板式熱交換器熱混合設(shè)計(jì)研究

周振 宋金虎 張守圣

摘 要：影響板式熱交換器傳熱性能的主要因素有傳熱系數(shù)K、對(duì)數(shù)平均溫差Δtm、介質(zhì)的壓力降ΔP以及板片的承壓能力等。研究了在兩個(gè)恒定的板間流速下，對(duì)高NTU、中NTU和低NTU通道三種板片結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合并進(jìn)行熱工性能試驗(yàn)。研究軟板的數(shù)量對(duì)板式熱交換器的壓力降ΔP及傳熱系數(shù)K的影響得到有助于熱交換量—流量—允許壓降完全匹配的板片組合形式。

關(guān) 鍵 詞：傳熱系數(shù)；對(duì)數(shù)平均溫差；壓力降；NTU；軟板

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ051.5 TK172 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671-0460（2016）08-1886-03

Abstract： The main factors of affecting heat transfer performance of plate heat exchanger include heat transfer coefficient K， logarithmic mean temperature difference Δtm ， pressure drop of medium ΔP and bearing capacity of plate and so on. In this paper， under a constant velocity between plates， after combining high NTU， middle NTU and low NTU channel， their performance was tested. The influence of the number of soft plate on pressure drop ΔP and heat transfer coefficient K of plate heat exchanger was studied， and the combination of plates that can be helpful to completely match heat exchange—rate of flow—allowable pressure drop was obtained.

Key words： heat transfer coefficient； logarithmic mean temperature difference； pressure drop； NTU； soft plate

板式熱交換器是一種高效節(jié)能、占地面積小的換熱設(shè)備，以其優(yōu)良的性能廣泛應(yīng)用于化工、輕工、食品等行業(yè)[1]。影響板式熱交換器的傳熱性能的主要因素是其傳熱元件：板片。板片型式有多種多樣，例如水平平直波紋板、人字形波紋板、凹凸形波紋板及斜波紋板等。人字形的波紋板以其良好傳熱效果及承壓性能被廣泛應(yīng)用。FOCKE[2]通過(guò)可視化方式研究了不同波紋角度對(duì)傳熱性能的影響。趙鎮(zhèn)南[3]通過(guò)已有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)研究了人字形波紋傾角對(duì)阻力及傳熱性能的影響，人字形夾角β越大，其傳熱效果越好，相應(yīng)阻力降也越大；反之人字角越小，其傳熱系數(shù)和阻力降也小。圖1為人字形夾角β與傳熱系數(shù)K的關(guān)系曲線(xiàn)。單一傾角的人字形板片組合不能實(shí)現(xiàn)流速、壓降及傳熱系數(shù)之間的良好匹配。為實(shí)現(xiàn)三者的匹配制作一種等的新板片型式，產(chǎn)品加工周期長(zhǎng)、成本費(fèi)用高，不可取。為了解決這一匹配問(wèn)題，瑞典ALFA-LAVAL公司提出進(jìn)行熱混合設(shè)計(jì)[4]。范菊蘭[5]等進(jìn)行了板式換熱器混合板片熱力性能試驗(yàn)，證明了混合板片換熱效果及壓降都介于軟板組合與硬板組合之間。趙元東[6]通過(guò)場(chǎng)協(xié)同理論和火積耗散理論分析熱混合板式換熱器的綜合性能。在充分利用壓力降的情況下，“熱混合”設(shè)計(jì)的換熱面積有時(shí)可比傳統(tǒng)的板式換熱器減少25%～30%，現(xiàn)已普遍推廣。在板式換熱器中，硬板組合有著較高的流阻，很多工況往往對(duì)流阻有限制。本文以試驗(yàn)的方式研究軟板數(shù)量對(duì)研究軟板的數(shù)量對(duì)板式熱交換器的壓力降ΔP及傳熱系數(shù)K的影響得到有助于熱交換量—流量—允許壓降完全匹配的板片組合形式，為板換設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 熱混合理論及組合形式

利用人字角β對(duì)傳熱的影響，很多制造廠將同一規(guī)格的板片做成大人字角和小人字角兩種。大人字角的板片為硬板（H板），小人字角的板片為軟板（L板）[7]。將這兩種板片混合組裝，其換熱性能也介于純硬板與純軟板組合性能之間，這種組裝方法被稱(chēng)為熱混合組裝，如圖2所示。

對(duì)于板式換熱器實(shí)際生產(chǎn)中，熱混合的組裝分為五種組裝方式：a.全軟板組裝；b.全硬板組裝；c.軟硬板按1：1比例組裝；d.軟板少于整臺(tái)板片數(shù)的半數(shù)組裝；e.軟板多于整臺(tái)板片數(shù)的半數(shù)組裝。在這些組裝方法中，軟板對(duì)減小阻力的作用是明顯的，但是目前國(guó)內(nèi)僅僅只有定性的結(jié)論，沒(méi)有準(zhǔn)確的理論對(duì)組裝進(jìn)行指導(dǎo)。

傳熱計(jì)算有兩種計(jì)算方法，對(duì)數(shù)平均溫差計(jì)算法和ε-NTU法。熱混合計(jì)算同時(shí)采用對(duì)數(shù)平均溫差法及ε-NTU法計(jì)算；ε-NTU法對(duì)熱混合傳熱計(jì)算是基于傳熱通道的平均法。先通過(guò)對(duì)數(shù)平均溫差法得到單個(gè)通道的熱量，再通過(guò)ε-NTU法得到冷熱流體溫降與NTU傳熱單元之間的關(guān)系，然后根據(jù)總的傳熱量等于混合通道中的高阻通道與中阻通過(guò)各自完成的傳熱量之和，從而可求出高阻通道及中阻通道各自的數(shù)量，完成熱混合傳熱計(jì)算。

2 混裝板片試驗(yàn)

本文以某公司某一型號(hào)的軟硬板片作為研究對(duì)象，對(duì)15組不同混裝形式的板片進(jìn)行7種組合：A組合形式為全硬板組合；B組合形式為1*13H+1*2M，13組高阻通道與2組中阻通道組合；C組合形式為1*9H+1*6M，9組高阻通道與6組中阻通道組合；D組合形式為1*2H+1*13M，2組高阻通道與13組中阻通道；E組合形式為11*M+4*L，11組高阻通道與4組低阻通道；F組合形式為全軟板。對(duì)這六種形式的組合進(jìn)行傳熱試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖3所示。研究一定流速下組合中的硬板或軟板數(shù)量對(duì)壓降及傳熱的影響。

研究各種組合形式的熱平衡誤差如圖4所示，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖中可以看出大部分熱平衡誤差在±10%之間，在允許的誤差范圍內(nèi)，可以確定試驗(yàn)數(shù)據(jù)有參考性。從圖中可以看出，誤差為負(fù)值時(shí)偏多，也就是說(shuō)板式熱交換器吸熱量大于放熱量。這主要是由于工作的熱量損失造成的。

本文研究了在熱側(cè)流速為ω=0.35 m/s及ω=0.5 m/s的狀態(tài)下，軟板數(shù)量對(duì)兩側(cè)的壓降及總傳熱系數(shù)的影響。對(duì)各個(gè)板間流速下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到了軟板數(shù)量與總傳熱系數(shù)關(guān)系曲線(xiàn)如圖5所示，得到軟板數(shù)量與冷側(cè)壓降關(guān)系曲線(xiàn)如圖6，得到軟板數(shù)量與熱側(cè)壓降關(guān)系曲線(xiàn)如圖7所示。

從圖5中可以看出，隨著軟板的數(shù)量增加，總傳熱系數(shù)總體上是降低的。在軟板數(shù)量小于總板數(shù)的一半時(shí)，總傳熱系數(shù)隨軟板數(shù)變化不是很明顯，當(dāng)軟板數(shù)量超過(guò)總板數(shù)一半時(shí)，總傳熱系數(shù)明顯降低。

從圖6中可以看出，隨著軟板的數(shù)量增加，冷側(cè)壓降也是隨之降低。在流速較小的情況下，軟板數(shù)量對(duì)冷側(cè)壓降的影響同熱側(cè)壓降的影響大致相同。但是在流速較大的情況下，冷側(cè)壓降隨著軟板數(shù)量一直降低，在軟板達(dá)數(shù)量超過(guò)一半時(shí)，這種影響也也比較明顯。

從圖7中可以看出，在ω=0.35 m/s與ω=0.50 m/s兩種流速下，熱側(cè)壓降變化曲線(xiàn)一致。隨著軟板的數(shù)量增加，熱側(cè)的壓降明顯降低，由于軟板的阻力相對(duì)于硬板的阻力小，軟板的數(shù)量的增加使得整體的阻力減小，壓降也隨之減小。在軟板數(shù)量小于總板數(shù)的一半時(shí)，熱側(cè)壓降降低幅度較大，軟板數(shù)量超過(guò)一半時(shí)，熱側(cè)壓降減小幅度趨于減緩。說(shuō)明軟板數(shù)量在小于板片總數(shù)的一半范圍內(nèi)對(duì)熱側(cè)壓降影響較大，超過(guò)這個(gè)范圍軟板的數(shù)量對(duì)熱側(cè)壓降影響較小。

3 結(jié) 論

（1）從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出軟板的數(shù)量對(duì)整個(gè)板式熱交換器的壓降及傳熱系數(shù)有很大的影響，在熱混合設(shè)計(jì)中合理的控制軟板或硬板的數(shù)量可以使板式熱交換器處在一個(gè)最佳的工作狀態(tài)，不僅可以減少板片的數(shù)量，還可以獲得較好的傳熱效率。在組裝板片過(guò)程中，當(dāng)軟板的數(shù)量接近總板片數(shù)的一半時(shí)，板式熱交換器可以在較大的傳熱系數(shù)較小的流體阻力下工作。

（2）熱混合組裝板片可以滿(mǎn)足各種換熱場(chǎng)合的不同需求，可以在很廣參數(shù)范圍內(nèi)，使換熱量、流量及允許壓降達(dá)到很好的匹配。本研究為生產(chǎn)高效、節(jié)能的混合板式熱交換器提供了依據(jù)。

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