全焊接板式換熱器數(shù)值模擬及實驗驗證

余 超

（萊卡國際生物科技有限公司， 山西 平定 045200）

引言

換熱器主要應(yīng)用于石油化工、空調(diào)、航空航天等行業(yè)中，其主要是對熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備。全焊接板式換熱器由于其傳熱效率較高、在實際熱量傳遞過程中阻力較小及可靠性高等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用。對于全焊接板式換熱器而言，其焊接板為波紋板式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的波紋形式、波紋間距、波紋板的安裝形式及角度等參數(shù)將直接決定設(shè)備的換熱效果和換熱過程中的流動阻力[1]。因此，對于全焊接板式換熱器設(shè)計時，需要對上述參數(shù)進行合理設(shè)計才能夠保證最終的使用性能。本文將基于計算機技術(shù)對全焊接板式換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，并對最終設(shè)計所得的換熱器性能進行模擬研究。

1 全焊接板式換熱器概述

本文的研究對象為全焊接板式換熱器，該型換熱器在某種程度上解決了傳統(tǒng)板式換熱器的應(yīng)用空白，具有較為優(yōu)越的耐高溫性、耐高壓及耐腐蝕性能。從整體上講，全焊接板式換熱器的性能遠(yuǎn)超于傳統(tǒng)板式換熱器。全焊接板式換熱器的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 全焊接板式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖

全焊接板式換熱器作為目前最為先進、節(jié)能效果優(yōu)越的換熱器之一，其主要的優(yōu)勢體現(xiàn)為如下幾點：

1）全焊接板式換熱器采用波紋結(jié)構(gòu)，基于波紋結(jié)構(gòu)可以保證換熱介質(zhì)在換熱過程中呈現(xiàn)高度的湍流狀態(tài)。因此，全焊接板式換熱器的換熱效率均優(yōu)于其他普通板式換熱器。

2）全焊接板式換熱器的所有板均通過焊接方式固定，與傳統(tǒng)采用密封圈的方式連接相比，全焊接板式換熱器具有較好的耐高溫和耐壓能力。而且，該型換熱器的應(yīng)用溫度范圍較廣，涵蓋了200～900 ℃；其可應(yīng)用環(huán)境的壓力范圍能涵蓋真空環(huán)境到20 MPa的環(huán)境[2]。

3）全焊接板式的波紋板式結(jié)構(gòu)可保證換熱介質(zhì)在換熱通道中以高速的狀態(tài)流動，而且在換熱器壁面上的速度梯度較大。因此，全焊接板式換熱器在實際應(yīng)用中不容易結(jié)垢。

2 換熱器波紋板參數(shù)的設(shè)計

從理論上講，全焊接板式換熱器波紋板的結(jié)構(gòu)參數(shù)對其換熱效率、流動阻力的影響較大，而且主要以換熱板的波紋角度和波紋間距為主要影響因素[3]。因此，本節(jié)將通過數(shù)值模擬手段對不同波紋角度和波紋間距對應(yīng)的性能進行對比，從而確定換熱板的最佳波紋角度和波紋間距。

根據(jù)一般換熱器波紋板的結(jié)構(gòu)建立CAD 三維模型，而后將所建立的三維模型導(dǎo)入FLUENT 軟件中進行數(shù)值模擬分析。基于CAD 軟件所建立的換熱器波紋板的三維模型結(jié)構(gòu)[4]如下頁圖2 所示。

圖2 全焊接板式換熱器波紋板三維模型示意圖

本文分別對波紋角度為30°、45°、60°、75°，波紋間距為10 mm、15 mm、20 mm 和25 mm 四種情況下的性能進行仿真分析。

2.1 波紋角度對換熱器性能的影響

數(shù)值模擬條件如下：設(shè)定波紋板的外形尺寸為100 mm×100 mm，波紋板的厚度為0.5 mm，波紋間距為20 mm，波紋角度為30°、45°、60°、75°。對上述不同波紋角度對應(yīng)的數(shù)值模擬模型進行網(wǎng)格劃分后，對不同波紋角度對應(yīng)的壓力損失和換熱效率進行對比研究。

研究得出，隨著換熱器波紋角度的增加，對應(yīng)換氣器內(nèi)部的換熱效率呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢；換熱介質(zhì)對應(yīng)的流動阻力呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢。而且，當(dāng)波紋角度為60°時，換熱器內(nèi)部換熱介質(zhì)的擾流現(xiàn)象最高，換熱效率最高[5]。因此，通過數(shù)值模擬分析可知，當(dāng)波紋角度為60°時，對應(yīng)換熱器換熱效率最高，換熱介質(zhì)流動阻力最小。

2.2 波紋間距對換熱器性能的影響

數(shù)值模擬條件如下：設(shè)定波紋板的外形尺寸為100 mm×100 mm，波紋板的厚度為0.5 mm，波紋角度為30°，波紋間距為10 mm、15 mm、20 mm 和25 mm。對上述不同波紋間距對應(yīng)的數(shù)值模擬模型進行網(wǎng)格劃分后，對不同波紋間距對應(yīng)的壓力損失和換熱效率進行對比研究。

研究得出，在同一雷諾數(shù)下，隨著波紋間距的增加，對應(yīng)換熱介質(zhì)的流動阻力減小；隨著波紋間距的增加，對應(yīng)換熱器的換熱效率增加。因此，當(dāng)波紋間距為25 mm 時，對應(yīng)的流動阻力最小，換熱效率最高。

綜上，當(dāng)全焊接式換熱器波紋角度為60°、波紋間距為25 mm 時，對應(yīng)換熱器的換熱效率最高，流動阻力最小。

3 換熱器性能實驗驗證

根據(jù)上述經(jīng)過數(shù)值模擬分析優(yōu)化確定的波紋角度和波紋間距為基礎(chǔ)，其他尺寸采用常規(guī)波紋管的尺寸，生產(chǎn)一套全焊接板式換熱器，并按照實際工況的工藝流程將其連接到生產(chǎn)環(huán)境中，對該設(shè)備的應(yīng)用性能進行驗證。在整個實驗過程中，為保證整體運行的安全性，采用DCS 系統(tǒng)進行監(jiān)控。所設(shè)計的換熱器的工作參數(shù)如表1 所示。

表1 全焊接板式換熱器工作參數(shù)

通過實踐生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)，冷介質(zhì)經(jīng)過換熱器后，冷介質(zhì)的溫度從53.4 ℃增加為99.7 ℃；而熱介質(zhì)經(jīng)過換熱器后，熱介質(zhì)的溫度從121.5 ℃降低為72.3 ℃。與設(shè)定值相對比可知，在整個換熱過程中，冷介質(zhì)、熱介質(zhì)的流量誤差控制在3%以內(nèi)；冷介質(zhì)、熱介質(zhì)的入口溫度誤差控制在2%以內(nèi)，其換熱效率達到46.44%和40.49%。

4 結(jié)論

1）當(dāng)波紋板波紋角度為60°、波紋間距為25 mm時，對應(yīng)全焊接板式換熱器的換熱效率最高，換熱介質(zhì)流動阻力最小；

2）經(jīng)實驗驗證可知，在整個換熱過程中，冷熱介質(zhì)的流量誤差控制在3%以內(nèi)，冷介質(zhì)、熱介質(zhì)的入口溫度誤差控制在2%以內(nèi)，其換熱效率達到46.44%和40.49%。