁溫度的變化情況。
    過(guò)增元先生提出的場(chǎng)協(xié)同原理[27]是分析對(duì)流換熱過(guò)程的一個(gè)工具。場(chǎng)協(xié)同原理是指對(duì)流換熱強(qiáng)度不僅取決于流體與固體壁面之間的溫差,流動(dòng)速度和流體熱物理性質(zhì)及輸運(yùn)性質(zhì),同時(shí)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(duì)不同的對(duì)流換熱過(guò)程進(jìn)行了分析,并取得了很好的效果。山東大學(xué)李曉亮[28]采用場(chǎng)協(xié)同原理對(duì)人字形板式換熱器進(jìn)行了強(qiáng)化傳熱研究,結(jié)果表明利用場(chǎng)協(xié)同積分余弦值和場(chǎng)協(xié)同匹配性與換熱效果存在相關(guān)性。場(chǎng)協(xié)同理論也可用于指導(dǎo)板式換熱器的設(shè)計(jì)改進(jìn)及對(duì)其強(qiáng)化換熱效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。
    3·結(jié)語(yǔ)
    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(guò)程中,除了高溫、高壓和特殊介質(zhì)條件外,板式換熱器均已替代管殼式換熱器。經(jīng)試驗(yàn)證明在板式換熱器適用范圍內(nèi),絕大多數(shù)工況時(shí),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(yù)見(jiàn)板式換熱器與管殼式換熱器的競(jìng)爭(zhēng)會(huì)更加激烈。
    此外,我國(guó)板式換熱器在實(shí)驗(yàn)研究和理論研究方面與國(guó)外先進(jìn)水平相比仍存在較大差距,所以仍需進(jìn)一步加強(qiáng)板式換熱器的研究。
    目前,我國(guó)換熱器產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模大概360億人民幣?；谑?、化工、電力、冶金、船舶、機(jī)械、食品、制藥等行業(yè)對(duì)換熱器穩(wěn)定的需求增長(zhǎng),我國(guó)換熱器產(chǎn)業(yè)在未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)將保持穩(wěn)定增長(zhǎng)。2010年,我國(guó)換熱器的市場(chǎng)需求將達(dá)到500億元左右[29]。另外,航天飛行器、半導(dǎo)體器件、核電站、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、太陽(yáng)能光伏發(fā)電及多晶硅生產(chǎn)等高新技術(shù)領(lǐng)域都需要大量的專業(yè)換熱器。展望板式換熱的未來(lái),它會(huì)在更廣泛的領(lǐng)域大有作為。
    參考文獻(xiàn)：略