板翅式换热器的研究进展

板翅式换热器的研究进展 刘敏珊李娜董其伍 (郑州大学热能工程研究中心,郑州450002) 摘要:简述了板翅式换热器在翅片传热和流动特性、翅片 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面特性以及物流分配对换热器效能影响等方面的研 究进展。指出将理论分析、实验研究、CFD数值模拟这三种手段巧妙地结合起来,可以收到相互补充、相得益彰的 作用,这是研究板翅式换热器问题理想而有效的手段。 关键词:板翅式换热器;翅片;导流片;封头 中图分类号:TQ051. 5文献标识码:A文章编号:1009-3281(2007)06-0009-04 Research progress of plate-fin heat exchanger in china LiuM inshan LINa Dong Q iwu (ThermalEnergyEngineeringResearch Center ofZhen Zhou University) Abstract The research progress ofheat transfer of fin, flow features, fin surface features and flow distribution and their influence to efficency of platef-in heat exchangerwere described in this paper. By using themethod of combination of theoretical analysis, experi ment research and CFD numerical simulation, the problems encountered in the research of plate-fin heat exchanger can be efficiently solved. Keywords plate-fin heat exchanger, fin, distributor, head 收稿日期:2007-07-20 作者简介:刘敏珊(1943—),女,教授,博士生导师。热能工程研究 中心主任。 板翅式换热器是一种高效、紧凑、轻巧的换热设 备,要比传统的管壳式换热器的传热效率提高20% ~30%,成本降低50%。板翅式换热器的结构形式 很多,但其结构单元体基本相同,都是由翅片、隔板、 封条和导流片组成,它是在金属平板上放一翅片 (即所谓二次传热面积),然后再在其上放一金属平 板,两边以边缘封条密封而组成一个基本单元,上下 的两块金属板称为隔板。换热器的芯体是由许多这 样的基本单元组成。如果对各个通道进行不同方式 的叠置和排列并钎焊成整体,就可得到最常用的逆 流、错流、错逆流板翅式换热器芯体。 我国上世纪60年代开始自行研发板翅式换热 器,但由于采用空气炉钎焊的生产工艺,所以只能生 产小型产品。1970年我国成功地使用盐浴浸沾钎 焊工艺制成铝制板翅式换热器,并在大型低压空气 分离设备和石油化工中应用。板翅式换热器现已广 泛应用于石油化工、航空航天、电子、原子能和机械 等领域,并在利用热能、回收余热、节约原料、降低成 本以及一些特殊用途上取得了显著的经济效益。 1翅片的研究进展 翅片是板翅式换热器最基本的元件,传热过程 主要是通过翅片来完成,一部分直接由隔板来完成。由于翅片传热不像隔板是直接传热,故翅片又有 “二次表面”之称。翅片的型式,到目前为止已出现以下几种:平直翅片、多孔翅片、锯齿翅片、波纹翅片、钉状翅片、百叶窗式翅片、片条翅片等。常用的有平直翅片、多孔翅片、锯齿翅片及波纹翅片。 目前国内翅片方面的研究主要集中在对传热和 流动特性以及表面特性进行研究。 1.1传热和流动特性的研究 常见的研究方法有三种:理论分析、实验研究及 数值模拟。 随着计算流体动力学(Computational Fluid Dy- namics,简称CFD)和计算传热学的蓬勃发展,使得 采用数值模拟的方法进行传热、传质、动量传递及燃烧、多相流和化学反应等的研究成为可能。 CFD在最近20年中的飞速发展,主要因为无 论分析的方法或实验的方法都有较大的限制, CFD 通过引入计算流体力学技术,能使设计思想迅速可 视化并以较低成本进行测试,从而大大缩短其从概 念到最终实现的时间。 因此,国内的部分学者通过利用CFD对板翅式 换热器进行了大量的研究。祝银海[7, 8, 12]针对平直形和锯齿形两种不同翅片类型进行了数值模拟研究。王武林[9]应用SIMPLE算法对错列翅片板翅式换热器换热表面的流动及传热进行数值模拟。漆 波[6]对低雷诺数下百叶窗翅片内的传热和流动特 性进行了数值模拟。 虽然现在计算机数值模拟技术已经发展到了相 当的程度,但是实验研究仍然是不可缺少的重要手段,实验数据的积累是进行数值模拟的重要基础。 进行数值模拟的各种假设都是建立在已有知识和推断上的,如果假设与实际情况不符,将导致错误的数 值模拟结果。 因此部分学者利用试验研究的方法对翅片进行 研究,张后雷[13]研制了一种新型波纹打孔型板翅换热表面,采用单吹法测量了其传热特性,考虑到热容 量不均匀性分布,提出了一维瞬态导热数值修正方法。并指出波纹打孔型表面的传热特性明显优于普通的波纹型表面。张力[14]对4种错开位置不同的 锯齿翅片,按2组不同的高度,做成8种试验件,应 用瞬态法进行了试验研究,得出了每种翅片的传热 特性准则关系式,并在实验的基础上,对错开位置与 传热特性的关系问题进行了整理和分析。理论分析 的方法相对较少,王杨君[10]对裂齿矩形翅片板翅式换热器中的裂齿矩形翅片的传热效率作了分析。 以上的研究表明,平直形和锯齿形翅片中冷热 流体的局部传热系数的最大值都出现在入口处,锯齿形翅片高换热效率的根本原因在于,锯齿形翅片流体的局部传热系数和压力存在突变,流体的边界层厚度要薄于在平直形翅片中的厚度,流体的局部换热系数和压损大于其在平直形翅片中的值。错列翅片板翅式换热器增强了换热效果,但在强化传热的同时也增大了流动阻力。裂齿矩形翅片板翅式换热器中并得出了最佳翅片纵向间距与翅片长度和翅片厚度乘积的平方根的比为1. 5~2. 5,最佳翅片尺 寸系数为3~5时,传热强化效果较好。 国内对翅片的研究主要采用数值模拟和试验研 究的方法,大部分研究在于对翅片的流动和传热性能研究,通过对不同的几何结构进行研究,以期找到传热效果最好的结构,并给工程实际提供了理论依据。但研究的对象主要还是传统的翅片,对新型的翅片结构的研究相对较少。这方面的研究应该也是一个十分重要的工作。 1.2翅片的表面特性研究 板翅式换热器的传热与流动阻力性能主要决定 于翅片的表面特性。美国斯坦福大学的Kays和Landon曾对紧凑式换热器表面进行了较系统的实验研究,提供了40多种翅片形状的板翅式翅片的传热和阻力曲线图。随着CFD技术在板翅式换热器设计开发中越来越广泛的应用,许多工程实际问题不再局限于漫长而复杂的试验研究。国内长期采用日本通用翅片性能曲线,使得国产板翅式换热器的热力设计误差很大。因此,通过试验获取国产翅片表面性能曲线。运用数值模拟技术分析翅片表面传热与流动特性,是一项十分重要和有意义的研究工作。 李媛[15-17]通过稳态试验法,对锯齿形、波纹形、百叶窗形铝翅片表面性能进行了研究,取得了相应的Re-j和Re-f曲线。指出随着雷诺数的增大,翅片表面的传热因子下降,摩擦因子也下降。指出平直翅片的高度对其传热性能有直接影响,翅片间距越大,传热效果越好;锯齿翅片的切开长度越短,传热 性能越好;波纹翅片的波幅越大,翅片间距越大其传热效果越好。庞铭[18]采用计算机编程对错位翅片型板翅换热器的传热因子、摩擦因子及翅片结构对传热性能影响进行了数值模拟,并指出在需要较大传热系数的场合,选用高度小、翅片厚度大、有效长 度短、间距小的翅片;相反,在需要传热系数较小场·10·化工设备与管道第44卷第6期合以选用高度大、翅片厚度小、有效长度长、间距大的翅片为宜。李建军[19]:通过对油水板翅式换热器进行的性能试验,得到了低雷诺数流动下板翅式换 热器翅片侧传热与阻力特性的数据,在此基础上获 得了错位翅片传热因子与摩擦系数的准则关系式, 传热因子和摩擦系数的最大计算误差分别为0. 62%和1. 44%。根据这些准则关系式提出了一个 衡量翅片质量的经济系数。 综上所述,可供使用的多种翅形j因子和f因子 数据已有不少,但可用的关联式较少。因此,理论 分析、实验研究及数值模拟三种方法相结合来研究翅片流动和传热的本质,并建立j因子和f因子数据 库将是今后十分重要的工作。 2导流片、封头的研究进展 导流片和封头的主要用途是均匀分配流体流过 换热器。由于封头、导流片的设计不合理,通道加工误差,换热过程中一些因素(例如黏性流体的冷却, 热力震动等)的影响也会造成换热器内部物流分配 的不均匀。流体分配的不均匀会引起换热器内局部通道的Re发生变化,从而造成换热器效率降低。因 此研究换热器内部物流分配对整体效能的影响有很重要的意义。国内学者对物流分配对换热器效能的影响这一问题进行了较为广泛的研究。 对于导流片的研究,西安交通大学在这方面的 研究比较多。张哲等[20]提出了具有补液腔的新型 导流片结构,并定义了新型导流片的结构参数,采用 这种新型的导流片可以有效改进换热器内部物流分配不均匀的问题。焦安军[21]针对不同导流角度对 导流片性能的影响进行了研究。以上研究表明横向物流分配的不均匀性大于纵向物流分配的不均匀性,影响导流片性能的主要因素包括导流片的导流 角度。导流角度为45°的导流片具有良好的分配特性。 王江[22]研究了各种封头结构对换热器换热性 能的影响以及由于换热器内部物流分配不均匀引起换热器效能下降的问题。周爱民[23]研究了不同Re 下3种封头结构对板翅式换热器内部物流分配和阻力分布特性的影响。巫江虹[24]提出了三种两相流 板翅式换热器封头形式,即水帘式、打孔管式、孔板式。在允许的压降范围内,明显改善了两相流分配 的不均匀状况。并指出孔板式封头的两相分配性能最佳。文键[25]利用粒子图像测速仪(PIV),对板翅 式换热器封头结构添加打孔挡板前后的流场进行了 可视化研究分析。 以上研究表明:不同封头结构对换热器流量分 配和温度分布影响很大。工业用基本型封头造成板 翅式换热器内部物流分配极不均匀,孔板型封头结 构能有效地降低不均匀参数和最大流速比,可极大 地改善物流分配的效果,而错排孔板型封头结构的 改善效果最佳。添加打孔挡板之后的改进型封头, 可以很大程度上改善流场的不均匀性。 板翅式换热器封头结构物流分配的研究采用数 值试验-计算流体力学(CFD)方法来模拟计算并优 化设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ,不仅可减少试验研究的投入,而且获得 的结果直观、快捷。目前国内应用CFD研究板翅式 换热器封头设计的文献较少,这方面的研究是今后 的一个发展方向。 流体不均匀分配使换热器效率降低,压降增大, 这种影响将随着换热器传热单元数的增大而加剧。 所以在高效紧凑换热器中,由于复杂的流动工况,两 相流入口分配结构设计的困难以及流量振荡等不稳 定因素,均匀分配是个悬而未决的问题。因此,研究 流体的均匀分布仍是今后的一个重要工作。 3结论 近年来,板翅式换热器的设计理论、试验研究、 制造工艺、开拓应用的研究方兴未艾,特别是一些新 技术的渗透,使其应用范围更加广泛,进入了一个新 的发展时期。 综上所述,CFD技术在板翅式换热器设计开发 中越来越广泛的应用,但对其进行的研究与工程实 际需求还相差较远,还需将理论分析、实验研究、 CFD数值模拟这三种研究手段巧妙地结合起来,可 以收到相互补充、相得益彰的作用。这是研究板翅 式换热器问题的理想而有效的手段。 在化学工业中,利用板翅式换热器的研究已进 行多年,应用于传热反应等一直是工业界关心的问 题。板翅式换热器在核能、宇航、超导等尖端技术中 应用还遇到不少问题。随着板翅式换热器技术的进 ·11·2007年12月刘敏珊等·板翅式换热器的研究进展 一步发展与完善,可以预期其应用领域将不断拓宽。 参考文献 [ 1 ]凌祥,涂善东,陆卫权.板翅式换热器的研究与应用进展[J]. 石油机械, 2000, 28(5): 54-57. 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