板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种高效换热器。换热器的各板片之间形成许多小流通断面的流道,通过板片进行热量交换,它与常规的壳管式换热器相比,在相同的流动阻力和泵功率消耗情况下,其传热系数要高出很多。国外自20世纪30年代开始,板式换热器的应用已非常普遍。我国20世纪70年代,开始批量生产板式换热器,当时大多用在食品、轻工、机械等部门; 20世纪80年代初期,扩大到民用建筑的集中供热;中期,随着高层建筑集中空调的增多和空调制冷设备产品的更新换代,板式换热器在空调制冷领域里的应用已名列前茅。近年来,板式换热器技术日益成熟,其传热效率高、体积小、重量轻、污垢系数低、拆卸方便、板片品种多、适用范围广,在各个行业得到了广泛应用。今天板式换热器技术的主要特点有第一,板式换热器单元和单片面积大型化第二,采用垫片无胶连接技术使板式换热器安装。

1．板式换热器实验研究

目前,板式换热器设计、运行还是主要依靠实验研究。早在132年前,德国发明了板式换热器,直到1923年APV公司才开始成批生产铸铜沟道板片的板式换热器。1930年,研究出不锈钢波纹板型板式换热器,从此为现代板式换热器奠定了基础。

通过实验研究和应用实验表明,人字形的传热特性和流阻特性效果优良,所以近几十年板式换热器大都采用人字形板片。最具有代表性的实验当属W. W. Focke的实验研究,他采用了有限扩散电流技术(DLCT),通过类比关系得到人字形流通的传热速率。此研究确切地找出了板式换热器波纹倾角对传热与阻力性能的定性关系。W. W. Focke的实验也为板式换热器的实验指出了途径。

近些年板式换热器主要研究方向之一是创新板型以及研究板型的几何参数对换热及流动的影响。Muley和Manglik通过实验分析了多种板式换热器的数据,得到了一系列传热及流阻的综合关系式。Mir-AkbarHessami通过两种板片从层流到紊流区的实验,在不改变波纹高度和波纹距离的条件下,比较了60°和45°的波纹,指出对于60°波纹人字形板片的努谢尔数和摩擦系数是45°的2倍左右。

Kwan-Soo Lee, Woo-Swung Kim等人实验研究了板式换热器板片之间镶锥形圆钉增强扰动强化传热方法,得到镶嵌圆钉的横向距离、纵向距离、圆钉高度和锥角是影响传热性能的主要因素,通过分析研究最后得到影响参数之间的优化方案。

限制板式换热器使用的一个重要因素是它的流动阻力较大。对于板式换热器的阻力特性和压力分析问题, ReinhardWurfe,l Nikolai Ostrowski进行了较细致的研究,说明了影响板式换热器性能的主要原因之一是变负荷及波纹板几何参数的影响。除了对板式换热器在高雷诺数范围内传热与阻力性能的研究,还有一些学者对板式换热器在低雷诺数范围内传热与阻力性能进行了探索及实验。Muley在低雷诺数状态下,对水-水和水-蔬菜油介质板式换热器进行了阻力实验,分析了不同波纹倾角板片参数对流阻的影响。Yasa Eslamoglu等人对空气流过水平平直波纹板进行实验,测试不同流道高度对传热与阻力的影响,发现努谢尔数随着流道高度的增加而增大,但摩擦系数也会增加,实验表明小间距流道传热效果好。

ReinharedW iirful等人对波纹板式换热器蒸汽冷凝性能进行了实验研究,在完全凝结工况下研究了不同板片结构、不同负荷及波纹倾角对换热和流阻的影响。

板式换热器中流体的分布不均匀是影响板式换热器性能的一个主要因素。B. PrabhakaraRao等人对板式换热器中不均匀流动做了分析研究。研究表明,在板式换热器流道中流速相等的假设与实验情况有很大出入。他们在实验基础上考虑了非均匀流动分布因素,建立了新的传热与流动阻力公式,其结果与实验吻合较好。

研究板式换热器内流体的流动有一种有效办法就是速度场可视化技术。Saboya F. E. M.和Sparrow E. M采用了荼升华技术对波纹槽道的流动二维速度场进行了可视化研究。后来, Vlasongiannis P.等人通过高速摄影机测量了气水混合物传热系数比同样条件下的液体流动的传热系数高很多,尤其当冷却介质中水速较低时(<0·025m/s ),气体流动贯穿覆盖了整个流道,而受气体剪切的液体水则在层流下做溪状流动,这时传热效果最佳。

国内在70年代制造出第一批人字形波纹板片的板式换热器,从此我国开始了一系列的实验研究工作。天津大学赵镇南系统地研究了波纹倾角对板式换热器的影响和人字形波纹通道中的基本流型。他的研究成果与W. W. Focke的研究类似。许淑惠对板式换热器的压力分布和阻力特性进行了研究,通过实验揭示了两种板型进口段的流型分布以及压力损失的原因所在。文献中用透明板片显示通道内流动情况的方法,对于应用激光技术实施对板式换热器内部速度场及温度场的测定具有一定的启示作用。周明连等通过实验观测板式换热器进行研究,发现板式换热器内存在的偏流等流量分配不均现象降低了板式换热器的传热性能,并且增大了内部流动阻力。国内一些学者采用染色示踪法对人字形波纹槽道和斜波纹槽道进行观测,得到的结果对后续研究具有一定的启发性。近些年也有学者采用局部组合通道内的可视化及传热机理研究方法预测推断板式换热器的传热及流阻特性,为开发新板片开辟了一种新的途径。

2.板式换热器CFD及场协同研究

板式换热器实物实验投资大,时间长,花费大量的人力;一些大型换热器及复杂工况条件下的换热器难以进行实验。故近年来,人们越来越热衷于采用计算流体力学(CFD)手段对板式换热器进行数值模拟,而将CFD与实验有机结合在一起研究板式换热器是一种高效、经济的研究手段。

早在1974年,英国学者Patankar和Spalding首先采用CFD手段对热交换器进行数值模拟研究,他们计算了管壳式热交换器的流阻。

Carla S. Fernandes等人运用CFD软件对板式换热器中搅拌酸奶的生产过程进行了模拟,建立了非牛顿流体模型,经过数值计算得到其速度场和温度场。Flavio C. C. Galeazzo, RapuelY. Miura等人对食品工程中使用的平板式板式换热器进行了模拟计算,结果证明平板式换热器中的流动多为层流,局部呈现湍流状态。他们通过实验验证了计算的有效性及正确性。

KoneGrijspeerd,t BirinchiHazarka等人对人字形板式换热器分别做了3维和2维的数值计算。在2维计算中得到波纹形状的影响, 3维计算中确定了波纹角度的影响,最终得到优化波纹的模型。Ciofalo. M.等人利用有限元法和低雷诺数下的k-ε模型,对波纹板式换热器过渡区和弱紊流区进行了数值模拟和实验验证,为其它板式换热器的数值计算提供了参考。

近几年国内学者对板式换热器CFD方面的研究取得很大的进展。杨勇采用曲线坐标下的低雷诺数模型对波纹板式换热器进行了数值模拟,得到了速度场及温度场,发现并解释了在换热器冷、热流量较大时特殊的对流交换曲线。张广明、田茂诚等人采用CFD软件对人字形板式换热器进行了数值模拟,从模拟计算发现,波纹倾角对流型变化影响很大,随着波纹倾角的增大分别出现了十字交叉流和曲折流。曲宁截取流道的一半为计算区域,通过Fluent软件对人字型板片进行数值模拟,得到其槽道内的3维压力场、速度场和温度场,较为仔细地分析了波纹倾角、波高和波距对流动与换热的影响。湖南大学任承钦、张国强等人,设计了一种隔板为六边形的板式换热器,并对此进行了数值模拟,结果表明该新型换热器具有准逆流换热的特点和强化换热作用。上海交通大学景步云等人对R22在板式蒸发器中沿流动方向各点分布参数进行数值模拟,采用稳态分布参数法建立仿真模型,并分析了板式换热器中介质流动时压力和板壁温度的变化情况。

过增元先生提出的场协同原理是分析对流换热过程的一个工具。场协同原理是指对流换热强度不仅取决于流体与固体壁面之间的温差,流动速度和流体热物理性质及输运性质,同时还取决于流体速度矢量与热流矢量的夹角大小。在提出此理论后,一些研究者使用该原理对不同的对流换热过程进行了分析,并取得了很好的效果。山东大学李晓亮采用场协同原理对人字形板式换热器进行了强化传热研究,结果表明利用场协同积分余弦值和场协同匹配性与换热效果存在相关性。场协同理论也可用于指导板式换热器的设计改进及对其强化换热效果进行评价。

作为一种高效紧凑式换热器,在加热、冷却、冷凝、蒸发和热回收过程中,除了高温、高压和特殊介质条件外,板式换热器均已替代管壳式换热器。经试验证明在板式换热器适用范围内,绝大多数工况时,用不锈钢板式换热器比一般碳钢换热器投资低,而且可以预见板式换热器与管壳式换热器的竞争会更加激烈。

此外,我国板式换热器在实验研究和理论研究方面与国外先进水平相比仍存在较大差距,所以仍需进一步加强板式换热器的研究。

目前,我国换热器产业的市场规模大概360亿人民币。基于石油、化工、电力、冶金、船舶、机械、食品、制药等行业对换热器稳定的需求增长,我国换热器产业在未来一段时期内将保持稳定增长。2010年,我国换热器的市场需求将达到500亿元左右。另外,航天飞行器、半导体器件、核电站、风力发电机组、太阳能光伏发电及多晶硅生产等高新技术领域都需要大量的专业换热器。展望板式换热的未来,它会在更广泛的领域大有作为。