基于正交試驗的釬焊板式換熱器優(yōu)化設(shè)計

陳宗毅，何 林

(貴州大學(xué)，貴州 貴陽 550025)

0 引言

釬焊板式換熱器具備重量輕、體積小、傳熱效率高等優(yōu)點，它不但被應(yīng)用于供熱、制冷、空調(diào)、化工冷藏、飲用水處理、廢水處理、熱回收等方面，也被廣泛的應(yīng)用于各種機械液壓系統(tǒng)油液的換熱過程中［1-3］。提高釬焊板式換熱器的換熱性能，降低液壓系統(tǒng)中油液溫度，減少液壓系統(tǒng)中各部件過熱而造成的損耗成為目前重要的研究方向。

對于釬焊板式換熱器的研究目前主要為設(shè)計與實際應(yīng)用。Giovanni A.Longo［4］研究了在釬焊板式換熱器中幾種飽和蒸汽的冷凝過程中，流體的流動特性與傳熱系數(shù)及壓降。王雷［5］等做了釬焊換熱器的水—水換熱性能實驗，測得了傳熱系數(shù)和壓降的性能曲線。袁凌［6］從制造工藝、產(chǎn)品性能及應(yīng)用三個方面闡述了全不銹鋼釬焊板式換熱器(AlfaNova)的性能及實際應(yīng)用。陳亞平［7］通過實驗研究了釬焊板式換熱器用于暖氣熱水器的傳熱性能，并得到其傳熱性能優(yōu)于管式換熱器。喬曉剛［8］等研究了波紋傾角、波距及波紋深度對水—水換熱釬焊板式換熱器中流體傳熱及流動狀態(tài)的影響。

由于釬焊板式換熱器與傳統(tǒng)可拆式板式換熱器的流道形狀不相同，且運用單因素分析單個參數(shù)的影響不能獲得較優(yōu)選的換熱器尺寸參數(shù)。故本文根據(jù)某釬焊板式換熱器的實際結(jié)構(gòu)尺寸，建立物理模型，并設(shè)計正交仿真試驗，綜合考察波紋深度、波紋傾角及波距對換熱性能的影響。

1 釬焊板式換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)和物理模型

圖1為釬焊板式換熱器板片的結(jié)構(gòu)示意圖，并給出了板片的外形尺寸，及對換熱器換熱性能影響較大的三個參數(shù):波紋深度h、波紋傾角β及波距P。

圖1 板片結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)某釬焊板式換熱器的板片形狀，建立如圖2所示的由一個冷流道和一個熱流道組成的物理模型。并根據(jù)釬焊板式換熱器流體的流動形式—單邊流，布置流體的進出口在同一側(cè)。且每塊板片的有效換熱面積均為45 624 mm2，其中板片的厚度為0.4 mm。

圖2 釬焊板式換熱器物理模型

2 流場仿真與正交試驗方案

2.1 計算假設(shè)

運用計算流體力學(xué)Fluent軟件，對釬焊板式換熱器的物理模型進行穩(wěn)態(tài)分析，采用標(biāo)準湍流方程，在仿真分析流體的流動傳熱之前，作出如下假設(shè):流體的物理屬性不隨溫度和時間的變化而變化;流體在運動過程中，忽略重力的影響;只考慮中間傳熱板傳熱。

2.2 網(wǎng)格劃分和邊界條件

由于釬焊板式換熱器板片的外形比較復(fù)雜，板片波紋的形狀尺寸較小，只能采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。為了獲得較高的計算精度，網(wǎng)格的質(zhì)量至關(guān)重要。本次仿真細劃了板片的波紋區(qū)域，采用初始網(wǎng)格尺寸為0.5 mm，網(wǎng)格高度比為1.2，全局網(wǎng)格尺寸為7 mm。網(wǎng)格數(shù)380萬左右。圖3給出了板片局部網(wǎng)格分布。

圖3 板片局部網(wǎng)格

本文的研究對象為油—水換熱器，表1給出了材料的物性參數(shù)。熱流與冷流的入口條件均采用速度入口條件，根據(jù)釬焊板式換熱器的實際工況，熱流與冷流入口流量在1.2 m3/h～4.4 m3/h范圍內(nèi)，由流量計算得熱流入口速度為0.008 m/s，冷流的入口速度為0.01 m/s。冷熱流的出口均采用常規(guī)的壓力出口條件，只考慮流體在流道中受到板片波紋的阻力影響，因此出口壓力設(shè)置為0 Pa。

表1 流體物性參數(shù)

2.3 正交試驗方案

根據(jù)釬焊板式換熱器板片的制造工藝，此三個結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值范圍分別為:h=3 mm～6 mm，波紋傾角 β =30°～80°，波距 P=4 mm～10 mm。考慮到該釬焊板式換熱器的結(jié)構(gòu)形式及尺寸大小，在設(shè)計正交試驗時，每個因素選取4個水平。此正交試驗的水平因素如表2所示。

表2 板片幾何參數(shù)正交試驗水平因素

由于研究對象有3因素4水平，采用L16(45)的正交表，設(shè)計波紋深度h、波紋傾角β、波距P的正交仿真試驗方案，如表3所示。

表3 正交試驗方案和仿真結(jié)果

3 正交試驗結(jié)果分析

由Fluent軟件計算出每組試驗的熱流與冷流在板片間的平均速度，計算的結(jié)果如表3所示，將仿真出的速度值換算為雷諾數(shù)，并通過傳熱準則關(guān)聯(lián)式計算出此物理模型的傳熱系數(shù)。

流體傳熱的準則關(guān)聯(lián)式［9］:

式中:Re為雷諾數(shù)，Pr為普朗特數(shù)，系數(shù)C=0.15～0.4，各指數(shù)的取值范圍m=0.65～0.85，n=0.3～0.45。根據(jù)本文的研究對象，取C=0.18，指數(shù)m=0.72，n=0.3。

熱阻的計算公式:

式中，λ為流體的導(dǎo)熱系數(shù)，單位W/(m·℃);de為當(dāng)量直徑，單位m。

傳熱系數(shù)方程為:

式中:K為總傳熱系數(shù)，單位 W/(m2·℃);α1、α2分別為熱、冷流體熱阻，單位(m2·℃)/W;σ為傳熱板板厚，單位m;λ1為傳熱板導(dǎo)熱系數(shù)，單位W/(m·℃)。

以單個冷熱流道的物理模型的傳熱系數(shù)評價換熱器的換熱性能。為了排除隨機因素，尋找理論最優(yōu)方案，并分析這三個因素對于釬焊板式換熱器的換熱性能影響的主次因素，故對每組試驗計算所得的傳熱系數(shù)做極差分析。

表4 傳熱系數(shù)的極差分析

表4給出了傳熱系數(shù)的極差分析結(jié)果，其中K1、K2、K3、K4分別為 4 水平所得結(jié)果的平均值，R為3個因素的極差值。對比分析極差值的大小:RA＞RC＞RB，因此對流體傳熱系數(shù)影響最大的因素是波紋深度h，其次是波距P。最大傳熱系數(shù)應(yīng)選A1B4C4的參數(shù)組合，即最優(yōu)的理論方案為波紋深度h=3 mm、波紋傾角β=60°、波距P=10 mm。

4 結(jié)論

本文以油—水釬焊板式換熱器為研究對象，對三個主要影響換熱器換熱性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計了正交試驗，得到以下結(jié)論:

1)正交試驗揭示了波紋深度h、波紋傾角β、波距P對釬焊板式換熱器換熱性能的影響，其中波紋深度對換熱性能的影響較大，這三個參數(shù)影響換熱性能的主次關(guān)系為:波紋深度＞波距＞波紋傾角。

2)由正交試驗可知:以傳熱系數(shù)為最大目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)選參數(shù)組合為波紋深度h=3 mm，波紋傾角β=60°，波距 P=10 mm。

［1］ 郭琳琳，張曉偉.淺談板式換熱器［J］.科技視界，2012(14):178-179

［2］ 欒輝寶，陶文銓，朱國慶，等.全焊接板式換熱器發(fā)展綜述［J］.中國科學(xué):技術(shù)科學(xué)，2013(09):1020-1033

［3］ Freund S，Kabelac S.Investigation of local heat transfer coefficients in plate heat exchangers with temperature oscillation IR thermography and CFD［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2010(53):3764 –3781

［4］ Giovanni A.Longo.Heat transfer and pressure drop during hydrocarbon refrigerant condensation inside a brazed plate heat exchanger［J］.International journal of refrigeration，2010(33):944-953

［5］ 王雷，朱洪明，陳亞平.釬焊板式換熱器傳熱與壓降性能實驗［J］.能源研究與利用，2008(05):34-36

［6］ 袁凌.全不銹鋼釬焊換熱器性能及應(yīng)用［J］.制冷與空調(diào)，2005(02):98-100

［7］ 陳亞平.釬焊型板式換熱器用作暖氣熱水器的研究［J］.石油化工設(shè)備，2004(06):7-8

［8］ 喬曉剛，李鵬，崔立棋，等.三個關(guān)鍵幾何參數(shù)對人字形波紋釬焊板式換熱器換熱性能影響的分析［J］.制冷與空調(diào)，2011(04):121-128

［9］ 楊崇麟.板式換熱器工程設(shè)計手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1995