板式換熱器直通道內流動傳熱特性研究

朱睿穎　馬喜振

摘 要：板式換熱器因換熱效率高而具有廣闊的應用前景。本文研究了板式換熱器直通道內的流動傳熱特性，通過建立三維模型、數值模擬得到了直通道內流體的流場和溫度場分布，研究了雷諾系數對流動和傳熱的影響。

關鍵詞：板式換熱器;微通道;傳熱;雷諾系數

中圖分類號：TK172 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）25-0045-03

Research on Flow and Heat Transfer Characteristics in the Straight Channel of Plate Heat Exchanger

ZHU Ruiying MA Xizhen

（The Boiler & Pressure Vessel Safety Inspection Institute of Henan Province， Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： Plate heat exchangers have broad application prospect due to their high heat transfer efficiency. In this paper， the flow and heat transfer characteristics in the straight channel of the plate heat exchanger are studied. Through the establishment of a three-dimensional model， the distribution of the flow field and temperature field in the straight channel is obtained by numerical simulation， and the influence of Reynolds coefficient on the flow and heat transfer is studied.

Keywords： plate heat exchanger;microchannel;heat transfer;Reynolds coefficient

板式換熱器的芯體由金屬板片交替疊加排列經擴散焊接技術連接構成。板片上多分布著半圓形結構的微型流體通道，而該微型通道一般是通過光化學刻蝕技術形成的，因而板式換熱器具有結構緊湊、傳熱效率高和傳熱系數高等特點[1]。

板式換熱器的單元換熱效率在90%以上。在相同熱負荷和壓降下，與傳統管殼式換熱器相比，板式換熱器的體積和質量可以減少80%以上。在制造工藝上，板式換熱器采用光化學刻蝕和擴散焊接方式，芯體換熱單元由唯一的母材構成，擴散連接部位在理想狀態下可達到母材的強度，因此承壓能力較大，承受溫度范圍廣[2]。同時，板式換熱器還可實現多種介質同時換熱，且無須墊片、管板等配件，具有更高的設備可靠性[3]，因此廣泛應用于石油化工、海洋工程及光熱發電等領域[4-6]。

本文研究印刷電路板換熱器直通道內的流動傳熱特性。選用的流體為超臨界二氧化碳，通過對換熱器換熱元件的幾何設計和數值模型建立，分析直通道內流體的流場和溫度場分布，研究雷諾系數對流動和傳熱的影響。

1 幾何設計

板式換熱器的熱流體和冷流體在不同片層交替流動。本文研究半圓形截面的直通道結構，換熱單元的截面如圖1所示。板式換熱器的幾何設計主要由通道內流體的流動和傳熱特性決定，以超臨界二氧化碳（SCO）為流動工質，設計通道直徑（D）、通道長度（L）、通道中心柵距（Pc）、板片厚度（t）等幾何尺寸。

又知，半圓形通道的截面面積A和周長P，可得半圓形通道的水力直徑D為：

D=4A/P=πD/π+2 （1）

由于超臨界二氧化碳物性變化劇烈，計算時需沿流道方向進行分段計算，分別計算每個微元段內的溫度、壓降和換熱量。假設流量在通道內均勻分布，熱流體側和冷流體側的通道及板片幾何尺寸相同，忽略軸向導熱。設計思路為先假定流道直徑、長度及流道數量，根據強度計算確定板片厚度和通道中心柵距，從熱側入口分段迭代計算，得到總換熱量和壓降。若不滿足設計要求的換熱量和壓降，調整流道直徑、長度及流道數量，重新迭代計算，直至滿足設計要求。

每一微元段內的換熱由熱流體側的對流換熱、壁面導熱和冷流體側的對流換熱組成，總傳熱系數為：

熱流體側和冷流體側的流動傳熱計算關聯式相同。當[Re]<2 300時，[Nu]=4.089;當2 300<[Re]<5.0×106、0.5<[Pr]<2 000時，采用Gnielinski傳熱關聯式計算對流傳熱系數：

通過設計，初步確定了一個換熱功率為750 kW的超臨界二氧化碳換熱器，冷側流體和熱側流體均為超臨界二氧化碳（SCO），逆流換熱，熱側流體入口溫度為316.85 ℃，入口壓強為8 MPa，冷側流體入口溫度為183.85 ℃，入口壓強為20 MPa。設計的通道幾何結構及板片數量如表1所示。

2 傳熱過程的數值計算

假設流量在換熱器通道內均勻分布，數值模擬一組熱流體通道和冷流體通道內的流場和溫度場。通道尺寸如表1所示，直徑為1.5 mm，通道間距為2.4 mm，通道長度為100 mm，板片厚度為1.5 mm。建立計算區域的三維模型，對流體通道和固體區域進行結構化網格劃分，如圖2所示，壁面附近網格加密。

換熱單元中熱流體和冷流體為逆流換熱，給定熱流體和冷流體的入口溫度、壓強和流量，熱流體和冷流體的出口為壓強出口邊界條件。流體與固體接觸的壁面采用耦合邊界條件，固體外表面為絕熱邊界。通過對比不同網格單元數的總換熱量、冷流體出口溫度和熱流體出口溫度，綜合考慮網格質量與計算所需時間，選取的網格總數為744 250。

通過計算得到通道內流體的溫度分布如圖3所示。隨著熱量由熱流體傳遞到冷流體，沿流動方向，熱流體溫度逐漸降低，冷流體溫度逐漸升高。流體的速度分布如圖4所示，通道中心流速最大，流速沿徑向逐漸減小。

3 數值計算與理論計算結果對比分析

將數值計算的結果與理論計算值進行對比，理論計算按照式（3）和式（4）計算。對比結果如圖5所示，數值模擬得到的溫度分布與理論計算的溫度分布基本吻合，說明本數值模擬方法準確可行。

使冷側超臨界二氧化碳流動的雷諾數固定不變，熱側超臨界二氧化碳流動的雷諾數從2 500變化到24 293，分析雷諾數對流動傳特特性的影響，結果如圖6所示。由圖6可以看出，系統總傳熱系數隨[Re]增大而增大，數值模擬結果與理論計算結果的誤差在15%以內。熱側的壓降隨[Re]增大而增大，冷側的壓降幾乎不受熱側[Re]的影響，如圖7所示，數值模擬得到的壓降與理論計算的誤差在10%以內。

4 結語

基于微通道傳熱理論計算，初步設計了以超臨界二氧化碳為工質的板式換熱器的幾何尺寸，并采用數值模擬方法對設計的板式換熱器進行三維建模計算，得到超臨界二氧化碳在微通道內的流動傳熱特性。數值模擬結果與理論計算結果能夠較好地吻合，換熱器總傳熱系數隨[Re]增大而增大，但壓降也隨[Re]增大而增大。

參考文獻：

[1]胡芳.板式換熱器流動與傳熱特性研究[D].南京：南京航空航天大學，2012：17.

[2]陳彥君，賀德強.凹陷陣列板式換熱器里超臨界甲烷換熱和流動特性模擬研究[J].低溫工程，2020（2）：32-37.

[3]謝瑤，李劍銳，胡海濤.板式換熱器內超臨界甲烷流動換熱特性模擬[J].化工學報，2021（增刊1）：203-209.

[4]曾豪，胡練，陳德奇，等.印刷電路板式換熱器Z型通道內超臨界二氧化碳流動傳熱特性研究[C]//第十六屆全國反應堆熱工流體學術會議暨中核核反應堆熱工水力技術重點實驗室2019年學術年會，2019.

[5]李雪，陳永東，于改革，等.板式換熱器傳熱與流動規律及準則式研究[J].壓力容器，2017（12）：21-26.

[6]徐婷婷，趙紅霞，韓吉田，等.結構和工況參數對板式換熱器性能的影響[J].熱力發電，2020（12）：32-39.

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