板式換熱器的結構設計和優化研究

王雪瑩 何夢琪 陳興鵬 張海滟 徐迅

摘 要：傳熱板片是板式換熱器的關鍵元件。現通過數值模擬軟件Fluent，以換熱器單位時間的換熱量除以煙氣側壓力損失的1/3次方作為綜合性能指標，對板片的幾何參數進行了優化設計。研究結果表明，橢圓形截面板式換熱器，板束與板束的間距h=16.5 mm，長軸a=30 mm，短軸b=12 mm，空氣進口流速設置為6 m/s時，綜合性能指標能夠取到更優值，達到優化目的。

關鍵詞：板式換熱器;結構優化;數值模擬

0? ? 引言

熱交換器是一種將熱量從一種介質傳遞到另一種介質的裝置，廣泛用于石油、化工、能源、食品和其他行業[1]。其根據傳熱表面形態可分為管式換熱器、板式換熱器、夾套式換熱器和特種換熱器。板式換熱器以其優良的傳熱系數和緊湊的結構在工業領域中得到了廣泛應用。

板式換熱器的結構可分為兩部分：一部分是框架結構，主要用于支撐整體結構;另一部分是金屬板片，用作傳熱的關鍵部件。板片是由薄板用研磨工具壓制出波紋，薄板片的4個角開有角孔和密封墊片，用于介質的流道，起到減少液體向外泄漏和換熱液體相互內漏的作用。當板式換熱器正常工作時，密封墊片按工藝流程進行組合密封并與傳熱板進行連接，兩角孔互相連接，形成通道。相應通道內的傳熱物質在相近通道內朝著相反的方向運動，提高了熱傳遞效率，加強了熱輻射、對流換熱的效果。按板片形式來劃分，板式換熱器主要包含人字形波紋板、水平平直波紋板和瘤形板片3個類型[2]。

現有的板片形狀以人字形最多，已有文獻也主要是對這一形式波紋的不同幾何參數（如波紋的間距、高度、傾角等）對流動和換熱的影響進行研究。但人字形板式換熱器的阻力一般較大，往往成為限制其應用的主要因素。本文對一種橢圓形截面板式換熱器的板片波紋形式進行設計，通過數值模擬軟件Fluent對板片的幾何參數進行優化設計，以達到換熱量高、壓力損失小的目的。

1? ? 板式換熱器數值模型

文獻[3]設計了一種橢圓形截面板式換熱器，該模型由若干塊相同的平板疊加在一起，制作工藝上利用激光滲透焊接、充壓，形成了橢圓形截面的循環通道，冷卻水由該通道進入，板束與板束之間錯位疊放，板束之間為煙氣的波紋型通道，如圖1所示。該板型結構緊湊，傳熱效率好，但并沒有明確制訂該板型的尺寸選擇。

2? ? 數值模擬及結構優化

橢圓形截面板式換熱器中，設板束與板束的間距為h，冷卻水進口橢圓長軸為a，短軸為b;設計板束長240 mm，寬400 mm。

板式換熱器的換熱性能主要包括換熱量和煙氣側壓力損失。

設換熱量為Q[單位為kW/（m2·s）]，計算式為：

Q=c·ΔT·v·ρ

式中：c為煙氣比熱[J/（kg·℃）];ΔT為煙氣進出口的溫度差（℃）;v為煙氣流速（m/s）;ρ為空氣密度（kg/m3）。

設煙氣側壓力損失為ΔP（單位為Pa），板式換熱器綜合性能指標為：

M=

2.1? ? 板間距對性能的影響

設定長軸×通道數為30 mm×8，短軸16 mm，水速0.5 m/s，煙氣流速5 m/s，入口溫度130 ℃，計算不同板間距下的換熱量和煙氣側壓力損失，如圖2所示。

可以看出，板間距越小，換熱量越大，換熱性能越好，但同時壓力損失也隨之增大。

計算綜合性能指標，其變化趨勢如圖3所示。在間距取值為22 mm時，綜合性能指標取到最大值。

2.2? ? 長軸對性能的影響

設定短軸為16 mm，板間距為22 mm，其余邊界條件同2.1，計算不同長軸時的換熱量和煙氣側壓力損失，如圖4所示。

可以看出，長軸越?。ㄍǖ罃翟蕉啵?，換熱量越大，但同時壓力損失迅速增加。

計算綜合性能指標，其變化趨勢如圖5所示。長軸越大（通道數越?。笜嗽胶?，但由于增加長軸時換熱量下降，從而導致換熱不足。因此，在實際設計中，選取長軸為30 mm，通道數為8。

2.3? ? 短軸對性能的影響

設定長軸×通道數為30 mm×8，其余邊界條件同2.1。按照2.1得到的短軸與板間距最佳比例16：22，計算不同短軸時的換熱量和煙氣側壓力損失，如圖6所示?？梢钥闯?，短軸越小，換熱量越大，同時壓力損失也越小。

綜合性能指標變化趨勢如圖7所示。理論上短軸越小，換熱器綜合性能越好，應在兼顧材料用量和造價成本的前提下，選取盡量小的短軸。

2.4? ? 煙氣流速對性能的影響

設定長軸×通道數為30 mm×8，短軸12 mm，板間距16.5 mm，其余邊界條件同2.1。計算不同煙氣流速下的換熱量和煙氣側壓力損失，如圖8所示。

可以看出，隨著煙氣流速的增大，換熱量增大，壓力損失同時增加。

計算綜合性能指標發現，煙氣流速越大，換熱器綜合性能越好，變化趨勢如圖9所示。但過大的煙氣流速可能會導致換熱時間不足，煙氣不能充分冷卻，排煙溫度過高，因此，選取煙氣進口流速為6 m/s。

3? ? 結論

本文利用Fluent軟件對板式換熱器進行了數值模擬計算，分析了板片結構參數及煙氣流速對換熱器性能的影響，得到具體結論如下：

（1）板間距越小，換熱器單位時間的換熱量越大，但壓力損失也越大。對于特定的短軸，板間距存在最佳值，使得換熱器綜合性能指標最佳。

（2）長軸越大（通道數越少），換熱器單位時間換熱量越小，壓差也越小，綜合性能指標越大。但增加長軸時，單位時間換熱量下降，從而導致換熱不足。綜合考慮，長軸×通道數選擇為30 mm×8。

（3）固定短軸與板間距之比，短軸越小，換熱器單位時間換熱量越大，壓力損失也越小，綜合性能指標越大。選取短軸為12 mm，對應板間距為16.5 mm。

（4）煙氣流速越大，換熱器單位時間換熱量越大，壓力損失越大，綜合性能指標也越大。但過大的煙氣流速可能會導致換熱時間不足，煙氣不能充分冷卻，排煙溫度過高。因此，選取煙氣進口流速為6 m/s。

[參考文獻]

[1] 劉凱，付婷，曾良才，等.內置擾流柱的人字形板式換熱器的數值模擬[J/OL].機械科學與技術.（2021-03-04）[2021-05-16].https：//kns.cnki.net/kcms/detail/

detail.aspx？dbcode=CAPJ&dbname=CAPJLAST&filename=

JXKX20210302004&v=71l%25mmd2FrpOgPQchO0qhQTvhy4-

Nepk3xFytPHf8HX6UaD8OulWRoT0oo2WKOayenIBmp.

[2] 程曉峰，張耀，萬興.板式換熱器的結構設計與優化[J].節能，2020，39（9）：81-84.

[3] 高秀晶，吳俐俊，梁辰光.新型板殼式低壓省煤器與管翅式低壓省煤器傳熱性能的對比研究[J].電力與能源，2014，35（3）：366-368.

收稿日期：2021-05-19

作者簡介：王雪瑩（2000—），女，江蘇徐州人，研究方向：光電信息。

通信作者：徐迅（1983—），男，江蘇南通人，副教授，研究方向：工程傳熱。